Usinagem CNC de cerâmica: processos, materiais e aplicações

Usinagem CNC de cerâmica

cerâmico Serviços de usinagem CNC São populares em aplicações aeroespaciais, médicas, eletrônicas e industriais, entre outras. Os materiais cerâmicos possuem dureza incomparável, resistência à temperatura, baixa condutividade elétrica e resistência à corrosão. O processamento de cerâmica envolve a escolha entre variedades estruturais e avançadas e, em seguida, a aplicação das estratégias de fabricação adequadas. A usinagem pode ser feita por meio de usinagem a verde, usinagem de biscoito ou usinagem de cerâmica totalmente sinterizada. 

Além disso, o operador de máquinas também considera elementos como o tipo de ferramenta, os parâmetros de corte, a fixação e a complexidade da peça. No entanto, o processo geral de usinagem CNC ainda é simples, desde a seleção do material até o controle de qualidade. 

Este artigo aborda todos esses aspectos da usinagem de cerâmica.

 

O que é usinagem CNC de cerâmica?

A usinagem CNC de cerâmica consiste na utilização de máquinas e ferramentas de corte controladas por computador para produzir peças de precisão a partir de diferentes tipos de cerâmica. 

Peças de cerâmica usinadas por CNC

A cerâmica difere dos metais e de outros materiais por ser muito quebradiça e dura. Portanto, as ferramentas e máquinas para cerâmica devem ser especializadas. Como fornecedores experientes de serviços de usinagem CNC, podemos atestar que o processamento de materiais cerâmicos é uma disciplina singular. Ela combina as capacidades da engenharia de precisão com a ciência avançada dos materiais. 

 

Tipos comuns de cerâmica usados ​​na usinagem CNC

Os materiais cerâmicos comumente utilizados em usinagem podem ser agrupados em duas categorias: cerâmicas estruturais e cerâmicas avançadas. A primeira categoria é projetada principalmente para resistência mecânica. Já as cerâmicas avançadas são desenvolvidas para propriedades específicas, como resistência química ou condutividade elétrica. 

Cerâmica Estrutural

As cerâmicas estruturais mais comuns são a cerâmica de alumina, a cerâmica de cordierita, a cerâmica de zircônia, a cerâmica de mulita, a cerâmica de carbeto de silício e a cerâmica de esteatita. 

Alumina Cerâmica – A usinagem de cerâmica de alumina produz peças cerâmicas de óxido duras, resistentes ao desgaste e à corrosão. A fórmula do material é Al₂O₃. 

Cerâmica de alumina industrial

Cerâmica de cordierita – Este tipo de cerâmica oferece boa resistência ao choque térmico e baixa expansão térmica. É utilizado em fornos e conversores catalíticos. 

Cerâmica De Zircônia – A fórmula dessa cerâmica estrutural é ZrO₂. A cerâmica também é chamada de dióxido de zircônio. O material cristalino branco também é chamado de aço cerâmico. Alta resistência mecânica, resistência à temperatura e resistência química são algumas propriedades importantes para joias, odontologia e revestimentos de barreira térmica (TBC).

Cerâmica Mulita – A mulita é outra cerâmica à base de óxido. Possui uma combinação única de resistência, resistência ao choque térmico e resistência à temperatura. Essas propriedades a tornam ideal para revestimentos de fornos. 

Carboneto de silício cerâmico O carboneto de silício cerâmico é amplamente utilizado devido à sua excelente resistência ao calor e dureza superior. Além disso, é quimicamente estável e resistente à corrosão. Suas peças usinadas são utilizadas na fabricação de componentes automotivos de alta qualidade, joias, peças refratárias e ferramentas de corte. 

Esteatite cerâmico – Embora mais macia que a alumina e a zircônia, a esteatita é um material dielétrico notável. Ela pode ser usinada e usada para isolamento elétrico. É composta por óxido de magnésio (MgO) e dióxido de silício (SiO2), daí seu outro nome – silicato de magnésio. 

Cerâmica Avançada/Técnica

As cerâmicas avançadas incluem nitreto de alumínio, nitreto de boro, vitrocerâmica, macor, mycalex, quartzo e cerâmica de titanato. 

