Superando Desafios de Corte com Compostos de Matriz Mista e Reforçados com Fibra

Novo em materiais de matriz mista e reforçados com fibra na aeroespacial? Aqui está um guia sobre como trabalhar com materiais compostos.

Como muitas indústrias, incluindo a aeroespacial, continuam a pedir componentes cada vez mais leves, você pode se encontrar diante de um centro de usinagem CNC um dia se perguntando: "O que é esta coisa que estou cortando?". Ferramentas desgastam rapidamente, poeira vai para todo lado, e superfícies usinadas são ásperas, lascadas e frequentemente rachadas.

O Que São Materiais Compostos?

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

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

"A matriz é suscetível a 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 compostos resulta em uma série de fraturas frágeis de fibra de carbono produzindo cavacos semelhantes a poeira que levam embora muito pouco do calor gerado pela usinagem."

Compostos Reforçados com Fibra vs. Compostos de Matriz

Vigas de assoalho, painéis estabilizadores, superfícies de controle de voo, portas e anteparas – estes são apenas alguns dos muitos componentes compostos ou laminados encontrados em aeronaves hoje, a maioria feita de sanduíches multicamadas composto-metal-composto ou materiais tipo favo de mel com exteriores resistentes e estruturas quase papirosas dentro.

Não importa como são construídos, seja lá com o que são laminados na aeroespacial, existem três classes de compostos reforçados com fibra, incluindo cerâmica, metal e Kevlar. Similarmente, existem três classes de compostos de matriz: fenólico, poliéster e epóxi. Estes materiais podem ser bem difíceis de usinar, mas com algum conhecimento básico e um pequeno investimento em equipamento e ferramentas, todos são bastante gerenciáveis.

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

"A mudança da construção metálica para compósita induziu naturalmente uma mudança na metodologia de projeto de componentes de aeronaves", observa Groh. "Deve ser levado em conta que não apenas as propriedades mecânicas dos compostos diferem das dos metais, mas que toda uma gama de propriedades físicas e químicas são diferentes."

Cortando Compostos: Poeira, Poeira de Carbono e Sistemas de Filtração

Vamos começar com a poeira desagradável que está girando ao redor da sua cabeça. Você não quer inalar a coisa. Para algumas aplicações, inundar máquinas com fluido de corte pode criar uma lama abrasiva que poderia danificar sua máquina CNC cara. Alguns compostos absorvem água como uma esponja proverbial, então aplicar refrigerante pode realmente danificar a peça se você não tiver o equipamento certo. Em outras aplicações de compostos, no entanto, refrigerante pode ser um método muito eficaz de controlar a poeira, melhorar a vida útil da ferramenta e melhorar acabamentos de componentes.

Outro problema a estar ciente: Poeira de fibra de carbono é conhecida por incendiar sob certas circunstâncias. Avisos terríveis à parte, a solução é simples o suficiente – qualquer oficina rotineiramente cortando compostos deve investir em um sistema de filtração, um adequado para o tipo de material sendo usinado. Um invólucro razoavelmente hermético também é uma boa ideia, mas desde que haja vácuo suficiente para sugar a poeira para cima e para fora da área de trabalho, não deve haver problema. Qualquer poeira restante pode ser limpa com um aspirador de oficina (apenas certifique-se de que o filtro está em boas condições). Aqui estão algumas práticas recomendadas para filtrar poeira de compostos:

• 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 qual tamanho e tipo de filtração é necessário (existem muitas variações)
• E verifique com o cliente sobre os requisitos de limpeza da peça – fabricantes de aeronaves geralmente são muito particulares sobre a presença de poeira e objetos estranhos (FOD) em peças usinadas

Ferramentas para Cortar Materiais Compostos: Guarde o HSS

Quanto a ferramentas de corte, você pode esquecer o aço rápido. Compostos são geralmente bastante abrasivos, e embora o HSS seja resistente, ele não aguenta o abuso de cortar material como lixa. Se você tem apenas algumas peças para usinar, metal duro sólido funcionará, mas você precisa de uma aresta muito afiada (isso significa que revestimentos provavelmente estão fora de questão, graças ao arredondamento microscópico da aresta que vem com todos os revestimentos CVD e até a maioria dos PVD).

A geometria também é importante. Os ângulos de hélice relativamente íngremes em fresas de topo e brocas para corte de metal tendem a delaminar a maioria dos compostos, o que separa as camadas e danifica a integridade do material, similar ao que acontece quando você fura um buraco em um pedaço de fibra de vidro (mesmo que você não consiga ver a olho nu). A melhor aposta é uma ferramenta de corte de hélice neutra ou reversa como uma fresa de topo para usinagem de madeira ou plástico, ou cortadores que foram especialmente retificados para trabalho com compostos.

Então, para brocas, use pontas de duplo ângulo (parecem o Batman, com orelhas pontiagudas de cada lado da ponta da broca) que reduzem forças durante a ruptura e eliminam lascas – para prevenir delaminação na superfície de saída. Outra opção é uma broca de ponta brad, familiar para marceneiros. Você também pode interpolar o furo ao tamanho com uma fresa de topo de rake neutro ou fresa de topo para madeira.

Corte de Materiais Compostos: Diamantes São o Melhor Amigo do Torneiro

Para quantidades de produção mais altas, ou onde a qualidade da aresta é crítica (que geralmente é o caso), ferramentas com ponta de diamante policristalino e ferramentas revestidas de diamante são a melhor escolha. Ferramentas brasadas ou indexáveis 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 compostos. Avalie estes tipos específicos de ferramentas de corte onde quer que o desempenho máximo seja requerido.

Qualquer que seja a abordagem que você tome com ferramentas de corte, avanços e velocidades serão território desconhecido. Para os melhores resultados, ligue para seu fornecedor de ferramentas e o fabricante do material para conselhos, reserve um tempinho para testes e documente tudo o que você faz.

Dicas Extras para Trabalhar com e Cortar Materiais Compostos

Segurar peças compostas frágeis pode ser desafiador, então dê uma olhada em fixação a vácuo ou adesivos ativados por luz. Se o calor se tornar um problema, tente apontar uma pistola de ar frio na zona de trabalho.

Aqui estão alguns ponteiros adicionais de compostos para colocá-lo na direção certa:

• Esteja ciente da direção e estrutura do grão do composto subjacente, pois pode ter que ser orientado de certas maneiras para alcançar os resultados de usinagem desejados
• Material sanduíche pode negar o uso de PCD em favor de metal duro
• Compostos favo de mel, populares em estruturas de fuselagem, também estão sujeitos a um manual diferente – aqui, fresamento de subida é a abordagem preferida (algo que frequentemente não é o caso com compostos)

É uma boa ideia seguir o lema dos escoteiros e estar preparado: A usinagem de compostos está vindo em sua direção.

Como você trabalha com compostos na sua oficina? Conte suas histórias de terror de corte.