Fusión por chorro de agua, láser para mayor eficiencia en el mecanizado CFRP / CMC

A medida que proliferan los materiales de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) y compuestos de matriz cerámica (CMC) en motores de aeronaves, componentes espaciales y aplicaciones hipersónicas, el mecanizado se convierte en un problema en el que la precisión y la eficiencia pueden alterar los resultados del programa. Tratar de mecanizar características de alta confiabilidad y alta precisión en CFRP y CMC puede ser un desafío debido a su dureza y abrasividad, lo que resulta en velocidades de mecanizado lentas, efectos indeseables en las propiedades del material, incapacidad para cumplir con las especificaciones de las piezas y altos costos operativos, incluida la herramienta recurrente. reemplazo.

Para hacer frente a este desafío, se ha desarrollado una gama de tecnologías láser para el mecanizado de compuestos tan avanzados. Si bien los láseres ofrecen el potencial para una mayor eficiencia y la eliminación de los costos recurrentes de las herramientas, el calor generado se disipa en el material, creando potencial para microfisuras y cambios de material. Los láseres también cortan en el punto focal del haz de luz, lo que da como resultado cortes en forma de V que pueden ser problemáticos para tolerancias precisas.

La tecnología Laser MicroJet desarrollada por Synova (Duillier, Suiza) crea un rayo láser que está completamente contenido dentro de un chorro de agua. El láser se refleja en la interfaz aire-agua, similar en principio a una fibra óptica, mientras que el agua enfría la zona de corte y lava los residuos de la ranura. Las ventajas del Laser MicroJet en comparación con los láseres convencionales incluyen la ausencia de quemado o degradación térmica, menos rebabas para superficies más suaves, cortes rectos y mayor precisión.

CW encontró por primera vez el Laser MicroJet en su gira de 2017 por la planta de producción de GE Aviation en Asheville, N.C., EE. UU. para componentes de motores CMC. Aquí, se utiliza para mecanizar agujeros en cubiertas CMC para motores de aviones LEAP. "Esta tecnología ayuda a mantener un alto nivel de precisión en el diámetro del pozo", dice Ryan Huth, gerente de producción de CMC de GE Aviation. “El MicroJet puede perforar estos orificios en dos minutos frente a una hora con el mecanizado convencional”, dice Huth. CW La revista hermana, Modern Machine Shop , también ha publicado un artículo informativo sobre Laser MicroJet.

El poder del agua y la luz

Synova fue fundada en 1997 por el Dr. Bernold Richerzhagen, quien patentó la tecnología Laser MicroJet después de su investigación en el Instituto Federal de Tecnología (EPFL, Lausana, Suiza) en la década de 1990. La tecnología fue ampliamente adoptada para el corte en cubitos de obleas de semiconductores en 2001. Luego, Synova estableció subsidiarias locales en los EE. UU., Japón, India y Corea en 2003. Estas se expandieron para incluir ahora centros de micromecanizado, con una expansión a corto plazo planificada para Taiwán y China. En 2009, Synova estableció una asociación de desarrollo cooperativo con Makino Milling Machine Co.Ltd. (Tokio, Japón), presentando una nueva serie de máquinas y avanzando en el mecanizado de dispositivos médicos, mecanismos de relojes, álabes de turbinas de motores de gas y a reacción, dispositivos semiconductores. y herramientas de corte de materiales superduros.

En el sistema Laser MicroJet, un rayo láser pasa a través de una cámara de agua presurizada y se enfoca en una boquilla. Los láseres son de un tipo industrial común, de estado sólido Nd:YAG, con una potencia de 10-200 vatios y una longitud de onda de 1.064 (infrarrojos), 532 o 355 nanómetros. El chorro fino como un cabello - diámetro de 50-70 micrones - de agua filtrada y desionizada se utiliza a una presión baja de 200-650 bar. Esto da como resultado un bajo consumo de agua, del orden de 2-3 l / h, y una fuerza insignificante de menos de 0,1 newton ejercida sobre el material.

¿Cómo es posible lograr una ablación láser eficiente dentro del agua? “El láser se pulsa aproximadamente 10.000 veces por segundo”, explica Jacques Coderre, director comercial de Synova para EE. UU. “Por cada pulso láser, se genera un plasma que empuja el agua hacia arriba, lo que permite que se produzca la ablación. Al final del pulso, el plasma colapsa y el agua ahora limpia la superficie y disipa el calor ". Señala que el chorro de agua también elimina la complejidad y las variaciones del proceso de mantener el láser enfocado que normalmente se requiere con los sistemas de láser seco. “Esto permite cortar piezas gruesas o no planas sin tener que preocuparse por estar enfocado”, dice Coderre. “La tecnología también produce un láser cilíndrico que crea paredes perfectamente paralelas con anchos de corte ajustados”.

Configuración para compuestos

El Laser MicroJet funciona bien no solo para CMC, sino también para CFRP y laminados apilados. Durante las pruebas, produjo orificios de 3 milímetros de diámetro en un laminado de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) de 2,6 milímetros de espesor a velocidades de hasta 1.440 mm / min. “Con un láser convencional, hay que reducir la velocidad debido al calor”, señala Coderre. “Los molinos convencionales pueden alcanzar velocidades similares pero tienen costos operativos más altos debido al reemplazo de herramientas requerido”.

El Laser MicroJet puede cortar laminados CMC de 1 pulgada de espesor. “La velocidad se basa en una tasa de ablación bastante constante de 1 mm ³ / min ”, observa Coderre.

Synova tiene una gama de máquinas, y el año pasado presentó su sistema CNC LCS 305 de cinco ejes. “Esta máquina sobresale en cortes 3D de alta precisión y es muy adecuada para piezas CMC pequeñas”, explica Coderre. "Pero no es una buena opción para piezas grandes de CFRP". Para ello, Synova ha integrado su Laser MicroJet en una máquina pórtico, capaz de mecanizar piezas de más de 2 metros por 3 metros. “También es fácil de integrar con robots y fácil de programar”, agrega. Para cortes 2D, el software MicroJet convierte un archivo CAD en código de máquina. Una vez verificado, el operador simplemente presiona un botón y la máquina realiza la rutina de corte. Para cortes 3D, Coderre explica que un postprocesador extrae los datos 3D necesarios del archivo CAD y lo formatea para el Laser MicroJet.

Para la capacidad de Factory 4.0, un medidor de potencia láser, un sensor de posicionamiento y una corrección automática del ángulo del chorro están integrados en el sistema Laser MicroJet. "Es muy flexible", dice Coderre, "fácil de incorporar a la producción de piezas como un sistema independiente o como parte de líneas totalmente automatizadas para una producción de gran volumen sin operadores". La tecnología ya ha sido probada en piezas CMC para los motores de avión LEAP, continúa. "Para los compuestos, ofrece menores costos de fabricación, logrados a través de velocidades de producción más rápidas, costos operativos reducidos, mayor confiabilidad y mayores rendimientos". De hecho, tal eficiencia es lo que necesitan los compuestos a medida que continúan evolucionando nuevos materiales, mercados y tecnologías de metales competitivos.