Mecanitzat de fibra de carboni: l'experiència ho és tot

Al principi, en la indústria dels materials composts, era normal veure el mecanitzat de productes de fibra de carboni i de vidre amb màquines lentes i sobredimensionades, dissenyades específicament per als components metàl·lics. Com aquest tipus de màquines s'havien dissenyat per treballar uns materials totalment diferents als materials composts, aviat es van crear empreses especialitzades per oferir solucions a mesura dels requisits que havien de complir aquest nou tipus de materials a mecanitzar, maquines ràpides i lleugeres per al mecanitzat de materials tous i lleugers. CMS Industries d'Itàlia, marca representada a Espanya per Maquinària Internacional, ha estat subministrant màquines per cobrir aquest mercat des de 1969.

Per la seva pròpia naturalesa, les màquines dissenyades específicament per al fresat de materials compostos necessiten ser més versàtils que les màquines per a peces metàl·liques, amb alta capacitat d'arrencada a alta velocitat. Lola, per exemple, ha realitzat una gran inversió en 2 fresadores CMS models Llauris —un 36-26 PX5 i un 48-18— per realitzar peces d'alta precisió per al seu departament d'automobilisme de competició motorsports, també per a fabricació de peces de grans estructures navals, pales per a aerogeneradors, i les seccions del fuselatge pel Watchkeeper i els programes UAV Mantis. Totes les màquines CMS estan situades a les seves tres sales netes i el guarit es realitza en una de les cinc autoclaus i en dos forns de guarit.

Les eines de tall emprades en Lola són regularment utilitzades per al mecanitzat de peces de fibra de carboni, resines, nius d'abella, panells sándwich, etc… amb tot tipus de grossors i característiques tècniques, que provenen de diferents processos de guarit i que tenen grans diferències quant a propietats de resistència i rigidesa.

Lola també utilitza eines de cort específiques per realitzar el tall dels blocs epoxy per als patrons, models i motlles on hi ha poc marge per a l'error.

A causa de la naturalesa complexa de moltes de les peces fabricades per Lola, la major part de les peces són úniques i han de ser fabricades bé a la primera. Per això es recolzen en la tecnologia que proporcionen les màquines CMS, la qualitat és de vital importància. De mitjana pot haver-hi al voltant de 3.000-4.000 lliures esterlines (3.500-4.500 euros, aproximadament) per valor en fibra de carboni en una matèria primera, així que, a part del que els requisits dels útils puguin fer, les màquines han de comportar-se de manera fiable, segura i precisa.

Amb això en ment, les consideracions fonamentals que defineixen el disseny del procés de mecanitzat dels materials composts són: la velocitat (tant en els eixos X-I-Z com en el capçal), l'utillatge de fixació i l'eina i l'aspiració de pols.

Toni Nagiel, director general de CMS UK, descriu la diferència de fresat entre el metall i el compost com “la diferència entre un camió i un cotxe esportiu”. Per exemple, a causa de la diferència de rigidesa i el reduït pes de la fibra de vidre i materials composts en comparació dels materials metàl·lics, les velocitats del capçal tendeixen a ser molt majors, amb les màquines CMS normalment operen en un rang proper a les 24.000 rpm per treballar materials compostos.

Com a conseqüència, per aconseguir els requeriments productius dels clients i com els materials a mecanitzar són molt menys rígids que l'acer, les màquines es construeixen més lleugeres i més ràpides. Aquest ‘lleugeresa’ ens permet que les guies accelerin molt més ràpid, minimitzant els temps morts i maximitzant els temps de tall i la productivitat.

L'alta velocitat de tall emprat, i el fet que la majoria dels components es tallen en sec signifiquen que la generació de calor és un factor igualment important en el mecanitzat de composite. Les temperatures superiors a 180 °C, per exemple, poden afectar a algunes resines i de manera similar, els punts calents del tall poden afectar substancialment a la vida de l'eina. La propagació de la calor també pot variar depenent la densitat de les capes, amb materials més compactes poden ser més tolerants. Per evitar aquests problemes en les peces de composite, les màquines de CMS porten incorporat un sistema de bufat d'aire frio sobre l'eina.

L'utillatge, en el seu conjunt, tendeix a ser un assumpte simple, però de nou depèn en gran mesura del lay-out de la peça i l'espessor dels materials. Les parts fines com per exemple, els reposapeus interiors de l'avió produïts en Lola, són molt propensos a la vibració, la qual cosa compromet la tolerància i la vida de la fulla. Igual que amb qualsevol component, hi ha una gran varietat de mètodes de subjecció disponibles, no obstant això, donada la lleugeresa típica dels productes composts, la màquina també disposa d'un sistema amarri per buit. Per contra, una de les parts més complexes que Lola produeix és el monocasco per al gran premi de li Mans (LMP), vuit dels quals van competir en la carrera d'aquest any de 24 hores.

En segon lloc segons la seva complexitat, estan els cotxes de F1, en completar els cotxes LMP pot passar qualsevol cosa entre 300-400 hores en el desenvolupament en el túnel del vent, en venda per 900.000 - 1 milió de lliures esterlines cadascun i fa que la ferralla tingui un cost elevat. No obstant això, amb el material i les estructures generals que són inherentment rígides, només requereixen els accessoris bàsics.

Donada la flexibilitat dels 5 eixos previst per CMS, la majoria de les peces produïdes per Lola es poden completar amb un sol amarri. No obstant això, si això no es pot aconseguir, la fixació és una consideració addicional per al fresat de peces grans i complexes, tals com monocasco LMP de fibra de carboni. Una gran quantitat de material a l'excés es retalla de la part inicial, inclòs el parabrisa, els buits de les portes i una gran varietat de forats, punts de suspensió i insercions, però l'àrea més difícil és el de l'ompliment de combustible, que ha de ser estrictament paral·lela a banda i banda del cotxe. El problema radica en el fet que l'estructura de fibra de carboni és propensa a una certa deformació després del modelo, així que quan es tracta de la segona configuració, el component no coincideix exactament amb el model CAD. Com a resultat, cadascun dels vorells al voltant d'aquesta àrea haurà de ser acuradament investigats i introduïts al programa de compensació de qualsevol gir o deformació que pogués ocórrer. Algunes peces de la suspensió també es mecanitzen en relació amb la línia central per garantir que no es veuen afectats pel gir o deformació.

L'últim problema important que s'ha d'abordar és el de la pols ja que es produeix en les operacions de fresat i aquest punt s'ha de tenir en compte a l'hora de construir la màquina. Aquest problema important, no és nou per CMS i amb els anys d'experiència obtinguts amb els més de 100 clients del sector de composites, les màquines inclouen guies de lliscament que utilitzen un doble sistema de tancament, que es troba sobre la peça de treball per reduir al mínim la quantitat de contacte. De la mateixa manera que l'eix requereix un sistema de tancament per assegurar que els rodaments estan plenament protegits. Diversos sistemes de buit també poden ser proporcionats, ja sigui una opció d'alt volum d'extracció de tota la màquina o una opció d'alta aspiració en el capçal prop de l'eina, que és on s'origina la major part de la pols.

Molts anys d'experiència en el sector han permès a CMS anar més enllà dels problemes associats amb el fresat de materials composts, a pesar que els nous tipus i graus de materials sempre requereixen una acurada consideració quant a avanços i velocitats. Empreses com Lola han dipositat la seva confiança en CMS i tots dos es dirigeixen a desenvolupar processos de fresat més eficients i precisos, per assegurar que els seus productes segueixen sent competitius en preu i qualitat, en un mercat cada vegada més competitiu.