Torneado de diamantes

El torneado con diamante es el torneado que utiliza una herramienta de corte con una punta de diamante . Es un proceso de mecanizado mecánico de elementos de precisión que utiliza tornos o máquinas herramienta derivadas (por ejemplo, tornos-fresas, transferencias rotativas) equipadas con brocas con punta de diamante natural o sintético . El término torneado con diamante de una sola punta ( SPDT ) se aplica a veces, aunque al igual que con otros trabajos de torno, la etiqueta de "una sola punta" a veces es solo nominal (las narices de herramienta redondeadas y las herramientas de forma contorneada son opciones). El proceso de torneado con diamante se utiliza ampliamente para fabricar elementos ópticos asféricos de alta calidad a partir de cristales , metales , acrílico y otros materiales. Las ópticas de plástico se moldean con frecuencia utilizando insertos de molde torneados con diamante. Los elementos ópticos producidos por medio del torneado con diamante se utilizan en conjuntos ópticos en telescopios , proyectores de video , sistemas de guía de misiles , láseres, instrumentos de investigación científica y muchos otros sistemas y dispositivos. La mayoría de los SPDT actuales se realizan con máquinas herramienta de control numérico por computadora (CNC). Los diamantes también se utilizan en otros procesos de mecanizado, como el fresado , el rectificado y el bruñido . Las superficies torneadas con diamantes tienen un alto brillo especular y no requieren pulido ni abrillantado adicional, a diferencia de otras superficies mecanizadas de forma convencional.

El torneado con diamante es un proceso de varias etapas. Las etapas iniciales del mecanizado se llevan a cabo utilizando una serie de tornos CNC de precisión creciente. Se utiliza una herramienta de torno con punta de diamante en las etapas finales del proceso de fabricación para lograr acabados superficiales de nivel subnanómetro y precisiones de forma submicrométricas . ^{[ cita requerida ]} La calidad del acabado superficial se mide como la distancia de pico a valle de las ranuras dejadas por el torno. La precisión de la forma se mide como una desviación media de la forma objetivo ideal. La calidad del acabado superficial y la precisión de la forma se controlan durante todo el proceso de fabricación utilizando equipos como perfilómetros de contacto y láser , interferómetros láser , microscopios ópticos y electrónicos . El torneado con diamante se utiliza con mayor frecuencia para fabricar ópticas infrarrojas, porque en longitudes de onda más largas las frecuencias espaciales medias no afectan el rendimiento óptico, ya que es menos sensible a la calidad del acabado superficial, y porque muchos de los materiales utilizados son difíciles de pulir con métodos tradicionales.

El control de la temperatura es crucial, ya que la superficie debe ser precisa en escalas de distancia más cortas que la longitud de onda de la luz. Los cambios de temperatura de unos pocos grados durante el mecanizado pueden alterar la forma de la superficie lo suficiente como para tener un efecto. El husillo principal puede enfriarse con un refrigerante líquido para evitar desviaciones de temperatura.

Los diamantes que se utilizan en el proceso son resistentes en el régimen de descenso, pero el desgaste de la herramienta también depende en gran medida de la anisotropía del cristal y del material de trabajo.

Para lograr la mejor calidad posible, se utilizan diamantes naturales como elementos de corte de un solo punto durante las etapas finales del proceso de mecanizado. Un torno CNC SPDT reposa sobre una base de granito de alta calidad con una calidad de acabado superficial micrométrica. La base de granito se coloca sobre una suspensión neumática sobre una base sólida, manteniendo su superficie de trabajo estrictamente horizontal. Los componentes de la máquina herramienta se colocan sobre la base de granito y se pueden mover con un alto grado de precisión utilizando un cojín de aire de alta presión o una suspensión hidráulica. El elemento mecanizado se fija a un mandril neumático utilizando presión de aire negativa y generalmente se centra manualmente utilizando un micrómetro. El mandril en sí está separado del motor eléctrico que lo hace girar por otra suspensión neumática.

La herramienta de corte se mueve con precisión submicrónica mediante una combinación de motores eléctricos y actuadores piezoeléctricos . Al igual que con otras máquinas CNC, el movimiento de la herramienta se controla mediante una lista de coordenadas generadas por una computadora. Por lo general, la pieza que se va a crear primero se describe utilizando un modelo de diseño asistido por computadora (CAD), luego se convierte a código G utilizando un programa de fabricación asistida por computadora (CAM), y luego el código G es ejecutado por la computadora de control de la máquina para mover la herramienta de corte. ^{[ cita requerida ]} La superficie final se logra con una serie de pasadas de corte para mantener un régimen de corte dúctil.

En la práctica, los métodos alternativos de mecanizado de diamantes también incluyen el corte con diamante y el fresado con diamante. El corte con diamante se puede utilizar para generar rejillas de difracción y otros patrones lineales con formas de diamante contorneadas adecuadamente. El fresado con diamante se puede utilizar para generar conjuntos de lentes asféricas mediante métodos de corte de anillo con una herramienta de diamante esférica.

