Mecanisat de materials composts

El mecanisat en materials composts és una de les operacions més importants posat que la seua realisació dona orige a l'obtenció del conjunt o de la peça dissenyada. Este procés de fabricació és el responsable de la consecució de la geometria final, aixina com de posar els mijos necessaris per a l'unió d'este conjunt en uns atres.

Mecanisat general

Els processos de mecanisat de peces fabricades en materials composts impliquen grans distincions respecte al mecanisat de materials metàlics, com pot ser l'acer. La configuració d'este tipo de materialés obliga a replantejar els processos de mecanisat: métodos, ferramentes, configuracions, sistemes de refrigeració (taladrina), i inclús màquines i utillages (fixació...).

Consideracions generals

El mecanisat d'un material compost implica una série de condicionamientos diferents al mecanisat convencional. S'han de tindre en conte les següents consideracions:

• Les temperatures alcançades durant el procés deuen trobar-se dins d'un ranc permés dau pel material polimèric que compon la matriu. Una temperatura excessiva no és convenient.

Material	Polimetacrilato de metilo (PMMA)	Policarbonat (PC)	Epoxi bismaleimida
Temperatura llímit de treball (°C)	74 - 102	129	250 - 300

• La baixa conductivitat tèrmica dels materials composts polimèrics fa que el malbarat de la major part de l'energia calorífica generada durant el mecanisat siga dissipada a través de la ferramenta utilisada. L'energia calorífica no dissipada revertix en l'aument de la temperatura en el tall. Sobre l'us de líquits refrigerantes, cal destacar que alguns materials composts poden vore modificades les seues propietats mecàniques per l'absorció de decorreguts.
• La diferència existent entre els coeficients de dilatació tèrmica entre les fibres i la matriu favorix l'aparició de tensions residuals, sent estes majors quant major siga el gradient de temperatura.
• El desgast del tall provocat pel tall de les fibres. Este desgast és de tipo abrasivo.
• El residu que es genera pel tall de les fibres és molt nociu per a la salut. Ademés, té un efecte molt negatiu sobre el manteniment de la màquina ferramenta.

El procés de cort

El procés de tall en un material compost de matriu polimèrica (PMC) és molt diferent al d'un metal. En un material compost es distinguixen les fibres i la matriu. El tall de cort no genera les borumballas típiques del mecanisat d'un metal, sino que la resina polimèrica és tallada i les fibres poden ser tallades o fracturades. Per un atre costat, els materials composts, en particular aquells reforçats en fibres llargues, presenten una elevada anisotropía que depén de l'orientació de les fibres. La força de cort necessària en el mecanisat depén fortament de la direcció i sentit del tall. Este efecte és molt notable també en l'acabament del tall.

Solucions per al mecanisat

Existixen dos possibilitats per a abordar el mecanisat de materials composts polimèrics (PMC, Compost de Matriu Polimèrica):

• L'ocupació de talls de tall de geometria molt positiva i molt esmolats (ràdio de punta menut).
• Tècnica del Mecanisat d'Alta Velocitat (MAV).

Operacions de mecanisat

La majoria de les peces de materials composts es fabriquen de manera que s'alcance la forma final de la peça sense necessitat d'efectuar moltes operacions de desbaste o acabament posteriorment. Les operacions més habituals són:

Trepat

Esta operació és molt important en la fabricació d'unions mecàniques tant en aeronàutica com en qualsevol aplicació industrial dels materials composts. Els problemes més habituals associats a esta operació són:

• Astillamiento (splintering). La resina és tallada, pero part de les fibres no són tallades apareixent fibres en el forat.
• Delaminación (delamination). Separació de les làmines inferiors del trepat per la força d'alvanç eixercida per la broca. Este fenomen es minimisa reduint l'alvanç de la ferramenta durant l'etapa final del trepat.

• Extracció. Consistix en la fragmentació de porcions de fibra o resina en les parets del forat trepat.