Nitreto de Alumínio cerâmico O alumínio é uma das cerâmicas de nitreto mais populares, juntamente com o nitreto de boro. Destaca-se pelas suas propriedades dielétricas, resistência, isolamento elétrico, resistência ao desgaste e condutividade térmica.  

Nitreto de boro cerâmico – Este material cerâmico está disponível tanto em pó quanto em forma sólida. Possui uma microestrutura que proporciona isolamento elétrico, usinabilidade e condutividade térmica. 

Peças cerâmicas de nitreto de boro

Cerâmica De Vidro – Este é um compósito que contém vidro cristalizado. O tipo cerâmico é ideal para aplicações em altas temperaturas, tipicamente em cozinhas. Especificamente, é utilizado em utensílios e bandejas de cozinha. 

Macor cerâmico – No caso do Macor, você está diante de um tipo de vitrocerâmica altamente versátil e usinável. Sua usinabilidade pode rivalizar com a de alguns metais. Portanto, muitas indústrias podem aproveitar as vantagens da cerâmica e a complexidade das peças metálicas. 

Cerâmica Macor

Mycalex® cerâmico – Mycalex® é composto de vidro e mica. É frequentemente usado como alternativa aos plásticos de alto desempenho. 

Cerâmica de Quartzo A matéria-prima para esse tipo de cerâmica é o vidro de quartzo. Ele é moído, moldado e sinterizado. As peças usinadas em cerâmica de quartzo são duráveis, resistentes à corrosão e ao choque térmico. Elas também possuem boas propriedades de isolamento. 

Cerâmica Titanato – Outro tipo avançado de cerâmica para usinagem CNC é o titanato. Ele é conhecido por suas excelentes propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. 

Principais propriedades da cerâmica e seu impacto na usinagem CNC

As principais propriedades da cerâmica em relação à usinagem são propriedades mecânicas como tenacidade à fratura, fragilidade e dureza. A resistência ao calor é um comportamento térmico notável do material. Existem também características eletroquímicas, como inércia e isolamento.

Vamos analisar essas propriedades com mais detalhes a seguir. 

Propriedades Mecânicas da Cerâmica

Dureza:

A cerâmica possui alta dureza – uma dureza de 8 a 9 na escala de Mohs. Somente o diamante é mais duro que isso. Essa propriedade torna a cerâmica adequada para peças resistentes ao desgaste. 

Fragilidade

Pastilha de freio de cerâmica rachada

Os materiais cerâmicos são frágeis, o que significa que tendem a fraturar sem muita deformação plástica. No entanto, algumas cerâmicas avançadas são projetadas para apresentar maior resistência. Elas podem permanecer intactas mesmo após um impacto. 

Resistência à Fratura

Como mencionado, algumas cerâmicas modernas apresentam maior resistência à fratura. Os métodos de processamento e a composição do material são projetados para essa propriedade. Exemplos disso são o nitreto de silício e a zircônia (ZrO2). 

Propriedades térmicas

Resistência ao calor

A resistência térmica da cerâmica pode atingir 1000 °C ou mais. Essa alta resistência à temperatura é vantajosa em projetos de usinagem CNC, pois as peças podem suportar temperaturas muito elevadas. Devido a essa propriedade, a cerâmica é uma excelente opção para componentes de apoio por fricção, como rolamentos. 

Condutividade Térmica

Os materiais cerâmicos possuem baixa condutividade térmica. Portanto, a usinagem CNC desses materiais gera calor, o que pode causar danos por fragilidade. O resfriamento forçado é necessário utilizando os fluidos refrigerantes adequados. Por exemplo, o nitrogênio líquido é um fluido refrigerante eficaz para materiais cerâmicos como o nitreto de silício. 

Resfriamento com nitrogênio líquido em usinagem CNC

Propriedades elétricas e químicas

Isolamento elétrico

Os materiais cerâmicos são excelentes isolantes elétricos. Suas peças usinadas são amplamente utilizadas para isolar componentes e fios elétricos. 

