La industria aeroespacial en el punto de mira:taladrado y fresado de compuestos CFRP

En la industria aeroespacial, la norma es trabajar con materiales compuestos ligeros. Hace poco hablamos con Sandvik Coromant para hablar sobre los problemas comunes de la metalurgia en compuestos de fibra de carbono y las formas de solucionarlos.

Los materiales compuestos, como el polímero reforzado con fibra de carbono, son increíblemente abrasivos y requieren diferentes enfoques de fresado y taladrado para evitar la delaminación de las capas y las fibras extraídas. Las herramientas y los métodos estándar diseñados para trabajar el metal simplemente no son suficientes cuando se trata de fabricar componentes aeroespaciales hechos de estos materiales.

“La fibra de carbono le brinda una resistencia superior con mucho menos peso, por lo que en la industria aeroespacial comercial, eso permite algunas cosas realmente positivas”, dice David Den Boer, especialista en la industria aeroespacial e ingeniero de Sandvik Coromant. “A medida que el avión se vuelve más liviano, los motores se vuelven más eficientes”.

Por ejemplo, el Boeing 787 está fabricado con un 50 por ciento de CFRP y utiliza entre un 20 y un 25 por ciento menos de combustible para aviones que un avión de aluminio comparable. El fuselaje compuesto se fabrica en secciones completas de barril redondo, en lugar de segmentos y piezas. Sin embargo, la construcción de un plano de este tipo genera desafíos en el proceso de desarrollo del mecanizado.

“Normalmente, si estamos trabajando en una parte del motor, experimentaríamos con la herramienta de corte y el proceso en el componente mismo, pero no podemos practicar perforar agujeros en el costado de un fuselaje de $30 millones”, dice Jeffrey Washburn, producto gerente de Sandvik Coromant. "Entonces, todas las pruebas y el desarrollo del proceso se realizan por separado en 'cupones' que representan fielmente el componente final".

¿Quieres profundizar más? Obtenga más información sobre los materiales livianos pero resistentes que se utilizan en la industria aeroespacial. Lea:"Desafíos de corte:compuestos de matriz mixta y compuestos reforzados con fibra".

Herramientas para fresado y taladrado de composites

“El material de fibra de carbono es muy abrasivo”, dice Den Boer. "Entonces, con una herramienta de corte de carburo típica que puede durar varios cientos de orificios en un metal como el aluminio, es posible que solo obtenga 20 orificios en CFRP".

Para durar más, las máquinas herramienta para CFRP deben ser de diamante policristalino veteado (PCD) o recubiertas con una capa de partículas de diamante submicrónicas, lo que hace que cada herramienta sea más costosa que las herramientas tradicionales. Pero según Washburn, la forma correcta de medir el costo de producción de una pieza se reduce al costo por orificio perforado, no al costo por herramienta.

Otra consideración es el costo de los cambios de herramienta.

“Digamos que está fresando la parte superior del fuselaje en una gran máquina CNC de pórtico que tarda de 10 a 15 minutos en bajar, cambiar una nueva herramienta y volver a la parte superior”, dice Den Boer. "Comparando el tiempo de máquina necesario para una herramienta con recubrimiento de diamante en una sección 787 completa con el cambio de 80 o 90 herramientas de carburo, la economía puede justificarse".

El material de las herramientas no es la única diferencia para el mecanizado de CFRP. A diferencia de los metales, los dos problemas más desafiantes al fresar y perforar CFRP son las fibras en el orificio y la delaminación, según Washburn.

“Cuando analizan la calidad de un orificio, puede que sea del tamaño perfecto, pero si la acción de corte de la herramienta deja fibras sin cortar en el orificio, eso no se considera un buen corte”, dice Washburn. "Y si está fresando a lo largo del borde de la superficie, querrá mantener la herramienta lo suficientemente afilada para seguir cortando las fibras limpiamente, sin sacarlas de la superficie ni deslaminarlas".

Según Washburn, las herramientas diseñadas para CFRP tienen un conjunto muy diferente de geometrías, según el proceso y la aplicación.

“Una fresa de extremo típica con una hélice siempre quiere levantar el material del corte, por lo que si tratamos de aplicar una geometría de corte de metal a la fibra de carbono, tenderá a delaminar el material, porque el ángulo de la hélice tira hacia arriba del superficie”, dice. "La respuesta es diseñar herramientas que tiren hacia arriba desde la parte inferior y empujen hacia abajo desde la parte superior al mismo tiempo, para apretar el material para que no se deslamine".

Apilamiento de CFRP con metales

Pero estas herramientas especiales normalmente no funcionan en aplicaciones de metal, lo que genera otra complicación.

“Los compuestos a menudo se apilan con otros materiales, por lo que puede perforar CFRP, por ejemplo, y luego golpear una capa de titanio o aluminio, y la herramienta debe poder mecanizar ambos para producir un solo orificio”, dice Washburn.

Las diferencias de dureza y abrasión entre los materiales de una pila exigen soluciones creativas.

“Un desafío para mecanizar CFRP apilado con láminas de metal es que muchos de estos componentes de aviones no pueden exponerse al fluido de corte para enfriar y transportar las virutas”, dice Washburn. "Esto presenta un problema, por ejemplo, cuando se trata de mecanizar titanio sin refrigerante".

"La gente prueba diferentes cosas para acomodar las diferentes capas, como agregar un rompevirutas para una lámina de aluminio, para evitar que las largas cadenas de virutas rompan las fibras y hagan que el agujero sea demasiado grande", dice Den Boer.

“Si los orificios se perforarán con unidades de perforación automáticas, algunas de las más nuevas tienen velocidades de avance y RPM programables, por lo que puede perforar el CFRP en una pila a una velocidad y avance, y tan pronto como toque el titanio, puede cambiar los datos de corte y optimizarlos para cada capa”, dice Den Boer.

¿Alguna vez ha tenido problemas para cortar compuestos de CFRP? Cuéntanos qué pasó y cómo lo resolviste.