Desafios de corte:Compósitos de matriz mista e compósitos reforçados com fibra

Novo para matriz mista e materiais reforçados com fibra na indústria aeroespacial? Aqui está uma cartilha sobre como trabalhar com materiais compostos.

Como muitas indústrias, incluindo a aeroespacial, continuam a exigir componentes cada vez mais leves, você pode se encontrar em frente a um centro de usinagem CNC um dia se perguntando:“O que é isso que estou cortando?”. As ferramentas se desgastam rapidamente, a poeira vai para todos os lugares e as superfícies usinadas são ásperas, lascadas e muitas vezes rachadas.

O que são materiais compostos?

“Materiais compostos são essencialmente uma combinação de dois ou mais materiais diferentes que são usados ​​juntos para combinar as melhores propriedades ou transmitir um novo conjunto de características que nenhum dos materiais constituintes poderia alcançar por conta própria”, escreve Dr. Rainer Groh, pesquisador associado em estruturas não lineares da Universidade de Bristol em seu blog de Engenharia Aeroespacial.

Primeiro, é uma boa ideia entender por que os compósitos estão sendo usados:é porque eles são simultaneamente leves e fortes. Parece simples o suficiente para entender. No entanto, o diabo, ao cortar compósitos, está nos detalhes.

“A matriz é suscetível à oxidação e degradação por calor excessivo, e as fibras de carbono não cortam bem porque fraturam em vez de cisalhar suavemente”, observa American Machinist em um artigo sobre polímero reforçado com fibra de carbono. “[A] usinagem de compósitos resulta em uma série de fraturas frágeis de fibra de carbono produzindo cavacos semelhantes a poeira que transportam muito pouco do calor gerado pela usinagem.”

Compósitos reforçados com fibra vs. Compósitos de matriz

Vigas de piso, painéis estabilizadores, superfícies de controle de voo, portas e anteparas - essas são apenas algumas das muitas peças compostas ou laminadas encontradas em aeronaves hoje, a maioria das quais são feitas de sanduíches de composto de metal-compósito multicamadas ou materiais semelhantes a favo de mel com exteriores resistentes e estruturas quase de papel por dentro.

Independentemente de como são construídos, independentemente de como são laminados na indústria aeroespacial, existem três classes de compósitos reforçados com fibra, incluindo cerâmica, metal e Kevlar. Da mesma forma, existem três classes de compósitos de matriz:fenólico, poliéster e epóxi. Esses materiais podem ser bastante difíceis de usinar, mas com algum conhecimento básico e um pouco de investimento em equipamentos e ferramentas, todos são bastante gerenciáveis.

Você pode ter ouvido compósitos referidos como CFRP (plástico reforçado com fibra de carbono), composto de matriz metálica (MMC), aramida (que é Kevlar) ou dezenas de outros nomes de som científico semelhante. A chave está em entender as diferenças de trabalhar com metal.

“A mudança da construção metálica para a construção composta naturalmente induziu uma mudança na metodologia de projeto dos componentes da aeronave”, observa Groh. “Deve-se ter em mente que não apenas as propriedades mecânicas dos compósitos diferem das dos metais, mas que toda uma gama de propriedades físicas e químicas são diferentes.”

Compósitos de corte:pó, pó de carbono e sistemas de filtragem

Vamos começar com a poeira desagradável que está girando em torno de sua cabeça. Você não quer inalar as coisas. Para algumas aplicações, inundar máquinas com fluido de corte pode criar uma lama abrasiva que pode danificar sua máquina CNC cara. Alguns compósitos absorvem água como uma esponja proverbial, portanto, a aplicação de refrigerante pode danificar a peça de trabalho se você não tiver o equipamento certo. Em outras aplicações compostas, no entanto, a refrigeração pode ser um método muito eficaz de controlar a poeira, melhorar a vida útil da ferramenta e melhorar o acabamento dos componentes.

