MECANIZAR COMPOSITES SIN SORPRESAS

Al taladrar agujeros en la mayoría de piezas aeroespaciales, los fabricantes tienen tres oportunidades de conseguir el agujero correcto, tras lo cual, lograr un agujero con las especificaciones de diseño necesarias será imposible. Si un solo agujero pierde una de esas tres oportunidades en cuanto al diámetro, el acabado superficial o el delaminado, habrá que desechar el componente completo. Dado el alto valor de los componentes aeroespaciales, se trata de un negocio arriesgado. Esto es muy aplicable al mecanizado de materiales de composites, que supone un mecanizado extremadamente exigente.

El mecanizado de agujeros se ha convertido en uno de los procesos de mecanizado más comunes al trabajar con composites. Mecanizar materiales de composites —que combinan dos o más materiales con diferentes propiedades físicas y químicas— implica cortar o fracturar la parte de fibra del material. Si se hace incorrectamente, las capas del material de composite se despegan. Este fenómeno se conoce como delaminado lo que, según los clientes de Sandvik Coromant, es el factor más restrictivo en su producción.

El delaminado afecta a la calidad y la repetibilidad del agujero; la calidad y la integridad del producto final; y los beneficios del fabricante. Digo integridad porque mejorar la calidad del agujero es de vital importancia para evitar el fallo de la pieza y viene, en gran medida, definido por el proceso de fabricación utilizado para mecanizar o acabar los agujeros.

La temperatura generada durante el mecanizado de composites también es considerable. La mala conductividad del calor del material y la ausencia de virutas suponen un riesgo para la resina que mantiene unidas las fibras. En otras palabras, el mecanizado de composites subraya las debilidades del proceso de mecanizado que de otro modo podrían pasar desapercibidas.

Estos puntos débiles se ven enfatizados por la creciente e impredecible gama de materiales de composite disponible en el mercado, lo que convierte el mecanizado competitivo en un reto.

¿Por qué digo esto ahora? La calidad del agujero ahora es con diferencia más importante que nunca en la era de la COVID-19. Según un estudio de Euromonitor International, en torno al 50% de las empresas tienen previsto rediseñar sus estrategias digitales. Un tercio de las personas participantes en la encuesta de Euromonitor La voz de la industria 2020 dijo tener previsto acelerar sus inversiones en herramientas de automatización, por lo que esos agujeros deben hacerse correctamente en contextos sin mano de obra.

Por ello, los fabricantes deben replantearse su estrategia para el taladrado de composites.

Desgaste predecible

Hemos establecido que la integridad de la superficie del agujero es de gran importancia para los fabricantes aeroespaciales. ¿Pero, qué papel juegan las herramientas para resolver estos problemas, y cómo puede mejorar la estrategia de automatización una broca optimizada?

Primero, estudiemos el ideal de todo fabricante: agujeros de buena calidad, consistentes y repetibles. Obviamente, cualquier herramienta se desgastará tarde o temprano pero este desgaste debe ser consistente y predecible de una herramienta a otra.

No puedo enfatizar lo suficiente la importancia del desgaste predecible. Habitualmente, se programará el CNC para extraer la herramienta antes de fallar. Así que, si el ciclo de vida de la broca no es consistente, en un escenario terrible pero realista, podría reducir un 50% la vida útil de la mayoría de los productos que compra. Cuando Sandvik Coromant entrega una broca a sus clientes, debemos poder garantizar que la broca durará un número predecible de minutos, sea cual sea la circunstancia; una y otra vez.

Diseño optimizado

Por este motivo Sandvik Coromant ha desarrollado la broca de alto rendimiento CoroDrill^® 863-O para composites, como materiales de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) y cristal reforzado con fibra de carbono (GFRP). La broca ha sido diseñada centrándose en industrias que hacen gran uso de los materiales de composites y exigen más material taladrado por herramienta: como la industria aeroespacial que usa materiales de composites para la fabricación de estructuras aeroespaciales y otras piezas.

Para desarrollar la herramienta CoroDrill^® 863-O — la O indica solo aplicaciones de composites—, la primera cosa que hicimos fue aplicarla a materiales de la industria aeroespacial que tienden al delaminado. Específicamente, el laminado unidireccional sin capa provisional o tejido hacia atrás, que suele usarse en las alas y el fuselaje aeroespacial. Mapeamos digitalmente el delaminado para determinar exactamente cuánto delaminado experimentábamos a lo largo de la vida útil de las herramientas.

