Micromachining:Teknik, Peluang, dan Tantangan
Permesinan mikro adalah bisnis besar dan akan terus berkembang di tahun-tahun mendatang karena industri menuntut suku cadang yang lebih kecil dan lebih kompleks. Tapi apa arti sebenarnya dari istilah itu, dan apa bedanya dengan "makromesin" yang dilakukan setiap hari di toko-toko mesin di seluruh dunia? Inilah yang perlu Anda ketahui.
Baik itu untuk medis, elektronik kedirgantaraan, atau industri otomotif, mesin mikro adalah bisnis besar. Dan itu akan menjadi jauh lebih besar, menurut laporan November 2019 oleh firma riset The Insight Partners.
Dengan nilai yang diproyeksikan sebesar $5,48 miliar pada tahun 2027, pasar mesin mikro global diperkirakan akan tumbuh hampir dua kali lipat dari level 2018 selama beberapa tahun ke depan, menurut laporan tersebut.
Seperti kebanyakan industri, Jake Rutherford, insinyur penelitian dan pengembangan di KYOCERA SGS Precision Tools Inc., mendefinisikan micromachining sebagai bagian atau fitur bagian mana pun yang memerlukan alat yang berdiameter lebih kecil dari 1/8 inci atau 3 milimeter.
Bukan hal baru, jelasnya. Aplikasi pertama untuk micromachining adalah pembuatan jam tangan, tetapi karena teknologi telah menghasilkan komponen yang lebih kecil dan lebih presisi selama bertahun-tahun, istilah ini sekarang mencakup berbagai industri, suku cadang, dan material. Ini mencakup semua jenis sensor, pompa jantung dan peralatan pemantauan pernapasan, komponen untuk industri dirgantara dan otomotif, aksesori mikroskop elektron, perangkat mikofluida, dan bahkan banyak bagian di ponsel cerdas Anda.
Bahan yang digunakan untuk membuat komponen ini juga mencakup berbagai macam, dengan baja tahan karat dan paduan suhu tinggi cukup umum, serta polimer seperti MENGINTIP, PTFE dan POM.
“Ada banyak material yang tumpang tindih di antara industri, itulah sebabnya toko harus mencari alat permesinan mikro yang khusus untuk material daripada alat yang dirancang untuk pasar atau aplikasi tertentu,” kata Rutherford.
Aturan Praktis Pemesinan Mikro
Terlepas dari ukuran benda kerja, prinsip umum pemesinan tetap sama. Apa yang berbeda adalah efek yang diperkuat yang dimiliki variabel aplikasi yang kurang optimal terhadap keberhasilan micromachining.
“Semuanya menjadi lebih kritis,” kata Insinyur Aplikasi KYOCERA SGS, Jacob Rak. “Ambil runout sebagai contoh. Kami merekomendasikan maksimum 0,1% dari diameter pahat Anda. Namun, semakin kecil alat tersebut, semakin sulit untuk dicapai dan semakin besar pengaruhnya terhadap umur alat.”
Derek Nading setuju. Seorang insinyur aplikasi untuk M.A. Ford Mfg. Co. Inc., ia menawarkan aturan praktis untuk pahat yang berdiameter lebih dari 1/8”:Untuk setiap sepersepuluh runout, masinis dapat mengharapkan pengurangan 10 persen dalam masa pakai pahat. “Namun, ketika Anda berurusan dengan alat pemotong berukuran mikro, kerugian dalam masa pakai alat bisa lebih besar. Itulah mengapa kami merekomendasikan sistem pengencangan pasak, hidraulik, atau presisi berkualitas tinggi untuk sebagian besar aplikasi penggilingan dan pengeboran, tetapi terutama untuk permesinan mikro.”
Mencapai kecepatan permukaan yang tepat juga penting. Setiap masinis dapat melakukan perhitungan, tetapi menjalankan pemotong 1/32” pada 300 sfm membutuhkan hampir 40.000 rpm, jauh lebih tinggi daripada kebanyakan pusat permesinan dan semua mesin bubut mampu mencapainya. Dalam situasi ini, Nading dan yang lainnya merekomendasikan kepala yang lebih cepat. Versi listrik, pneumatik, dan pendingin sudah tersedia, meskipun Nading dengan cepat menunjukkan bahwa yang pertama membutuhkan kabel listrik, sehingga melarang penggunaan alat pengubah alat otomatis mesin.
Kecepatan Spindle Tinggi dan Umpan Pendingin Bersih
Untuk aplikasi microdrilling yang diumpankan pendingin, Nading mencatat bahwa sistem pendingin bertekanan tinggi (HPC) dengan 500 hingga 1.000 PSI harus digunakan untuk mengakomodasi lubang pendingin ultra-kecil bor. Dia memperingatkan bahwa penyaringan yang tepat sangat penting.
“Jelas, lubang di bor ini cukup kecil, sehingga serpihan atau sedikit kontaminasi pun cukup untuk menyumbat pekerjaan, sering kali mengakibatkan kegagalan alat hampir seketika,” katanya. “Itulah mengapa saya ingin melihat tingkat filtrasi 10 mikron atau lebih baik untuk kinerja yang optimal.”
