Otimizando Furação e Fresamento de Compósitos CFRP na Aeroespacial

Na aeroespacial, trabalhar com materiais compósitos leves é a norma. Conversamos recentemente com a Sandvik Coromant para discutir problemas comuns de metalurgia em compósitos de fibra de carbono e as maneiras de superá-los.

Materiais compósitos como polímero reforçado com fibra de carbono são incrivelmente abrasivos e requerem abordagens diferentes para fresamento e furação para evitar deslaminação das camadas e fibras puxadas. Ferramentas e métodos padrão projetados para trabalhar metal simplesmente não servem quando se trata de fabricar componentes aeroespaciais feitos desses materiais.

"Fibra de carbono oferece resistência superior com muito menos peso, então na aeroespacial comercial, isso permite coisas realmente positivas", diz David Den Boer, especialista e engenheiro da indústria aeroespacial na Sandvik Coromant. "À medida que o avião fica mais leve, os motores se tornam mais eficientes."

Por exemplo, o Boeing 787 é feito de cerca de 50% de CFRP e usa 20 a 25% menos combustível de jato do que um avião de alumínio comparável. O fuselagem compósito é fabricado em seções de barril redondo completas, em vez de segmentos e peças. No entanto, construir tal avião leva a desafios no processo de desenvolvimento de usinagem.

"Normalmente, se estivéssemos trabalhando em uma peça de motor, experimentaríamos com a ferramenta de corte e o processo no próprio componente, mas não podemos praticar furar furos no lado de um fuselagem de $30 milhões", diz Jeffrey Washburn, gerente de produto na Sandvik Coromant. "Então, todo o teste e desenvolvimento de processo ocorre separadamente em 'cupons' que representam de perto o componente final."

Quer ir mais fundo? Saiba mais sobre os materiais leves, porém fortes, usados na aeroespacial. Leia: "Desafios de Corte: Compósitos de Matriz Mista e Compósitos Reforçados com Fibra."

Ferramentas para Fresamento e Furação de Compósitos

"Material de fibra de carbono é muito abrasivo", diz Den Boer. "Então, com uma ferramenta de corte de metal duro típica que pode durar várias centenas de furos em um metal como alumínio, você pode conseguir apenas 20 furos em CFRP."

Para durar mais, ferramentas de máquina para CFRP devem ser ou de diamante policristalino veinado (PCD) ou revestidas com uma camada de partículas de diamante submicrométricas — o que torna cada ferramenta mais cara que ferramentas tradicionais. Mas, segundo Washburn, a maneira certa de medir o custo de produzir uma peça se resume ao custo por furo furado, não ao custo por ferramenta.

Outra consideração é o custo de trocas de ferramentas.

"Digamos que você esteja fresando o topo do fuselagem em uma grande máquina CNC gantry que leva 10 a 15 minutos para descer, trocar uma nova ferramenta e subir de volta ao topo", diz Den Boer. "Comparando o tempo de máquina necessário para uma ferramenta revestida de diamante em uma seção inteira do 787 com a troca de 80 ou 90 ferramentas de metal duro, a economia pode ser justificada."

Material de ferramenta não é a única diferença para usinagem de CFRP. Diferente de metais, os dois problemas mais desafiadores no fresamento e furação de CFRP são fibras no furo e deslaminação, segundo Washburn.

"Quando analisam a qualidade de um furo, ele pode estar perfeitamente no tamanho, mas se a ação de corte da ferramenta deixa fibras não cortadas no próprio furo, isso não é considerado um bom corte", diz Washburn. "E se você estiver fresando ao longo da borda da superfície, quer manter a ferramenta afiada o suficiente para continuar cortando as fibras limpo, sem puxá-las para fora da superfície ou deslaminar."

Segundo Washburn, ferramentas projetadas para CFRP têm um conjunto muito diferente de geometrias, dependendo do processo e da aplicação.

"Uma fresa de topo típica com hélice sempre quer levantar o material do corte, e então se tentarmos aplicar uma geometria de corte de metal para fibra de carbono, isso tenderá a deslaminar o material, porque o ângulo de hélice está puxando para cima na superfície", diz ele. "A resposta é projetar ferramentas que puxem para cima de baixo e empurrem para baixo de cima ao mesmo tempo — para meio que apertar o material junto para que não deslamine."

Empilhamento de CFRP com Metais

Mas essas ferramentas especiais tipicamente não funcionam em aplicações de metal, o que leva a outra complicação.

"Compósitos são frequentemente empilhados com outros materiais, então você pode estar furando através de CFRP, por exemplo, e então atingir uma camada de titânio ou alumínio — e a ferramenta deve ser capaz de usinar ambos para produzir um único furo", diz Washburn.

As diferenças em tenacidade e abrasão entre os materiais em uma pilha pedem soluções criativas.

"Um desafio para usinar CFRP empilhado com chapas de metal é que muitos desses componentes de avião não podem ser expostos a fluido de corte para refrigeração e remoção de cavacos", diz Washburn. "Isso apresenta um problema, por exemplo, ao tentar usinar titânio sem refrigerante."

"Pessoas tentam coisas diferentes para acomodar as diferentes camadas, como adicionar um quebra-cavacos para uma chapa de alumínio, para evitar que longas cordas de cavacos rasguem as fibras e tornem o furo muito grande", diz Den Boer.

"Se os furos serão furados com unidades de furação automáticas, algumas das mais novas têm RPM e taxas de avanço programáveis, então você pode furar o CFRP em uma pilha em uma velocidade e avanço e assim que atingir o titânio, pode mudar os dados de corte, e otimizá-los para cada camada", diz Den Boer.

Você já enfrentou problemas cortando compósitos CFRP? Conte o que aconteceu e como resolveu.