La realisació de forats en estructures híbrides, per eixemple, apilamientos de fibra de carbono en làmines metàliques (alumini, titani...) és molt freqüent en aplicacions en materials composts. Dos són els métodos amprats per al trepat adequat d'estos paquets de materials:

1. Trepat intermitent. El trepe penetra en el material compost fins a alcançar el material metàlic, llavors es retira del forat per a retirar les borumballes generades i dissipar la calor. A continuació, la broca torna a entrar en el forat i trepa el material metàlic fins que completa la gruixa del material. Els paràmetros de cort (alvanç i velocitat de tall) per al trepat del material compost i el metal són diferents.
2. Trepat en un pas. Este procediment és més efectiu que l'anterior; no obstant, només és vàlit per a apilamientos inferiors a 25 mm (en làmines de titani) o 5 mm (en làmines d'acer).

Recanteado o retallat

En esta operació es conseguix obtindre la configuració geomètrica final per mig de l'eliminació per tall dels excessos de material. L'acabament superficial en esta operació és determinant per a reduir o eliminar les operacions posteriors. Una operació que es pot englobar en el recanteado és el rebabado. L'operació de rebabado acusa especialment l'orientació de les fibres en el laminado sobre la força de cort necessària.

Mecanisat de superfícies: planejat

El mecanisat de superfícies és una operació característica de l'indústria aeronàutica. En els últims anys s'han trobat solucions noves en les peces de fibra de carbono.

Ferramentes

Els tipos de ferramentes utilisades per al mecanisat de PMC són:

1. Ferramentes d'acer ràpit (HSS)
2. Ferramentes de metal dur (Widia)
3. Ferramentes de carbur o nitrur (carbur de silici)
4. Ferramentes diamantadas (PCD)

PCD (diamant policristalino) és un compost de partícules de diamant sinterizadas junt en un aglutinant metàlic. Este tipo de ferramentes són les més resistents a l'abrasió.

Mecanisats especials

A banda de les operacions clàssiques existixen atres procediments més nous per a mecanisar materials composts.

Mecanisat per proyecció de chorrada d'aigua i chorrada d'aigua abrasivo

El principi del mecanisat per chorrada d'aigua consistix en la proyecció d'un fluix d'aigua a una pressió superior als 410 MPa que es fa passar a través d'un orifici, el diàmetro del qual oscila entre 0.8 mm i 7.6 mm, per a formar la chorrada a pressió que produïx el tall del material.

Ademés en el método de tall per proyecció de chorrada d'aigua abrasivo s'inclou en el decorregut un material abrasivo que és introduït al fluix d'aigua a través d'una cambra de mescla, i des d'allí es passa a la filtre a on és accelerat i proyectat junt en el decorregut sobre el material a tallar. El tamany de l'abrasivo condicionarà l'acabament final de la peça.

Este procés presenta aspectes tant positius com a negatius:

Ventages

• Ya que el decorregut de cort és aigua no es produïx calfament en la zona mecanisada.
• El nivell de fum i de partícules de pols, que són habituals dels processos de mecanisat clàssics, i que són perjudicials per a la salut dels operaris, és reduït.
• Les forces tangencials que apareixen són menudes, per lo que no és necessari un tipo d'utillage especial per a l'amarre de la peça.
• Bon acabament superficial que evita el recanteado per a l'eliminació de rebabas.
• Eliminació dels temps de canvi de ferramenta.

Desventages

• Els nivells de soroll que es generen són importants.
• Requerix d'un mecanisme que filtre l'aigua i l'acondicione per a reduir el desgast de l'equip.
• Una pressió incorrecta pot produir zones delaminadas en les afores de la zona de cort.

Mecanisat per làser

El mecanisat per làser per a materials composts de matriu polimèrica consistix en un sistema de tall d'alta energia a on en cap moment s'establix contacte entre el mecanisme i la peça, per lo que no es generen forces de tall i el sistema d'amarre del material pot ser senzill. Este tipo de mecanisat permet tallar una àmplia gama de materials composts, resultant especialment eficaç per a realisar formes de cort complexes.

