Jato de água de fusão, laser para eficiência em usinagem CFRP / CMC

À medida que o polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) e materiais compostos de matriz cerâmica (CMC) proliferam em motores de aeronaves, componentes espaciais e aplicações hipersônicas, a usinagem se torna um problema onde a precisão e a eficiência podem alterar os resultados do programa. Tentar usinar recursos de alta confiabilidade e precisão em CFRPs e CMCs pode ser um desafio devido à sua dureza e abrasividade, resultando em taxas de usinagem lentas, efeitos indesejáveis ​​nas propriedades do material, incapacidade de atender às especificações das peças e altos custos operacionais, incluindo ferramentas recorrentes substituição.

Para enfrentar este desafio, uma gama de tecnologias de laser foi desenvolvida para usinar esses compostos avançados. Embora os lasers ofereçam potencial para maior eficiência e eliminação de custos recorrentes com ferramentas, o calor gerado se dissipa no material, criando potencial para microfissuras e alterações no material. Os lasers também cortam no ponto focal do feixe de luz, resultando em cortes em forma de V que podem ser problemáticos para tolerâncias precisas.

A tecnologia Laser MicroJet desenvolvida pela Synova (Duillier, Suíça) cria um feixe de laser que está inteiramente contido em um jato de água. O laser é refletido na interface ar-água, semelhante em princípio a uma fibra óptica, enquanto a água resfria a zona de corte e lava os resíduos do corte. As vantagens do Laser MicroJet em comparação com os lasers convencionais incluem nenhuma queima ou degradação térmica, menos rebarbas para superfícies mais lisas, cortes retos e maior precisão.

CW encontrou a Laser MicroJet pela primeira vez em seu tour de 2017 pela planta de produção de componentes de motor CMC da GE Aviation em Asheville, N.C., nos EUA. Aqui, ele é usado para fazer furos em coberturas CMC para motores de aeronaves LEAP. “Essa tecnologia ajuda a manter um alto nível de precisão no diâmetro do furo”, disse Ryan Huth, gerente da GE Aviation para a produção de CMC. “O MicroJet pode fazer esses furos em dois minutos em comparação a uma hora com a usinagem convencional”, diz Huth. CW Revista irmã de, Modern Machine Shop , também publicou um artigo informativo sobre a Laser MicroJet.

O poder da água e da luz

A Synova foi fundada em 1997 pelo Dr. Bernold Richerzhagen, que patenteou a tecnologia Laser MicroJet após sua pesquisa no Instituto Federal de Tecnologia (EPFL, Lausanne, Suíça) na década de 1990. A tecnologia foi amplamente adotada para o corte de wafer de semicondutor em 2001. A Synova então estabeleceu subsidiárias locais nos EUA, Japão, Índia e Coréia em 2003. Estas foram expandidas para agora incluir centros de microusinagem, com expansão de curto prazo planejada para Taiwan e China. Em 2009, a Synova estabeleceu uma parceria de desenvolvimento cooperativo com Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tóquio, Japão), introduzindo uma nova série de máquinas e avançando-as para a usinagem de dispositivos médicos, mecanismos de relógio, lâminas de turbinas de motores a gás e a jato, dispositivos semicondutores e ferramentas de corte de materiais superduros.

No sistema Laser MicroJet, um feixe de laser passa por uma câmara de água pressurizada e é focado em um bico. Os lasers são de um tipo industrial comum - Nd:YAG de estado sólido - com uma potência de 10-200 watts e um comprimento de onda de 1.064 (infravermelho), 532 ou 355 nanômetros. O jato fino - diâmetro de 50-70 mícrons - de água filtrada e desionizada é usado a uma pressão baixa de 200-650 bar. Isso resulta em baixo consumo de água, da ordem de 2-3 L / h, e uma força desprezível de menos de 0,1 newton exercida sobre o material.

Como é possível obter ablação a laser eficiente dentro da água? “O laser é pulsado cerca de 10.000 vezes por segundo”, explica Jacques Coderre, gerente de negócios da Synova para os EUA. “Para cada pulso de laser, é gerado um plasma que empurra a água para cima, permitindo que a ablação ocorra. No final do pulso, o plasma entra em colapso e a água agora limpa a superfície e dissipa o calor. ” Ele observa que o jato de água também elimina a complexidade e as variações do processo de manter o laser em foco, normalmente exigido com sistemas de laser a seco. “Isso permite o corte de peças grossas ou não planas sem ter que se preocupar em estar no foco”, diz Coderre. “A tecnologia também produz um laser cilíndrico que cria paredes perfeitamente paralelas com cortes estreitos.”

Configurando para compostos

O Laser MicroJet tem um bom desempenho não apenas para CMCs, mas também para CFRP e laminados empilhados. Durante o teste, ele produziu orifícios de 3 mm de diâmetro em um laminado de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) de 2,6 mm de espessura a velocidades de até 1.440 mm / min. “Com um laser convencional, é necessário desacelerar por causa do calor”, observa Coderre. “As fresas convencionais podem atingir velocidades semelhantes, mas têm custos operacionais mais altos devido à substituição da ferramenta necessária.”

O Laser MicroJet pode cortar laminados CMC de 1 polegada de espessura. “A velocidade é baseada em uma taxa de ablação bastante constante de 1 mm ³ / min ”, observa Coderre.

A Synova tem uma gama de máquinas, apresentando seu sistema CNC LCS 305 de cinco eixos no ano passado. “Esta máquina se destaca em cortes 3D de alta precisão e é adequada para peças CMC pequenas”, explica Coderre. “Mas não é um bom ajuste para peças grandes de CFRP.” Para isso, a Synova integrou seu Laser MicroJet em uma máquina pórtico, capaz de usinar peças maiores que 2 metros por 3 metros. “Também é fácil de integrar com robôs e fácil de programar”, acrescenta. Para cortes 2D, o software MicroJet converte um arquivo CAD em código de máquina. Uma vez verificado, o operador simplesmente pressiona um botão e a máquina executa a rotina de corte. Para cortes 3D, Coderre explica que um pós-processador extrai os dados 3D necessários do arquivo CAD e os formata para o Laser MicroJet.

Para a capacidade do Factory 4.0, um medidor de potência do laser, sensor de posicionamento e correção automática do ângulo do jato são integrados ao sistema Laser MicroJet. “É muito flexível”, diz Coderre, “fácil de incorporar na produção de peças como um sistema autônomo ou como parte de linhas totalmente automatizadas para produção de alto volume sem operador”. A tecnologia já foi comprovada em peças CMC para motores de aeronaves LEAP, ele continua. “Para compósitos, oferece custos de fabricação mais baixos, alcançados por meio de velocidades de produção mais rápidas, custos operacionais reduzidos, maior confiabilidade e rendimentos mais altos.” Tal eficiência é de fato o que os compósitos precisam à medida que novos materiais, mercados e tecnologias competitivas de metais continuam a evoluir.