Inércia Química

A excepcional inércia ou resistência química da cerâmica é crucial em processos de usinagem CNC. O material é resistente a processos de esterilização e outros contatos químicos. 

 

Processos de usinagem CNC de cerâmica

Existem três estágios diferentes na usinagem CNC de cerâmica: biscoito, verde e totalmente sinterizado. O operador e o cliente discutem e escolhem a opção mais adequada com base na estabilidade dimensional, na usinabilidade e nas características desejadas para a peça usinada. 

Usinagem Verde

Usinagem a verde refere-se à usinagem realizada em material cerâmico que acabou de ser moldado, mas ainda se encontra em estado não sinterizado. 

Usinagem verde

Usinagem de Estado Branco

O estado branco, ou parcialmente sinterizado, é definido por um material mais denso e resistente. O operador de máquinas pode realizar cortes mais precisos nesse material devido à sua maior estabilidade dimensional. 

Usinagem de cerâmica totalmente sinterizada

Neste estado, a cerâmica já está completamente endurecida. O material, extremamente quebradiço e duro, exige ferramentas e técnicas de usinagem CNC específicas. Ferramentas revestidas com diamante têm se mostrado muito confiáveis. 

 

Etapas da usinagem CNC de cerâmica

A usinagem CNC eficiente de cerâmica envolve a seleção da classe correta de cerâmica, a programação da máquina CNC, a realização da usinagem de desbaste e a usinagem de acabamento. Todas essas etapas são executadas com a máxima perícia e empenho, levando em consideração a singularidade desse material. 

Passo 1: Seleção de Material

O primeiro passo é escolher entre os três estados da cerâmica: estado verde, estado branco e totalmente sinterizado. Isso é crucial, pois o estado impacta o processo de usinagem e o custo total. 

Etapa 2: Programação CAD/CAM

Durante a fase de programação, o projetista define a velocidade do fuso, a taxa de avanço e o percurso da ferramenta. Os programas CAD/CAM são muito úteis para essa tarefa. 

Etapa 3: Usinagem Desbaste

O desbaste consiste na remoção de 60 a 70% do material cerâmico. O operador trabalha a uma profundidade de aproximadamente <0.3 mm utilizando ferramentas apropriadas, como, por exemplo, ferramentas revestidas de diamante. 

Etapa 4: Usinagem e acabamento final

A próxima etapa na usinagem de cerâmica de alumina é remover o material restante e obter o acabamento superficial e as dimensões finais. Isso geralmente é feito em paredes finas e cavidades internas. O acabamento pode incluir superacabamento e retificação frontal. Pode proporcionar um acabamento com precisão de até ±0.005 mm.

A usinagem de materiais cerâmicos é difícil?

Sim, a cerâmica está entre os materiais mais difíceis de usinar devido à sua extraordinária dureza. Esses materiais também fraturam de forma catastrófica e têm ductilidade extremamente baixa. Felizmente, a tecnologia CNC moderna, como usinagem micro CNC e ferramentas cerâmicas avançadas estão disponíveis. Muitas indústrias agora podem usar peças cerâmicas para diversas aplicações. 

Por que a cerâmica é um desafio

Como mencionado, a fragilidade e a dureza são os principais motivos pelos quais a usinagem de cerâmica é desafiadora. Em resumo, os desafios específicos do material são:

• Propriedades Abrasivas – Desgaste rápido da ferramenta
• Fragilidade extraordinária – Lascamento e fissuras em usinagem de má qualidade
• Dureza extrema – É necessário o uso de ferramentas revestidas com carboneto ou diamante. 
• Baixa condutividade térmica – Causa microestruturas

Como a usinagem CNC supera esses desafios

Já mencionamos uma das principais intervenções, que é o uso de ferramentas cerâmicas especiais. As outras são o controle do estado do material e o uso de determinadas estratégias de usinagem. Em relação ao estado do material, trata-se de escolher entre verde, branco e totalmente sinterizado, buscando um equilíbrio entre a eficácia da peça e a usinabilidade. As técnicas de usinagem serão abordadas na próxima seção. 