Outra questão a ter em conta:sabe-se que o pó de fibra de carbono inflama em determinadas circunstâncias. Avisos terríveis à parte, a solução é bastante simples – qualquer oficina que corte compósitos rotineiramente deve investir em um sistema de filtragem adequado para o tipo de material que está sendo usinado. Um gabinete bastante hermético também é uma boa ideia, mas desde que haja vácuo suficiente para puxar a poeira para cima e para fora da área de trabalho, não deve haver nenhum problema. Qualquer poeira restante pode ser limpa com um Shop-Vac (apenas certifique-se de que o filtro esteja em boas condições). Aqui estão algumas das principais práticas recomendadas para filtrar poeira composta:

• Verifique com seu revendedor de máquinas sobre a necessidade de um fuso de pressão positiva como encontrado em máquinas de corte de grafite
• Verifique com o fornecedor do material o tamanho e o tipo de filtragem necessários (há muitas variações)
• E verifique com o cliente sobre os requisitos de limpeza das peças. Os fabricantes de aeronaves geralmente são muito específicos quanto à presença de poeira e objetos estranhos (FOD) nas peças usinadas

Ferramentas para cortar materiais compostos:guarde o HSS

No que diz respeito às ferramentas de corte, você pode esquecer o aço rápido. Os compósitos geralmente são bastante abrasivos e, embora o HSS seja resistente, não pode suportar o abuso de materiais de corte como lixa. Se você tiver apenas algumas peças para usinar, o metal duro funcionará, mas você precisa de uma borda muito afiada (isso significa que os revestimentos provavelmente estão fora de questão, graças ao arredondamento de borda microscópico que vem com todos os revestimentos CVD e até mesmo a maioria dos revestimentos PVD ).

A geometria também é importante. Os ângulos de hélice relativamente íngremes em fresas e brocas de corte de metal tendem a delaminar a maioria dos compósitos, o que separa as camadas e danifica a integridade do material, semelhante ao que acontece quando você faz um furo em um pedaço de fibra de vidro (mesmo que você não possa poder vê-lo a olho nu). A melhor aposta é uma ferramenta de corte helicoidal neutra ou reversa, como uma fresa para usinagem de madeira ou plástico, ou cortadores que foram especialmente retificados para trabalhos compostos.

Portanto, para brocas, use pontas de ângulo duplo (elas se parecem com o Batman, com orelhas pontudas em ambos os lados da ponta da broca) que reduzem as forças durante o avanço e eliminam lascas - para evitar a delaminação na superfície de saída. Outra opção é uma furadeira de ponta, familiar aos marceneiros. Você também pode interpolar o furo ao tamanho com uma fresa de ponta de saída neutra ou fresa de tupia.

Corte de material composto:os diamantes são os melhores amigos de um maquinista

Para maiores quantidades de produção, ou onde a qualidade da aresta é crítica (o que geralmente é o caso), ferramentas policristalinas com ponta de diamante e ferramentas revestidas de diamante são a melhor escolha. As ferramentas soldadas ou intercambiáveis ​​são as mais amplamente disponíveis e farão um excelente trabalho, mas aqui, novamente, alguns fabricantes de ferramentas de corte oferecem produtos especialmente projetados para CFRP e outros compósitos. Avalie esses tipos específicos de ferramentas de corte sempre que o desempenho máximo for necessário.

Qualquer que seja a abordagem que você adote com ferramentas de corte, avanços e velocidades será um território inexplorado. Para obter os melhores resultados, ligue para o seu fornecedor de ferramentas e o fabricante do material para aconselhamento, reserve um pouco de tempo para testar e documente tudo o que você faz.

Dicas extras para trabalhar e cortar materiais compostos

Agarrar-se a peças compostas frágeis pode ser um desafio, então dê uma olhada nos adesivos de fixação a vácuo ou ativados por luz. Se o calor se tornar um problema, tente apontar uma pistola de ar frio para a zona de trabalho.

Aqui estão alguns ponteiros compostos adicionais para você se mover na direção certa:

• Esteja ciente da direção e estrutura do grão composto subjacente, pois pode ter que ser orientado de determinadas maneiras para alcançar os resultados de usinagem desejados
• O material prensado pode negar o uso de PCD em favor do carboneto
• Os compostos de favo de mel, populares em estruturas de fuselagem, também estão sujeitos a um manual diferente — aqui, o fresamento ascendente é a abordagem preferida (algo que geralmente não é o caso dos compostos)

É uma boa ideia seguir o lema dos escoteiros e estar preparado:a usinagem composta está a caminho.

Como você trabalha com compósitos em sua loja? Conte-nos suas histórias de terror.