El sistema informático se fijó con tolerancias muy estrechas, lo que equivale a la cantidad de delaminado que aceptaríamos en la herramienta correspondiente. De los datos resultantes, pudimos optimizar aspectos esenciales del diseño de la broca, como el ángulo de la hélice o la ranura espiral en torno a la broca. Una hélice más grande favorece la evacuación de la viruta, para ayudar a reducir el delaminado del lado de salida. No obstante, una hélice demasiado alta puede separar las capas en el material de composite en el lado de entrada. En cualquiera de los casos, esto puede resultar en capas o fibras que sobresalen del agujero.

Otras características clave de CoroDrill 863-O son su perfil y su calidad. Los materiales de composite no son homogéneos, y la aparición de cualquier material nuevo en un turno de producción presenta sus retos: su espesor, su tipo de composición, etc. Las sobresalientes características de CoroDrill 863 han sido diseñadas para enfrentarse a cualquier material.

Además, está la cuestión de la calidad. Las brocas de metal duro son perfectas para mecanizar componentes aeroespaciales porque el metal duro refuerza la herramienta a través de la geometría de corte y el mango. Esto optimiza la acción de corte y maximiza la incidencia y la evacuación del material. Sin embargo, dada la naturaleza abrasiva de los composites, el metal duro también se desgasta rápidamente. Esto supone un problema en reglajes de producción automatizada.

Para superarlo, CoroDrill 863-O cuenta con tecnología de deposición química en fase de vapor (CVD). La CVD es un material de herramienta muy duro, perfecto para mecanizar materiales de composites y en paquetes. Aplicar capas de CVD a lo largo de todo el filo puede ofrecer una vida útil más prolongada, debido al bajo coeficiente de fricción y la gran conductividad del calor de la CVD, los filos de la herramienta son menos susceptibles al filo de aportación (BUE). Dado que el CVD conserva la agudeza del filo, esto elimina el calor, tiene baja fricción y minimiza la tendencia a los problemas en los agujeros.

Por ello, la calidad de CVD es preferible cuando hay que mecanizar muchos agujeros y se requiere mayor productividad.

Pruebas de campo y robots bien equipados

La gama CoroDrill 863 más extensa ya está beneficiando a fabricantes con reglajes de producción automatizados, con CNC y robots en la línea de producción. Como está disponible en metal duro, con recubrimiento de CVD y diamante policristalino (PCD), la broca puede mecanizar todo tipo de materiales difíciles —composites, aluminio, titanio, superaleaciones termorresistentes y acero inoxidable— en procesos sin personal o totalmente automatizados.

Una vez salida del laboratorio, el rendimiento de CoroDrill 863-O ha sido puesto a prueba taladrando agujeros en una pieza de fibra de carbono. La fibra de carbono es una elección de material popular en aplicaciones aeroespaciales, dado que los ingenieros intentan encontrar estructuras aeroespaciales más ligeras, gracias a su excelente relación resistencia y peso.

Un componente de un grosor de 0,25 pulgadas se sometió a dos series de taladrado con una geometría CoroDrill^® 863-O, que utiliza nuestra propia variante de CVD llamada O1AD para una resistencia al desgaste mejorada en materiales de composite. Primero, la pieza se mecanizó con una broca 863-O con un diámetro de corte (DC) de 6,37 mm (0,25 pulgadas). Segundo, con un DC de 4,85 mm (0,191 pulgadas).

En ambas series y con todas las herramientas, 863-O mostró excelentes resultados. Se taladraron 400 agujeros en fibra de carbono a un DC de 6,37 mm (0,25 pulgadas) y 560 agujeros a 4,85 mm (0,191 pulgadas), incluso en una fase temprana de su vida útil los resultados coincidieron con las pruebas de laboratorio llevadas a cabo.

Con el sistema de gestión de datos de capacidad de Sandvik Coromant, que es un sistema para predecir la vida útil para nuestros clientes, estimamos con bastante precisión la vida útil segura. En términos generales, esto demuestra las capacidades del producto de ofrecer una vida útil excelente, y un rendimiento repetible y fiable al mecanizar composites. Todos estos agujeros tuvieron un bajo nivel de delaminado a la entrada o salida en ambas series de prueba.

Por ello, resulta evidente que las herramientas de corte especializadas son críticas para garantizar el éxito de la operación de mecanizado de agujeros; en especial en componentes de materiales de composite o en paquetes. Herramientas como la broca 863-O también pueden jugar un papel crucial a la hora de ayudar a las empresas a automatizar plenamente sus procesos, incluso al mecanizar materiales de composite tenaces.

www.sandvik.coromant.com