 

Principais técnicas de usinagem em cerâmica

O processamento CNC bem-sucedido de materiais cerâmicos baseia-se em fresagem CNC especial, retificação de superfície, corte a laser e retificação de núcleos. Outras técnicas de usinagem incluem corte interno, retificação com diamante, corte com água, prensagem a quente e prensagem isostática. 

Fresagem CNCTrajetórias de ferramentas multieixos removem material para fabricar peças cerâmicas complexas. Lascas e trincas podem ser evitadas com controle de vibração e baixas taxas de avanço de usinagem. 

Fresagem CNC de cerâmica

Esmerilhamento de superfícieO processo de retificação de superfície proporciona às peças cerâmicas um acabamento superficial liso e plano. O segredo está no controle preciso das rebolos diamantados. 

Corte a LaserEsta é uma técnica de corte de alta precisão e sem contato. Com o controle térmico adequado, minimiza rachaduras e desgaste da ferramenta. 

Perfuração de núcleoBrocas revestidas de diamante produzem furos em material cerâmico. O lascamento das bordas é um risco, mas a usinagem lenta e a aplicação de fluido de corte resolvem esse problema. 

Divisão de IDO corte por diâmetro interno é uma técnica para produzir lâminas finas a partir de lingotes de cerâmica. Utiliza-se uma lâmina circular endurecida com borda de diamante. 

Moagem de diamanteEsta é uma técnica de acabamento para produzir superfícies precisas. Novamente, o diamante é usado para lidar com a extrema dureza da cerâmica. 

cubos de bolachaIsso envolve o uso de lâminas de diamante finas para produzir peças de tamanho micrométrico a partir de substratos cerâmicos. 

Corte de wafer

Prensagem a quenteEssa técnica combina pressão uniaxial e calor. Ela forma componentes cerâmicos fortes e densos. 

Prensagem isostáticaPara este método, a estratégia principal é a aplicação de pressão igual em todos os lados. 

 

Quais as tolerâncias que a usinagem CNC de cerâmica pode alcançar?

Embora a usinagem CNC especializada em cerâmica possa atingir especificações mais elevadas, as tolerâncias normalmente alcançáveis ​​para o material situam-se entre ±0.001″ e ±0.0005″ (±0.025 mm e ±0.013 mm). As tolerâncias exatas dependem da estabilidade térmica, do estado de usinagem, da complexidade da peça e da qualidade da cerâmica. 

Fatores que afetam a precisão da usinagem

A seguir, os principais fatores que afetam a precisão dimensional de peças cerâmicas usinadas;

• Porosidade 
• Tamanho do grão
• Microestrutura
• efeitos térmicos
• Controle de vibração
• Qualidade das ferramentas cerâmicas 
• Qualidade/rigidez da máquina 

 

Considerações importantes para peças cerâmicas usinadas por CNC de alta qualidade

Os fatores que determinam a qualidade da usinagem CNC de cerâmica incluem os parâmetros de corte, a qualidade da fixação e a tecnologia de ferramentas para cerâmica.  A combinação precisa dos melhores desses fatores resulta em vibração mínima e, no geral, em peças de cerâmica de altíssima qualidade. 

Requisitos de peças

As dimensões geométricas e as tolerâncias são fatores críticos a serem considerados para diferentes tipos de cerâmica. Como esses materiais não podem se deformar plasticamente, o projeto visando perpendicularidade e planicidade é essencial. 

A perpendicularidade deve variar de 0.01 a 0.05 mm, enquanto a planicidade recomendada é de 0.005 a 0.02 mm. É importante também seguir as melhores práticas para o seguinte:

• espessura da parede
• Design de canto
• Tamanho do recurso
• Limites de furo/ranhura/rosca
• Ajustes de usinagem 

Seleção de ferramentas

Com algumas cerâmicas tão duras quanto HV 2500, a seleção da ferramenta é de extrema importância no processamento de materiais cerâmicos. Para usinagem precisa e de qualidade, utilizam-se ferramentas de PCD (Diamante Policristalino), CBN e diamante. 

Ferramentas de corte CNC PCD

As ferramentas de PCD são ideais para usinagem de alto volume, as ferramentas de diamante para usinagem de cerâmica de zircônia e cerâmica de alumina, e as de CBN para temperaturas mais elevadas. 

