Los materiales del lápiz óptico se vuelven más livianos, rígidos y duros

Sep 01, 2023

Navegue por cualquier catálogo de máquinas de medición de coordenadas (CMM) o palpadores de máquinas herramienta y verá una variedad de materiales disponibles entre los que elegir. Por supuesto, los viejos recursos (bolas de rubí, ejes de carburo y bases de acero inoxidable) todavía están ahí. Pero hoy encontrarás nitruro de silicio, circonio, acero, diamante, fibra de carbono, cerámica, titanio y más. Esto genera muchas preguntas sobre cuál es el mejor material para el trabajo. En este artículo, exploraremos los materiales y sus ventajas y desventajas.

En respuesta a la evolución de los mercados, las MMC y los palpadores de máquinas herramienta se están volviendo más ligeros, rígidos y resistentes al desgaste.

Hoy en día, existe una gran cantidad de opciones de materiales al elegir palpadores para una MMC o una sonda de máquina herramienta.

Si no está seguro de cuál es la mejor opción para su aplicación particular, comuníquese con el fabricante del lápiz para obtener asesoramiento.

Las primeras MMC utilizaban un palpador colocado manualmente hecho de acero endurecido. En aquel entonces, los diseños de palpadores se limitaban a una bola de acero soldada a un vástago de acero, medio cilindro de acero y un cono de acero diseñado para presionarse en un orificio para localizar rápidamente su punto central. El operador sostenía el lápiz sobre una superficie, contra un borde, o lo presionaba en un orificio y luego pisaba un interruptor de pie para registrar su posición.

Los sistemas de sonda mejoraron rápidamente, al igual que los palpadores. Las primeras sondas de disparo por contacto utilizaban un lápiz de bola similar a los que se utilizan hoy en día. Las bolas eran de acero y los ejes no estaban roscados. En lugar de roscas, un tornillo de fijación mantenía el eje en su lugar. El conocido lápiz óptico de tres piezas que consta de una bola, un vástago y una base roscada apareció en la década de 1980 con la proliferación de cabezales de sonda de disparo táctil en las CMM y las máquinas herramienta.

Ruby sigue siendo el material de bolas elegido para la mayoría de las aplicaciones de máquinas herramienta y CMM. Las bolas de rubí son relativamente económicas y resistentes al desgaste. El carburo de tungsteno, gracias a su rigidez inherente, se utiliza con mayor frecuencia para ejes o vástagos de aguja. El acero inoxidable es el material más común para bases roscadas.

Entonces, ¿qué pasa con todos los nuevos materiales?

A medida que los sistemas de medición y sondeo han evolucionado, también lo han hecho los requisitos de sus palpadores. Muchos de los sistemas de sondeo actuales imponen límites a la longitud y el peso del lápiz. Estos límites crean la necesidad de materiales que ahorren peso y que aún proporcionen suficiente rigidez. Algunas CMM están diseñadas para funcionar en la fábrica. Estos requieren herramientas resistentes a las fluctuaciones de temperatura. Los “brazos” de CMM operados manualmente son comunes en las áreas de fabricación e inspección actuales. Estas MMC manuales necesitan palpadores resistentes construidos con materiales que puedan soportar el uso manual.

Los palpadores de máquinas herramienta, por otro lado, incorporan el llamado "fusible mecánico". La mayoría de los palpadores de máquinas herramienta están diseñados para romperse en caso de colisión, para evitar daños a la máquina o al cabezal de la sonda.

A medida que las piezas médicas y electrónicas disminuyen de tamaño, también lo hacen los palpadores. No hace mucho tiempo, los palpadores con bolas de menos de 1,5 mm se consideraban exóticos. Se los consideró frágiles y difíciles de calibrar. Hoy son algo común. Recientemente se introdujeron palpadores con bolas de 0,2 mm (0,008”) de diámetro para servir a este campo en expansión. Para ponerlo en perspectiva, una bola de 0,2 mm es más pequeña que el punto al final de esta frase.

