Superando Desafíos de Corte en Compuestos de Matriz Mixta y Reforzados con Fibra

¿Nuevo en materiales de matriz mixta y reforzados con fibra en aeroespacial? Aquí hay una introducción sobre cómo trabajar con materiales compuestos.

A medida que muchas industrias, incluyendo la aeroespacial, continúan pidiendo componentes cada vez más ligeros, podría encontrarse parado frente a un centro de mecanizado CNC un día preguntándose: «¿Qué es esto que estoy cortando?». Las herramientas se desgastan rápido, el polvo va a todas partes, y las superficies mecanizadas son rugosas, astilladas y a menudo agrietadas.

¿Qué Son los Materiales Compuestos?

«Los materiales compuestos son esencialmente una combinación de dos o más materiales disímiles que se usan juntos para combinar las mejores propiedades, o impartir un nuevo conjunto de características que ninguno de los materiales constituyentes podría lograr por sí solo», escribe el Dr. Rainer Groh, asociado de investigación en estructuras no lineales en la Universidad de Bristol en su blog de Ingeniería Aeroespacial.

Primero, es una buena idea entender por qué se usan los compuestos: Es porque son simultáneamente ligeros y fuertes. Suena lo suficientemente simple de entender. Sin embargo, el diablo, al cortar compuestos, está en los detalles.

«La matriz es susceptible a oxidación y degradación por calor excesivo, y las fibras de carbono no cortan bien porque se fracturan en lugar de cizallar suavemente», señala American Machinist en un artículo sobre polímero reforzado con fibra de carbono. «[E]l mecanizado de compuestos resulta en una serie de fracturas frágiles de fibra de carbono produciendo virutas tipo polvo que llevan muy poco del calor generado por el mecanizado».

Compuestos Reforzados con Fibra vs. Compuestos de Matriz

Vigas de piso, paneles estabilizadores, superficies de control de vuelo, puertas y mamparos —estos son solo algunos de los muchos compuestos o partes laminadas que se encuentran en aviones hoy, la mayoría de los cuales están hechos de sándwiches compuestos-metal-compuestos multicapa o materiales tipo panal con exteriores duros y estructuras casi papirosas dentro.

Sin importar cómo se construyan, sea lo que sea con lo que estén laminados en aeroespacial, existen tres clases de compuestos reforzados con fibra, incluyendo cerámico, metal y Kevlar. De manera similar, hay tres clases de compuestos de matriz: fenólico, poliéster y epoxi. Estos materiales pueden ser bastante difíciles de mecanizar, pero con algún conocimiento básico y una pequeña inversión en equipo y herramientas, todos son bastante manejables.

Puede haber escuchado a los compuestos referidos como CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono), compuesto de matriz metálica (MMC), aramida (que es Kevlar), o docenas de otros nombres similarmente científicos. La clave está en entender las diferencias de trabajar con metal.

«El cambio de construcción metálica a compuesta ha inducido naturalmente un cambio en la metodología de diseño de componentes de aeronaves», señala Groh. «Hay que tener en cuenta que no solo las propiedades mecánicas de los compuestos difieren de las de los metales, sino que una gama completa de propiedades físicas y químicas son diferentes».

Corte de Compuestos: Polvo, Polvo de Carbono y Sistemas de Filtración

Comencemos con el polvo desagradable que gira alrededor de su cabeza. No quiere inhalar esa cosa. Para algunas aplicaciones, inundar las máquinas con fluido de corte puede crear un lodo abrasivo que podría dañar su costosa máquina CNC. Algunos compuestos absorben agua como una esponja proverbial, por lo que aplicar refrigerante puede dañar la pieza de trabajo si no tiene el equipo adecuado. En otras aplicaciones de compuestos, sin embargo, el refrigerante puede ser un método muy efectivo para controlar el polvo, mejorar la vida de la herramienta y mejorar los acabados de componentes.