Parâmetros de corte

Considerando a propensão à fratura da cerâmica, recomenda-se um corte leve. Os parâmetros de corte ideais estão nas seguintes faixas. 

Parâmetro de corte	Variação
velocidade de corte	300–800m/min
Profundidade do corte	0.05 – 0.3 mm
Taxa de alimentação	0.01–0.05 mm/dente
precisão de posicionamento	±2–3 μm
Velocidade do fuso para alta precisão	12,000-24,000 rpm

Fixação e controle de vibração

A usinagem de cerâmica pode ser significativamente afetada por vibrações devido à extrema dureza e fragilidade do material. A técnica de fixação deve ser muito eficaz para evitar a formação de concentrações de tensão. 

Algumas estratégias relacionadas são:

• Usando almofadas macias
• Evitando elementos em balanço
• Utilizando acessórios de vácuo

Dispositivo de vácuo

 

Vantagens e limitações da usinagem CNC de cerâmica

O processamento de materiais cerâmicos apresenta as seguintes vantagens e limitações. 

Vantagens

• Estabilidade química
• Dureza extrema
• Resistência à temperatura incomparável

Limitações

• Tempos de ciclo mais longos
• Alto custo de ferramentas

Aplicações de peças cerâmicas usinadas por CNC

As peças cerâmicas usinadas por CNC são relevantes em importantes setores, incluindo aeroespacial, defesa, medicina, eletrônica e semicondutores, automotivo e componentes industriais.

Aeroespacial e defesa

As peças de cerâmica usinadas por CNC são úteis nas condições extremas das indústrias aeroespacial e de defesa. Elas suportam temperaturas acima de 2,000 °C, são resistentes à corrosão, leves e robustas. Suas aplicações estruturais e térmicas incluem câmaras de combustão, turbinas e bicos injetores. 

Peças cerâmicas para os setores aeroespacial e de defesa

Médica e Odontológica

Os setores médico e odontológico dependem muito de peças cerâmicas usinadas por CNC. Essas peças são inertes, resistentes, personalizáveis ​​e resistentes a produtos químicos e ao desgaste. 

As principais áreas de aplicação incluem:

• Implantes radiculares 
• Substituições de quadril 
• Suspensórios 
• articulações 
• Ferramentas 

Expositores e Eletrónica

Os fabricantes de eletrônicos necessitam de materiais com resistência à corrosão, estabilidade térmica e isolamento elétrico. Com materiais cerâmicos, eles produzem componentes críticos como resistores, termistores, capacitores, semicondutores e sensores. 

Automotiva 

Os engenheiros automotivos utilizam amplamente componentes cerâmicos para melhorar o desempenho, a segurança e a eficiência. Algumas das aplicações mais notáveis ​​da usinagem de cerâmica na indústria automotiva são:

• Rolamentos da bomba
• Rolamentos do motor
• Clutches
• Sistemas de aquecimento para veículos elétricos
• pastilhas de freio

Pastilhas de freio de cerâmica

Componentes Industriais

Ainda assim, devido à sua estabilidade térmica, dureza, resistência química e resistência ao desgaste, os materiais cerâmicos são comuns em aplicações industriais. Eles são utilizados na fabricação de arruelas de alto desempenho, rolamentos, tubos, válvulas e vedações, entre muitos outros componentes. 

Peças de válvulas de cerâmica

Conclusão

Os materiais cerâmicos desempenham um papel significativo nas peças modernas usinadas por CNC. Dureza, inércia, baixa condutividade elétrica e resistência à corrosão são alguns dos motivos pelos quais muitas indústrias utilizam essas peças. As pequenas desvantagens do processamento de materiais cerâmicos, como a formação de lascas e fraturas catastróficas, não devem dissuadir os usuários. As vantagens podem superar esses problemas. 

Se você busca recursos avançados de usinagem CNC para cerâmica de zircônia, cerâmica de carboneto de silício, cerâmica de cordierita e outros tipos de cerâmica usináveis, entre em contato com a ProleanTech. usinagem CNC de precisão hoje mesmo.