El torneado con diamante es especialmente útil para cortar materiales que son viables como componentes ópticos infrarrojos y ciertos componentes ópticos no lineales como el dihidrogenofosfato de potasio (KDP). El KDP es un material perfecto para su aplicación en el torneado con diamante, porque el material es muy deseable por sus propiedades de modulación óptica , pero es imposible fabricar componentes ópticos a partir de este material utilizando métodos convencionales. El KDP es soluble en agua, por lo que las técnicas convencionales de pulido y esmerilado no son efectivas para producir componentes ópticos. El torneado con diamante funciona bien para producir componentes ópticos a partir de KDP.

En general, el torneado con diamante se limita a ciertos materiales. Los materiales que se pueden mecanizar fácilmente incluyen: ^[1]

• Plástica
  • Acetal
  • Acrílico
  • Nylon
  • Policarbonato
  • Polipropileno
  • Poliestireno
  • Zeonex
• Rieles
  • Aluminio y aleaciones de aluminio
  • Latón
  • Cobre
  • Oro
  • Aleación de níquel-fósforo, depositada mediante niquelado electrolítico o químico sobre otros materiales.
  • Plata
  • Estaño
  • Zinc
• Cristales infrarrojos
  • Sulfuro de cadmio
  • Telururo de cadmio
  • Fluoruro de calcio
  • Yoduro de cesio
  • Arseniuro de galio
  • Germanio
  • Niobato de litio
  • Bromuro de potasio
  • Fosfato dihidrógeno de potasio (KDP)
  • Silicio
  • Cloruro de sodio
  • Dióxido de telurio
  • Seleniuro de zinc
  • Sulfuro de zinc

Los materiales más solicitados y que no son fácilmente mecanizables son: ^[1]

• Vidrios y cerámicas a base de silicio
• Materiales ferrosos ( acero , hierro )
• Berilio
• Titanio
• Molibdeno
• Níquel (excepto niquelado electrolítico)

Los materiales ferrosos no se pueden mecanizar fácilmente porque el carbono de la herramienta de diamante reacciona químicamente con el sustrato, lo que provoca daños en la herramienta y pérdida de filo después de realizar cortes cortos. Se han investigado varias técnicas para evitar esta reacción, pero pocas han tenido éxito en procesos de mecanizado con diamante de gran longitud a escala de producción en masa.

La mejora de la vida útil de las herramientas en el torneado con diamante se ha considerado debido a que son caras. Recientemente han surgido en esta industria procesos híbridos como el mecanizado asistido por láser. ^[2] El láser ablanda materiales duros y difíciles de mecanizar como cerámicas y semiconductores, haciéndolos más fáciles de cortar. ^[3]

A pesar de toda la automatización que implica el proceso de torneado con diamante, el operador humano sigue desempeñando el papel principal en la consecución del resultado final. El control de calidad es una parte importante del proceso de torneado con diamante y es necesario después de cada etapa del mecanizado, a veces después de cada pasada de la herramienta de corte. Si no se detecta inmediatamente, incluso un pequeño error durante cualquiera de las etapas de corte da como resultado una pieza defectuosa. Los requisitos extremadamente altos de calidad de los productos ópticos torneados con diamante prácticamente no dejan margen para el error.

El proceso de fabricación SPDT produce un porcentaje relativamente alto de piezas defectuosas, que deben desecharse. Como resultado, los costos de fabricación son altos en comparación con los métodos de pulido convencionales. Incluso con el volumen relativamente alto de componentes ópticos fabricados mediante el proceso SPDT, este proceso no puede clasificarse como producción en masa, especialmente cuando se compara con la producción de ópticas pulidas. Cada elemento óptico torneado con diamante se fabrica de forma individual con un gran trabajo manual.

La investigación sobre el torneado de diamante de una sola punta comenzó a fines de la década de 1940 con Philips en los Países Bajos, mientras que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) fue pionero en SPDT a mediados de la década de 1960. ^[4] En 1979, LLNL recibió fondos para transferir esta tecnología a la industria privada.

LLNL se centró inicialmente en el mecanizado de dos ejes para superficies axisimétricas y desarrolló la máquina de torneado de diamante con óptica grande (LDTM), un torno de alta precisión. También experimentaron con superficies de forma libre utilizando servomotores de herramientas rápidos y torneado XZC (servomotores de herramientas lentos), lo que dio lugar a aplicaciones como correctores de frente de onda para láseres.

El torneado en tres ejes se hizo más común a principios de los años 90, a medida que mejoraba la calidad del diamante. ^[5] Empresas como Zeiss comenzaron a producir lentes refractivas para óptica infrarroja, lo que hizo avanzar la fabricación óptica de formas libres. En 2002, el interés por las formas libres se había expandido, especialmente en lentes de enfoque. Las primeras aplicaciones incluyeron la cámara SX-70 de Polaroid, y los servomotores rápidos de herramientas permitieron la producción rápida de superficies no axisimétricas para lentes de contacto.

• Fabricación y pruebas (componentes ópticos)