Aeroespacial em foco:Perfuração e Fresamento Compósitos CFRP

Na indústria aeroespacial, trabalhar com materiais compostos leves é a norma. Recentemente, conversamos com a Sandvik Coromant para discutir problemas comuns de metalurgia em compósitos de fibra de carbono e as formas de superá-los.

Materiais compostos, como polímeros reforçados com fibra de carbono, são incrivelmente abrasivos e requerem diferentes abordagens para fresamento e perfuração para evitar a delaminação das camadas e fibras puxadas. Ferramentas e métodos padrão projetados para trabalhar metal simplesmente não são suficientes quando se trata de fabricar componentes aeroespaciais feitos desses materiais.

“A fibra de carbono oferece resistência superior com muito menos peso, portanto, no setor aeroespacial comercial, isso permite algumas coisas realmente positivas”, diz David Den Boer, especialista da indústria aeroespacial e engenheiro da 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 aviação do que um avião de alumínio comparável. A fuselagem composta é fabricada em seções completas de barril redondo, em vez de segmentos e peças. No entanto, a construção de tal plano leva a desafios no processo de desenvolvimento de usinagem.

“Normalmente, se estivermos trabalhando em uma peça de motor, experimentaríamos a ferramenta de corte e o processo no próprio componente, mas não podemos praticar furos na lateral de uma fuselagem de US$ 30 milhões”, diz Jeffrey Washburn, especialista em gerente da Sandvik Coromant. “Portanto, todos os testes e desenvolvimento do processo ocorrem separadamente em ‘cupons’ que representam de perto o componente final.”

Quer ir mais fundo? Saiba mais sobre os materiais leves e resistentes usados ​​na indústria aeroespacial. Leia:“Desafios de corte:compósitos de matriz mista e compósitos reforçados com fibra”.

Ferramentas para Fresamento e Perfuração Compósitos

“O material de fibra de carbono é muito abrasivo”, diz Den Boer. “Assim, com uma ferramenta de corte de metal duro típica que pode durar várias centenas de furos em um metal como alumínio, você pode obter apenas 20 furos em CFRP.”

Para durar mais, as máquinas-ferramentas para CFRP devem ser diamantadas policristalinas (PCD) ou revestidas com uma camada de partículas de diamante submicrônicas - o que torna cada ferramenta mais cara do que as ferramentas tradicionais. Mas, de acordo com Washburn, a maneira correta de medir o custo de produção de uma peça se resume ao custo por furo perfurado, não ao custo por ferramenta.

Outra consideração é o custo das trocas de ferramentas.

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

O material da ferramenta não é a única diferença para a usinagem de CFRP. Ao contrário dos metais, os dois problemas mais desafiadores no fresamento e perfuração de CFRP são as fibras no furo e a delaminação, de acordo com Washburn.

“Quando eles analisam a qualidade de um furo, ele pode estar perfeitamente dimensionado, mas se a ação de corte da ferramenta deixar 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, você deseja manter a ferramenta afiada o suficiente para continuar a cortar as fibras de forma limpa, sem puxá-las para fora da superfície ou delaminar.”

De acordo com Washburn, as ferramentas projetadas para CFRP possuem um conjunto de geometrias muito diferente, dependendo do processo e da aplicação.

“Uma fresa de topo típica com uma hélice sempre quer levantar o material do corte, então se tentarmos aplicar uma geometria de corte de metal à fibra de carbono, isso tenderá a delaminar o material, porque o ângulo da hélice está puxando para cima na superfície”, diz. “A resposta é projetar ferramentas que puxam de baixo para cima e empurram para baixo ao mesmo tempo – para comprimir o material para que não se desprenda.”

Acumulando CFRP com metais

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

“Os compósitos geralmente são empilhados com outros materiais, então você pode perfurar CFRP, por exemplo, e depois 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 de resistência e abrasão entre os materiais em uma pilha exigem soluções criativas.

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

“As pessoas tentam coisas diferentes para acomodar as diferentes camadas, como adicionar um quebra-cavacos para uma folha de alumínio, para evitar que longas cadeias de cavacos rasguem as fibras e tornem o buraco muito grande”, diz Den Boer.

“Se os furos forem perfurados com unidades de perfuração automáticas, algumas das mais recentes têm RPM e taxas de alimentação programáveis, para que você possa perfurar o CFRP em uma pilha em uma velocidade e alimentação e, assim que atingir o titânio, poderá alterar os dados de corte e otimizá-los para cada camada”, diz Den Boer.

Você já teve problemas cortando compostos de CFRP? Conte-nos o que aconteceu e como você resolveu.