Bahkan lebih dari kecepatan spindel yang tinggi dan cairan pendingin yang bersih, Nading suka melihat peralatan mesin yang selaras dan sangat akurat yang dirancang untuk pekerjaan mikro. Begitu juga dengan Rak KYOCERA SGS:“Saat Anda mencoba menjalankan bor mikro atau pabrik akhir pada mesin yang terlalu besar, resolusi sumbu seringkali tidak cukup baik, menghasilkan gerakan yang bisa terlalu mendadak untuk ditahan oleh alat,” katanya .
Evan Duncanson, spesialis aplikasi penggilingan di EMUGE Corp., mencatat kesalahan micromachining umum lainnya:kurang makan alat.
“Orang-orang yang baru dalam pekerjaan seperti ini cenderung menggunakan microtools bayi, tetapi ketika Anda mengurangi laju pengumpanan pada 30.000-plus rpm, Anda akhirnya hanya mendorong material dan alat tersebut rusak,” katanya. “Anda perlu menggunakan laju umpan yang disarankan agar alat dapat memotong dengan benar, berapa pun ukurannya.”
Jalur alat itu sendiri mungkin juga perlu disesuaikan. Duncanson menyarankan bahwa pemotongan trochoidal masih memiliki tempatnya, tetapi karena penggilingan akhir mikro sering terbatas pada dua seruling dan memiliki jangkauan yang relatif panjang, strategi penggilingan yang berbeda mungkin diperlukan.
“Banyak pabrik akhir mikro memiliki panjang potongan yang sangat pendek—seringkali hanya satu hingga dua kali diameternya—dengan leher yang berkurang 10 atau bahkan 20 kali panjangnya,” katanya. “Dengan alat ini, Anda akan mengambil potongan aksial yang sangat dangkal dan menggunakan jumlah stepover yang relatif berat.”
Terakhir, calon ahli mikro harus memiliki anggaran perkakas yang sesuai. Sama seperti penggilingan dan pengeboran dengan alat-alat ukuran pensil bukan untuk menjadi lemah hati, juga bukan penggilingan alat-alat tersebut. Duncanson dan yang lainnya di sini mengatakan mesin gerinda kelas atas dan roda berbutir halus khusus diperlukan untuk mencapai hasil akhir yang sangat halus dan tepi tajam yang ditemukan pada produk mereka. Meski begitu, tingkat memo naik—terkadang naik—karena ukuran alat turun. Hasilnya adalah biaya alat yang lebih tinggi.
“Lihat ujung tombak standar, 1/2” end mill di bawah mikroskop,” katanya. “Tidak peduli seberapa bagus alatnya, Anda akan melihat dua hingga tiga mikron microchipping dan edge fracturing. Inilah sebabnya mengapa sebagian besar produsen menerapkan sedikit pengasahan pada alat mereka, untuk menghaluskan retakan ini dan pada dasarnya pra-pakai alat tersebut. Namun, Anda tidak dapat melakukan ini ketika alat berukuran sepersepuluh itu, sama seperti Anda tidak dapat menerapkan pelapis setebal lima hingga 10 mikron yang sama. Semuanya harus setajam mungkin.”
Teknik Pemesinan Mikro
Terlepas dari semua pembicaraan tentang alat tajam dan peralatan penggilingan khusus ini, sebagian besar "mesin mikro" saat ini tidak seperti yang dijelaskan di sini. Ya, cukup banyak dilakukan dengan menggunakan alat pemotong konvensional pada mesin bubut CNC dan pusat permesinan seperti yang baru saja dibahas. Tapi ada juga laser micromachining (lihat sidebar), micro-EDM dan jenis micromachining yang lebih tepat disebut microfabrication.
Ada dua proses fabrikasi seperti itu. Yang pertama — micromachining massal — biasanya digunakan untuk membuat MEMS (sistem mikro-elektro-mekanis) melalui etsa selektif dari substrat silikon. Jika perangkat MEMS seukuran rumah, sebagian besar akan berada di bawah tanah, digali dengan serangkaian bahan kimia kaustik sampai struktur dan sifat mekanik yang diinginkan dibangun.
Micromachining permukaan, di sisi lain, membangun "rumah" di dalam lapisan permukaan yang telah disimpan di atas wafer silikon. Bagian dari lapisan kristal ini, kira-kira setebal 25 mikron, dihilangkan secara selektif melalui proses etsa kimia yang serupa. Kedua proses memiliki pro dan kontra, dan keduanya digunakan untuk menghasilkan beragam perangkat yang sangat kecil. Ini termasuk MEMS, sensor inersia, giroskop, dan perangkat penginderaan tekanan, yang semuanya dapat ditemukan di ponsel cerdas, mobil, pesawat terbang, dan berbagai produk industri kelas atas.
Teknik micromachining mana yang menurut Anda paling membantu? Bagikan pemikiran Anda di komentar di bawah.
