1. Método de Perforación Mecánica
Este es actualmente el método más ampliamente utilizado. Emplea brocas huecas de diamante que giran y penetran en materiales cerámicos hasta alcanzar la profundidad deseada. Este método es especialmente adecuado para crear agujeros circulares con diámetros superiores a varios milímetros.
Según lo descrito por Suzuki Hiromu (1980), la tasa de remoción de material al perforar cerámicas Si3N4 utilizando brocas huecas de diamante puede alcanzar 1600 mm³/min. Las ventajas de este método incluyen facilidad de operación y simplicidad del equipo. Sin embargo, debido a la alta dureza de las cerámicas, las brocas de diamante se desgastan rápidamente durante la perforación. Además, la fragilidad de las cerámicas a menudo provoca el astillado de los bordes en la entrada y salida de los agujeros, lo que afecta la calidad del procesamiento del agujero.
2. Método de Perforación por Ultrasonido
Para cerámicas con baja resistencia a la tracción, el mecanizado por ultrasonido es un método adecuado y efectivo. El mecanizado por ultrasonido implica aplicar vibraciones ultrasónicas a la herramienta de mecanizado o a la pieza de trabajo, donde partículas abrasivas en forma de lodo impactan y muelen continuamente la superficie procesada a altas velocidades y aceleraciones. Por lo tanto, la eficiencia del mecanizado depende de factores como la potencia ultrasónica, el tipo de abrasivos y la velocidad de mecanizado.
La ventaja de este método es que puede crear agujeros con contornos especiales sin necesidad de rotación de la herramienta. Sin embargo, las desventajas incluyen la complejidad del reemplazo de la herramienta y las influencias sutiles en la calidad del mecanizado debido a variaciones en la calidad de la herramienta o la transmisión de fuerzas generadas durante el mecanizado.
En Japón, las ondas ultrasónicas de 20 kHz se utilizan comúnmente para el mecanizado de microagujeros en cerámicas. Aunque efectivo, el proceso es lento debido al tamaño pequeño de las partículas abrasivas. Posteriormente, los investigadores japoneses han equipado brocas de diamante con vibración ultrasónica de 40 kHz en ejes de husillo para mejorar la calidad del mecanizado de microagujeros, evitando las limitaciones del mecanizado por ultrasonido de 20 kHz. El husillo gira a una velocidad de v = 30,000 r/min con una velocidad de avance de a = 0.55 mm/r.
En 1996, la Universidad de Tianjin desarrolló una máquina rectificadora ultrasónica de microagujeros cerámicos equipada con un transductor cerámico piezoeléctrico, realizando estudios sistemáticos sobre el mecanizado de microagujeros en diversas cerámicas avanzadas. En comparación con el mecanizado ultrasónico convencional, la eficiencia puede mejorarse de 5 a 10 veces. Otro método de mecanizado por ultrasonido combina la perforación con brocas huecas de diamante con vibración ultrasónica para el mecanizado de agujeros profundos, mejorando significativamente la calidad de la superficie interna y la redondez del agujero.
3. Método de Perforación por Láser
La perforación láser es un método efectivo para mecanizar pequeños agujeros en materiales superduros como las cerámicas. Generalmente, se utilizan sistemas láser pulsados, donde los haces láser se enfocan sobre las piezas de trabajo cerámicas mediante sistemas ópticos, utilizando pulsos láser de alta densidad de energía (106~109 W/cm²) para fundir, vaporizar y eliminar el material, logrando así el mecanizado de microagujeros.
La perforación láser ofrece ventajas como operación sin contacto, simplicidad, alta velocidad, alta eficiencia y facilidad de mecanización y control de precisión mediante computadora. Al optimizar los parámetros de procesamiento láser, se pueden lograr microagujeros de alta calidad. Actualmente, los láseres CO2 pueden perforar con precisión agujeros en cerámicas Al2O3, reduciendo significativamente los costos de mecanizado. Los agujeros perforados con láser TLF750 CO2 de la empresa Frumpt del Reino Unido tienen diámetros de (0.762±0.013) mm con tolerancias posicionales <0.0635 mm.
En Japón, Yasuo Anno y sus colegas utilizaron láseres Nd-YAG de estado sólido para perforar agujeros en rubí y cerámicas Al2O3, logrando diámetros de agujero de 0.05-0.2 mm y un grosor de 0.33 mm con 2050 pulsos, demostrando una eficiencia de mecanizado muy alta (25 segundos por proceso).
Utilizando un sistema de mecanizado láser Nd-YAG pulsado, Zhang Yinjiang et al. (2001) perforaron agujeros en sustratos cerámicos Al2O3 de 0.65 mm de espesor, logrando diámetros de agujero <0.1 mm en sustratos de 2 mm y 5 mm de espesor con ángulos cónicos inferiores a 1:20 y relaciones de profundidad a diámetro >25:1. También perforaron microagujeros de 1015 μm en sustratos de 0.6 mm de espesor.
La investigación sobre la perforación láser de cerámicas de nitruro de silicio indica que se pueden perforar agujeros sin daños con diámetros de 0.5 mm en piezas de trabajo cerámicas Si3N4 de 6.6 mm de espesor, logrando una buena circularidad con relaciones de profundidad a diámetro de aproximadamente 12 y relaciones máximas de profundidad a diámetro de hasta 18.5.
Además, el Instituto de Láser de Tianjin en colaboración con la Universidad de Tianjin realizó experimentos sistemáticos en plataformas de mecanizado CNC utilizando sistemas láser pulsados YAG para el mecanizado de pequeños agujeros en diversos materiales cerámicos. La investigación encontró que las cerámicas Si3N4 con buena conductividad térmica exhibieron excelente calidad de mecanizado láser, mientras que las cerámicas ZrO2 con baja conductividad térmica requirieron medidas específicas para evitar fracturas de piezas de trabajo debido a la concentración de tensiones térmicas.