Otro tema a tener en cuenta: El polvo de fibra de carbono se ha conocido por incendiarse bajo ciertas circunstancias. Advertencias severas aparte, la solución es lo suficientemente simple —cualquier taller que rutinariamente corte compuestos debería invertir en un sistema de filtración, uno adecuado para el tipo de material que se está mecanizando. Un recinto bastante hermético también es una buena idea, pero mientras haya suficiente vacío para aspirar el polvo hacia arriba y fuera del área de trabajo, no debería haber problema. Cualquier polvo restante se puede limpiar con una Shop-Vac (asegúrese de que el filtro esté en buena forma). Aquí hay algunas prácticas clave para filtrar polvo de compuestos:

• Consulte con su distribuidor de máquinas sobre la necesidad de un husillo de presión positiva como se encuentra en máquinas de corte de grafito
• Consulte con el proveedor de material sobre qué tamaño y tipo de filtración se necesita (hay muchas variaciones)
• Y consulte con el cliente sobre los requisitos de limpieza de la pieza —los fabricantes de aeronaves suelen ser muy particulares sobre la presencia de polvo y objetos extraños (FOD) en piezas mecanizadas

Herramientas para Cortar Materiales Compuestos: Guarde el HSS

En cuanto a herramientas de corte, puede olvidarse del acero de alta velocidad. Los compuestos son generalmente bastante abrasivos, y aunque el HSS es resistente, no puede soportar el abuso de cortar material como lija. Si solo tiene unas pocas piezas para mecanizar, el metal duro sólido funcionará, pero necesita un filo muy afilado (esto significa que los recubrimientos probablemente están fuera de cuestión, gracias al redondeo microscópico del filo que viene con todos los recubrimientos CVD e incluso la mayoría PVD).

La geometría también es importante. Los ángulos de hélice relativamente pronunciados en fresas y brocas para corte de metal tienden a deslaminar la mayoría de los compuestos, lo que separa las capas y daña la integridad del material, similar a lo que sucede cuando taladra un agujero en un trozo de fibra de vidrio (aunque puede que no pueda verlo a simple vista). La mejor apuesta es una herramienta de corte de hélice neutra o inversa como una fresa de router para mecanizado de madera o plástico, o cortadores que han sido afilados especialmente para trabajo en compuestos.

Así que para brocas, use puntas de doble ángulo (parecen a Batman, con orejas puntiagudas a cada lado de la punta del taladro) que reducen las fuerzas durante la salida y eliminan el astillado —para prevenir deslaminación en la superficie de salida. Otra opción es una broca de punta de centrado, familiar para los carpinteros. También puede interpolar el agujero al tamaño con una fresa de mango neutro o fresa de router.

Corte de Material Compuesto: Los Diamantes Son el Mejor Amigo del Mecanizador

Para cantidades de producción más altas, o donde la calidad del filo es crítica (que suele ser el caso), las herramientas con punta de diamante policristalino y herramientas recubiertas de diamante son la mejor opción. Herramientas soldadas o indexables son las más ampliamente disponibles y harán un excelente trabajo, pero aquí de nuevo, algunos fabricantes de herramientas de corte ofrecen productos especialmente diseñados para CFRP y otros compuestos. Evalúe estos tipos específicos de herramientas de corte donde se requiera el máximo rendimiento.

Cualquiera que sea el enfoque que tome con herramientas de corte, los avances y velocidades serán territorio inexplorado. Para los mejores resultados, llame a su proveedor de herramientas y al fabricante del material para consejos, reserve un poco de tiempo para pruebas y documente todo lo que haga.

Consejos Extra para Trabajar y Cortar Materiales Compuestos

Agarrar piezas compuestas frágiles puede ser un desafío, así que eche un vistazo a la sujeción por vacío o adhesivos activados por luz. Si el calor se vuelve un problema, intente apuntar una pistola de aire frío a la zona de trabajo.

Aquí hay algunos apuntes adicionales de compuestos para ponerlo en la dirección correcta:

• Esté atento a la dirección y estructura del grano del compuesto subyacente, ya que puede tener que orientarse de ciertas maneras para lograr los resultados de mecanizado deseados
• El material en sándwich puede negar el uso de PCD a favor de carburo
• Los compuestos de panal, populares en estructuras de fuselaje, también están sujetos a un libro de jugadas diferente —aquí, el fresado en escalada es el enfoque preferido (algo que a menudo no es el caso con compuestos)

Es una buena idea seguir el lema de los Boy Scouts y estar preparado: El mecanizado de compuestos se dirige hacia usted.

¿Cómo trabaja con compuestos en su taller? Cuéntenos sus historias de terror de corte.