Estos cambios han inducido la introducción de nuevos materiales para satisfacer estos requisitos cambiantes. A continuación se ofrece una descripción general de los materiales que componen los componentes principales de un lápiz óptico: 1) la bola, 2) el vástago y 3) la base roscada.

LA PELOTA

Las bolas fabricadas con rubí sintético son el estándar de la industria. El rubí ocupa el segundo lugar después del diamante en dureza y, por lo tanto, exhibe una resistencia superior al desgaste. Ruby tiene un coeficiente de fricción relativamente bajo, lo que lo convierte en una buena opción para aplicaciones que implican sondeo o “escaneo” de contacto continuo. Sin embargo, al escanear aluminio sin tratar, el aluminio tiende a acumularse en la superficie de la bola, haciéndola inservible para su uso posterior. Además, las superficies abrasivas pueden desgastar una zona plana en una bola de rubí. Para estas aplicaciones recomendamos bolas de nitruro de silicio.

El nitruro de silicio es una cerámica industrial muy dura que se utiliza principalmente para rodamientos de bolas. Además de su precisión esférica, las bolas de nitruro de silicio están muy pulidas. La desventaja es que son difíciles de mecanizar, lo que las hace más caras que las bolas de rubí para su uso en palpadores. Los palpadores de bolas de nitruro de silicio son muy adecuados para aplicaciones de producción que implican sondeos repetitivos, especialmente con aluminio sin tratar. También funcionan muy bien en superficies abrasivas, como las producidas por mecanizado erosivo (EDM). En la mayoría de las aplicaciones, las bolas de nitruro de silicio durarán más que las bolas de rubí. Son una buena opción para casi cualquier material, excepto el hierro fundido.

La circonita es el material de bola elegido al sondear hierro fundido. La circonita es una cerámica dura y muy pulida. Las propiedades mecánicas de la circona la hacen más adecuada que el rubí y el nitruro de silicio para su uso en hierro fundido.

A veces un lápiz debe ser conductor de electricidad. En este caso, se necesita una bola de carburo o de acero endurecido. Las bolas de acero suelen estar disponibles en una gama mayor de diámetros que las bolas de carburo y, por lo general, cuestan menos. Por lo tanto, las bolas de acero endurecido suelen ser la mejor opción cuando todo el lápiz debe conducir una corriente eléctrica.

Las bolas de cerámica (alúmina) son populares en diámetros superiores a ocho milímetros. La cerámica es más ligera que el acero o el carburo. Está muy pulido y resiste el desgaste. Las bolas de cerámica con diámetros superiores a ocho milímetros son menos costosas que las bolas de rubí equivalentes. Sin embargo, las bolas de cerámica suelen fabricarse con un grado de esfericidad inferior al de las bolas de rubí. Una bola de cerámica típica de 10 mm se muele hasta obtener una esfericidad de grado 25, mientras que una bola de rubí típica tendrá una esfericidad de grado 10. Pero la bola de rubí cuesta más. Con estas bolas de gran diámetro surge un equilibrio entre precio y precisión.

Las bolas de diamantes aparecieron hace unos diez años. Las primeras ofertas eran de tamaño limitado y los precios eran impresionantes. El diamante es, por supuesto, la sustancia más dura que se conoce. Al igual que el rubí, los diamantes cultivados en laboratorio se utilizan para crear bolas de diamantes. Cuando se utiliza en un dispositivo de medición por contacto como una MMC, una bola de diamante no se desgasta. El tamaño de las bolas de diamante ha aumentado un poco, pero sus precios siguen siendo altos en comparación con el rubí o el nitruro de silicio.

EL TALLO

El carburo de tungsteno es el material más utilizado para los vástagos de las agujas. El carburo es relativamente fácil de mecanizar y tiene una rigidez excelente. Se puede rectificar hasta alcanzar diámetros muy pequeños. Sin embargo, es pesado, una propiedad que a menudo entra en conflicto con los sistemas de sonda de alto rendimiento sensibles al peso del lápiz. Sin embargo, el carburo sigue siendo el material elegido para la mayoría de los palpadores fabricados en la actualidad. Cuando se utilizan bolas de entre 0,2 mm y 1,5 mm de diámetro, el carburo es la única opción.

