Mecanizado de fibra de carbono: la experiencia lo es todo

Al principio, en la industria de los materiales compuestos, era normal ver el mecanizado de productos de fibra de carbono y de vidrio con máquinas lentas y sobredimensionadas, diseñadas específicamente para los componentes metálicos. Como este tipo de máquinas se habían diseñado para trabajar unos materiales totalmente diferentes a los materiales compuestos, pronto se crearon empresas especializadas para ofrecer soluciones a medida de los requisitos que debían cumplir este nuevo tipo de materiales a mecanizar, maquinas rápidas y ligeras para el mecanizado de materiales blandos y ligeros. CMS Industries de Italia, marca representada en España por Maquinaria Internacional, ha estado suministrando máquinas para cubrir este mercado desde 1969.

Por su propia naturaleza, las máquinas diseñadas específicamente para el fresado de materiales compuestos necesitan ser más versátiles que las máquinas para piezas metálicas, con alta capacidad de arranque a alta velocidad. Lola, por ejemplo, ha realizado una gran inversión en 2 fresadoras CMS modelos Ares —un 36-26 PX5 y un 48-18— para realizar piezas de alta precisión para su departamento de automovilismo de competición motorsports, también para fabricación de piezas de grandes estructuras navales, palas para aerogeneradores, y las secciones del fuselaje para el Watchkeeper y los programas UAV Mantis. Todas las máquinas CMS están situadas en sus tres salas limpias y el curado se realiza en una de las cinco autoclaves y en dos hornos de curado.

Las herramientas de corte empleadas en Lola son regularmente utilizadas para el mecanizado de piezas de fibra de carbono, resinas, nidos de abeja, paneles sándwich, etc… con todo tipo de grosores y características técnicas, que provienen de diferentes procesos de curado y que tienen grandes diferencias en cuanto a propiedades de resistencia y rigidez.

Lola también utiliza herramientas de corte específicas para realizar el corte de los bloques epoxy para los patrones, modelos y moldes donde hay poco margen para el error.

Debido a la naturaleza compleja de muchas de las piezas fabricadas por Lola, la mayor parte de las piezas son únicas y tienen que ser fabricadas bien a la primera. Por ello se apoyan en la tecnología que proporcionan las máquinas CMS, la calidad es de vital importancia. De media puede haber alrededor de 3.000-4.000 libras esterlinas (3.500-4.500 euros, aproximadamente) por valor en fibra de carbono en una materia prima, así que, aparte de lo que los requisitos de los útiles puedan hacer, las máquinas tienen que comportarse de manera fiable, segura y precisa.

Con esto en mente, las consideraciones fundamentales que definen el diseño del proceso de mecanizado de los materiales compuestos son: la velocidad (tanto en los ejes X-Y-Z como en el cabezal), el utillaje de fijación y la herramienta y la aspiración de polvo.

Toni Nagiel, director general de CMS UK, describe la diferencia de fresado entre el metal y el compuesto como “la diferencia entre un camión y un coche deportivo”. Por ejemplo, debido a la diferencia de rigidez y el reducido peso de la fibra de vidrio y materiales compuestos en comparación con los materiales metálicos, las velocidades del cabezal tienden a ser mucho mayores, con las máquinas CMS normalmente operan en un rango cercano a las 24.000 rpm para trabajar materiales compuestos.

Como consecuencia, para alcanzar los requerimientos productivos de los clientes y como los materiales a mecanizar son mucho menos rígidos que el acero, las máquinas se construyen más ligeras y más rápidas. Este ‘ligereza’ nos permite que las guías aceleren mucho más rápido, minimizando los tiempos muertos y maximizando los tiempos de corte y la productividad.