L'equip de rajos làser concentra tota l'energia en un punt per mig d'un sistema de lents. Açò fa que disminuïxca el diàmetro del fes, lo que permet conseguir mecanisats d'una elevada precisió (llongituts de cort inferiors a 0,1 mm).

El tall per mig de làser s'acompanya usualment d'un fluix de gas que elimina el material sobrer i protegix les lents focalizadoras. El gas amprat per a mecanisar materials composts és aire, ya que no existix risc d'oxidació com succeïx en els metals, a on se solen amprar gasos inertes com el argón.

Mecanisat per ultrasons

El sistema de mecanisat per ultrasons es basa en l'us d'una cuchilla que vibra a freqüències ultrasòniques (al voltant de 20000 Hz), podent alcançar-se velocitats de tall de fins a 1000 mm/s.

L'equip amprat per a la mecanisació per ultrasons consta dels següents components principals:

• El generador elèctric: encarregat de generar la corrent elèctrica.
• El transductor electromecànic: dispositiu que convertix els impulsos elèctrics en impulsos mecànics.
• L'amplificador: encarregat d'amplificar les vibracions.
• El sonotrodo: s'encarrega d'amplificar i transmetre les vibracions, i ademés actua com a pivot mantenint la rigidea del conjunt en la ferramenta de treball.
• La ferramenta de cort: encarregada de realisar el mecanisat de la peça.
• El tanc de mescla: proporciona una mescla d'aigua i pols abrasivo en la zona de cort que refrigera el sonotrodo i elimina les partícules i residus procedents del mecanisat.

Les mínimes tolerància de tall obtingudes en este sistema són de +/- 0.0125 mm, i les profunditats màximes de cort són de 25 mm per a laminados de fibra de carbono, vidre i aramida.

Mecanisat per purna electroquímica

El mecanisat per purna electroquímica és un procés anàlec a l'electroerosión, pero que permet mecanisar materials que no siguen de caràcter metàlic, per lo que és especialment útil per a laminados de materials composts.

El procés té lloc en un tanc ple en un electrolito que pot ser una solució acuosa de NaCl o NaOH. Tenim un ànodo i un càtodo. El càtodo serà la ferramenta de mecanisat, i podrà ser de dos tipos: un electrodo de forma, o un electrodo de fil.

En aplicar una corrent elèctrica es produïxen purnes en la superfície del càtodo que portaran a terme el procés de mecanisat aproximant la peça a dita ferramenta, i mantenint-la a una distància fixa de l'ànodo (50 mm). El mantindre les distàncies correctes entre l'ànodo i el càtodo, i entre la peça i la ferramenta (càtodo) és fonamental per a que el procés resulte exitós.

A mida que s'aumenta el voltage es genera major energia de descàrrega, major velocitat de formació de purnes i per tant major ràtio de desbaste.

Electrodo de forma

L'electrodo de forma s'utilisa per a realisar una cavitat o un forat pasante en el material. L'electrodo o troquel tindrà la forma de la cavitat a realisar, i per mig d'un moviment relatiu vertical entre la peça i la ferramenta es produirà el mecanisat.

Electrodo de fil

L'electrodo per fil es basa en la mateixa idea que l'anterior, pero en la diferència de que ara és un fil el que realisa el tall, podent descriure trayectòries complexes. La calitat, el material i el diàmetro del fil, en conjunció en el voltage i el amperaje aplicat, són factors que influïxen directament sobre la velocitat en que es pot mecanisar la peça. La tensió del fil és un atre factor d'importància dins d'este procés per a produir un tall efectiu; d'esta manera una tensió baixa produirà un mal acabament en la peça, mentres que una sobretensión pot produir el trencament del fil en un moment indeseado.

Vore també

• Mecanisat
• Procés de fabricació
• Materials composts
• Fabricació de materials composts