Si le preocupa el peso del lápiz óptico, recomendamos la fibra de carbono. La fibra de carbono es ligera y rígida. Es resistente a las fluctuaciones térmicas, una propiedad deseable en el taller. La fibra de carbono suele ser una buena opción para palpadores muy largos. Sin embargo, la desventaja de la fibra de carbono es la flexión que presenta en los ejes largos y delgados. En estos casos, a menudo sugerimos una potencia de cerámica como alternativa a la fibra de carbono, para ayudar a mantener el peso bajo y la rigidez alta.

Los vástagos cerámicos se utilizan comúnmente en sistemas de sonda de máquinas herramienta. Un vástago de cerámica ayuda a garantizar que, en caso de colisión, el lápiz se rompa primero, evitando daños al cabezal de la sonda o a la máquina herramienta. La cerámica es ligera, rígida y quebradiza. Los palpadores con ejes cerámicos de más de 150 mm de longitud se rompen fácilmente. La fibra de carbono es la mejor opción para una potencia ligera de más de 150 mm.

Los vástagos de acero inoxidable se fabrican fácilmente pero son propensos a desviarse. La deflexión o flexión suele ser inaceptable en mediciones de precisión. Aunque los vástagos de acero inoxidable se fabrican a partir de una sola pieza de acero, no los recomendamos excepto cuando el coste del palpador es más importante que su rendimiento.

Algunos clientes necesitan palpadores no magnéticos. Requieren un eje de cerámica o fibra de carbono con una base roscada de aluminio anodizado duro. Sin embargo, debido a la base de aluminio, los tamaños de rosca son limitados.

LA BASE ROSCADA

El acero inoxidable es la opción más popular para bases roscadas. Es económico y fácil de mecanizar, propiedades que ayudan a reducir los costos. Pero el acero inoxidable es más pesado que el aluminio o el titanio, lo que lo hace indeseable para su uso en sistemas de sonda sensibles al peso.

La demanda de bases de lápiz óptico de titanio está creciendo. Debido a que el titanio es más caro y más difícil de mecanizar que el acero inoxidable, aumenta el precio del lápiz. Sin embargo, el titanio es una excelente opción para una base roscada. Es ligero, resistente al desgaste y térmicamente estable.

El aluminio es más ligero que el titanio y el acero inoxidable. Es económico y fácil de mecanizar. Pero el aluminio es blando y es el más afectado por las fluctuaciones térmicas. Debido a que es tan suave, las bases de aluminio están restringidas a tamaños de rosca más grandes. El aluminio es una buena opción cuando el peso del lápiz es un problema y la temperatura ambiente es relativamente estable.

PONIENDOLO TODO JUNTO

En respuesta a la evolución de los mercados, las MMC y los palpadores de máquinas herramienta se están volviendo más ligeros, rígidos y resistentes al desgaste. Hoy en día, existe una gran cantidad de opciones de materiales al elegir palpadores para una MMC o una sonda de máquina herramienta.

Si no está seguro de cuál es la mejor opción para su aplicación particular, comuníquese con el fabricante del lápiz para obtener asesoramiento. Saben qué materiales funcionan mejor y qué materiales evitar. Pide una recomendación.

Finalmente, los comentarios de los usuarios son muy útiles para su fabricante. Si un lápiz óptico en particular funciona bien, transmítale esa información. Si experimenta un desgaste excesivo u otros problemas con el lápiz, infórmeselo también al fabricante.

Las características físicas de los materiales son una cosa. Las experiencias de la vida real pueden ser otra muy distinta. Trabajando junto con usted, el fabricante de su lápiz óptico puede ayudarle a optimizar sus procesos de medición. Después de todo, ahora hay muchas opciones.

Mark Osterstockes el presidente de Q-Mark Manufacturing Inc. Para obtener más información, llame al (949) 457-1913, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.cmms.com