Optimización del taladrado y fresado de compuestos CFRP en aeroespacial

En aeroespacial, trabajar con materiales compuestos ligeros es la norma. Hablamos recientemente con Sandvik Coromant para discutir problemas comunes de trabajo de metales en compuestos de fibra de carbono y las formas de superarlos.

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 deslaminación de las capas y fibras arrancadas. Las herramientas y métodos estándar diseñados para trabajar metal simplemente no sirven cuando se trata de fabricar componentes aeroespaciales hechos de estos materiales.

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

Por ejemplo, el Boeing 787 está hecho de aproximadamente 50 por ciento CFRP y usa 20 a 25 por ciento menos combustible de aviación que un avión de aluminio comparable. El fuselaje compuesto se fabrica en secciones de barril redondo completas, en lugar de en segmentos y piezas. Sin embargo, construir un avión así conduce a desafíos en el proceso de desarrollo de mecanizado.

"Normalmente si estamos trabajando en una pieza de motor, experimentaríamos con la herramienta de corte y el proceso en el componente mismo, pero no podemos practicar taladrando agujeros en el lado de un fuselaje de $30 millones", dice Jeffrey Washburn, gerente de producto en Sandvik Coromant. "Así que todas las pruebas y desarrollo de procesos tienen lugar por separado en 'cupones' que representan de cerca el componente final."

¿Quiere profundizar? Aprenda más sobre los materiales ligeros pero fuertes usados en aeroespacial. Lea: "Desafíos de corte: Compuestos de matriz mixta y compuestos reforzados con fibra".

Herramientas para fresado y taladrado de compuestos

"El material de fibra de carbono es muy abrasivo", dice Den Boer. "Así que con una herramienta de corte de carburo típica que puede durar varios cientos de agujeros en un metal como el aluminio, podría obtener solo 20 agujeros en CFRP".

Para durar más, las herramientas de máquina para CFRP deben ser de diamante policristalino (PCD) venado o recubiertas con una capa de partículas de diamante submicrónico — lo que hace que cada herramienta sea más costosa que las herramientas tradicionales. Pero según Washburn, la forma correcta de medir el costo de producir una pieza se reduce al costo por agujero taladrado, 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 10 a 15 minutos en bajar, cambiar una herramienta nueva y volver a subir a la parte superior", dice Den Boer. "Comparando el tiempo de máquina necesario para una herramienta recubierta de diamante en una sección completa del 787 con el cambio de 80 o 90 herramientas de carburo, la economía puede justificarse".

El material de la herramienta no es la única diferencia para el mecanizado de CFRP. A diferencia de los metales, los dos problemas más desafiantes en el fresado y taladrado de CFRP son las fibras en el agujero y la deslaminación, según Washburn.

"Cuando analizan la calidad de un agujero, puede ser perfecto en tamaño, pero si la acción de corte de la herramienta deja fibras sin cortar en el propio agujero, eso no se considera un buen corte", dice Washburn. "Y si está fresando a lo largo del borde de la superficie, quiere mantener la herramienta lo suficientemente afilada para continuar cortando las fibras limpiamente, sin arrancarlas de la superficie o deslaminar".

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

"Una fresa de mango típica con hélice siempre quiere levantar el material del corte, y así si intentamos aplicar una geometría de corte de metal a la fibra de carbono, eso tenderá a deslaminar el material, porque el ángulo de hélice está tirando hacia arriba de la superficie", dice. "La respuesta es diseñar herramientas que tiren hacia arriba desde abajo y empujen hacia abajo desde arriba al mismo tiempo — para apretar el material junto de modo que no se deslamine".

Apilado de CFRP con metales

Pero estas herramientas especiales típicamente no funcionarán en aplicaciones de metal, lo que conduce a otra complicación.

"Los compuestos a menudo se apilan con otros materiales, así que puede estar taladrando a través de CFRP, por ejemplo, y luego golpear una capa de titanio o aluminio — y la herramienta debe poder mecanizar ambos para producir un solo agujero", dice Washburn.

Las diferencias en tenacidad y abrasión entre los materiales en una pila exigen soluciones creativas.

"Un desafío para mecanizar CFRP apilado con láminas de metal es que muchos de estos componentes de avión no pueden estar expuestos a fluido de corte para enfriamiento y evacuación de virutas", dice Washburn. "Esto presenta un problema, por ejemplo, al intentar 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 desgarren las fibras y hagan el agujero demasiado grande", dice Den Boer.

"Si los agujeros se taladrarán con unidades de taladrado automáticas, algunas de las más nuevas tienen RPM y avances programables, así que puede taladrar el CFRP en una pila a una velocidad y avance y tan pronto como golpee el titanio, puede cambiar los datos de corte, y optimizarlos para cada capa", dice Den Boer.

¿Alguna vez ha tenido problemas cortando compuestos CFRP? Cuéntenos qué pasó y cómo lo resolvió.