La alta velocidad de corte empleado, y el hecho de que la mayoría de los componentes se cortan en seco significan que la generación de calor es un factor igualmente importante en el mecanizado de composite. Las temperaturas superiores a 180 °C, por ejemplo, pueden afectar a algunas resinas y de manera similar, los puntos calientes del corte pueden afectar sustancialmente a la vida de la herramienta. La propagación del calor también puede variar dependiendo la densidad de las capas, con materiales más compactos pueden ser más tolerantes. Para evitar estos problemas en las piezas de composite, las máquinas de CMS llevan incorporado un sistema de soplado de aire frio sobre la herramienta.

El utillaje, en su conjunto, tiende a ser un asunto simple, pero de nuevo depende en gran medida del lay-out de la pieza y el espesor de los materiales. Las partes finas como por ejemplo, los reposapiés interiores del avión producidos en Lola, son muy propensos a la vibración, lo que compromete la tolerancia y la vida de la cuchilla. Al igual que con cualquier componente, hay una gran variedad de métodos de sujeción disponibles, sin embargo, dada la ligereza típica de los productos compuestos, la máquina también dispone de un sistema amarre por vacío. Por el contrario, una de las partes más complejas que Lola produce es el monocasco para el gran premio de Le Mans (LMP), ocho de los cuales compitieron en la carrera de este año de 24 horas.

En segundo lugar según su complejidad, están los coches de F1, al completar los coches LMP puede pasar cualquier cosa entre 300-400 horas en el desarrollo en el túnel del viento, en venta por 900.000 - 1 millón de libras esterlinas cada uno y hace que la chatarra tenga un costo elevado. Sin embargo, con el material y las estructuras generales que son inherentemente rígidas, sólo requieren los accesorios básicos.

Dada la flexibilidad de los 5 ejes previsto por CMS, la mayoría de las piezas producidas por Lola se pueden completar con un solo amarre. Sin embargo, si esto no se puede lograr, la fijación es una consideración adicional para el fresado de piezas grandes y complejas, tales como monocasco LMP de fibra de carbono. Una gran cantidad de material en exceso se recorta de la parte inicial, incluido el parabrisas, los huecos de las puertas y una gran variedad de agujeros, puntos de suspensión e inserciones, pero el área más difícil es el del llenado de combustible, que debe ser estrictamente paralela a ambos lados del coche. El problema radica en el hecho de que la estructura de fibra de carbono es propensa a una cierta deformación después del moldeo, así que cuando se trata de la segunda configuración, el componente no coincide exactamente con el modelo CAD. Como resultado, cada uno de los rebordes alrededor de esta área deberá ser cuidadosamente investigados e introducidos en el programa de compensación de cualquier giro o deformación que pudiera ocurrir. Algunas piezas de la suspensión también se mecanizan en relación con la línea central para garantizar que no se ven afectados por el giro o deformación.

El último problema importante que se debe abordar es el del polvo ya que se produce en las operaciones de fresado y este punto se debe tener en cuenta a la hora de construir la máquina. Este problema importante, no es nuevo para CMS y con los años de experiencia obtenidos con los más de 100 clientes del sector de composites, las máquinas incluyen guías de deslizamiento que utilizan un doble sistema de cierre, que se encuentra sobre la pieza de trabajo para reducir al mínimo la cantidad de contacto. Del mismo modo que el eje requiere un sistema de cierre para asegurar que los rodamientos están plenamente protegidos. Varios sistemas de vacío también pueden ser proporcionados, ya sea una opción de alto volumen de extracción de toda la máquina o una opción de alta aspiración en el cabezal cerca de la herramienta, que es donde se origina la mayor parte del polvo.

Muchos años de experiencia en el sector han permitido a CMS ir más allá de los problemas asociados con el fresado de materiales compuestos, a pesar de que los nuevos tipos y grados de materiales siempre requieren una cuidadosa consideración en cuanto a avances y velocidades. Empresas como Lola han depositado su confianza en CMS y ambos se dirigen a desarrollar procesos de fresado más eficientes y precisos, para asegurar que sus productos siguen siendo competitivos en precio y calidad, en un mercado cada vez más competitivo.