Mecanizado económico de materiales ligeros modernos

El desarrollo de nuevos aviones sigue estando marcado por el peso y la eficiencia energética. Pero también se encuentra un uso creciente de materiales ligeros en el sector del automóvil. Igualmente, se han impuesto en la obtención de energías alternativas mediante parques eólicos y se incorporan incluso en la construcción de máquinas, en robots industriales o en el sector de bienes de consumo para reducir el peso de las masas en movimiento.

El uso de tecnologías de mecanizado eficientes y seguras es el requisito indispensable para extender la utilización de productos de construcción ligera hechos con compuestos de fibras. Esto no es posible con los procedimientos de fabricación conocidos y, sobre todo, con las herramientas conocidas, ya que se debe tener en cuenta el comportamiento específico ante el mecanizado de los materiales ligeros. Se debe evitar tanto la protrusión de fibras como el arranque de fibras del compuesto. La delaminación entre las diferentes capas de fibras también es un criterio definitivo para la pieza de trabajo y, por tanto, para el plan de herramientas utilizado.

Además, las temperaturas demasiado altas de mecanizado provocan que las resinas sintéticas o los plásticos utilizados en la pieza de trabajo experimenten un deterioro irreparable. Dado que la mayoría de las veces se trabaja en seco, la geometría de corte de la herramienta es especialmente importante, por lo que su correcta interpretación requiere de conocimientos especiales y de una buena comprensión del proceso. Los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) representan sin duda un desafío especial, ya que provocan un desgaste extremo del filo. Los más diversos procesos de fabricación, las diferentes capas de fibras, las secciones transversales variables de las fibras y los contenidos en resina conllevan exigencias específicas que se deben tratar con diseños adaptados de herramientas.

Mapal ha desarrollado soluciones de herramientas que cumplen con esas exigencias específicas, especialmente para el sector de los plásticos reforzados con fibras. El programa incluye productos estándar en metal duro y macizo, tanto sin revestimiento como con revestimiento de diamante, así como herramientas equipadas con diamante policristalino. Su cartera de productos se completa con soluciones concretas especialmente adaptadas al plan de mecanizado que incluyen el portaherramientas adecuado.

En el fresado de componentes de construcción ligera es especialmente importante la limpieza de los bordes de corte. No se puede aceptar que sobresalgan fibras. Mapal ha desarrollado herramientas de fresado para esta aplicación que facilitan el mecanizado en un sólo corte y que suponen un evidente ahorro de tiempo. Esta ventaja queda especialmente de manifiesto en series grandes o en componentes muy grandes. Con este programa de fresas también se pueden mecanizar excelentemente materiales plásticos reforzados con fibra de vidrio (GFRP) de los más diferentes moldeados.

En el desarrollo de las brocas especiales de composite Mapal para materiales CFRP se tuvieron en cuenta las diferentes estructuras de CFRP. Así, se habla de los denominados materiales CFRP unidireccionales o multidireccionales. La geometría de la broca varía dependiendo de la estructura. Las capas unidireccionales de fibras en la salida de la perforación dificultan la realización de perforaciones sin fibras sobresaliendo o quebradas (delaminación) en la superficie de salida que rodea la perforación. Las paredes muy brillantes de las perforaciones o que presenten un aspecto resplandeciente indican una fusión de la resina y, por tanto, temperaturas de proceso demasiado altas. La óptima combinación entre la geometría de la punta, la fase de rectificado cilíndrico y la configuración de los canales de virutas dan como resultado una broca que excluye estas posibilidades de error en la pieza de trabajo.

Incrementado por el uso de CFRP en el montaje moderno de estructuras y revestimientos, en la nueva generación de aviones se utiliza titanio para la descarga y distribución de las fuerzas. En el fuselaje, estas son las zonas de las puertas y portones y, en las alas, las zonas de asiento para las cargas de los motores, del tren y de los alerones de aterrizaje. Las especificaciones geométricas de las perforaciones en estos componentes estructurales de CFRP/titanio/aluminio sometidos a grandes cargas son muy limitadas y frecuentemente se deben alcanzar en una sola fase de trabajo con un alto nivel de seguridad durante el proceso.

En el centro de I+D de Mapal se desarrollaron y ensayaron brocas especiales teniendo en consideración los procesos de mecanizado. El resultado son herramientas que, en las más distintas máquinas como unidades taladradoras de avance, robots y centros de mecanizado, pueden realizar perforaciones en los denominados 'stacks' en una sola fase de trabajo (‘oneshot’) en calidad H8. Las herramientas trabajan en el titanio generando poco calor en el proceso y produciendo virutas cortas e impiden así el deterioro de los materiales contiguos compuestos de fibras.

A la hora de elegir la geometría correcta de la broca, tiene una importancia decisiva la composición de los stacks y la dirección de mecanizado. Dependiendo de la estructura de las capas de material y del diámetro de la perforación a realizar o de las tolerancias de perforación, son especialmente adecuadas las brocas revestidas como herramientas de metal duro y macizo o con sistema de cabezales intercambiables. En general, el sistema TTD de cabezales intercambiables está disponible a partir de un diámetro de 12 milímetros.

Para los procesos en dos fases de perforado y posterior escariado de una perforación, se han desarrollado también soluciones de herramientas. En el caso de componentes que sean extremadamente caros, la seguridad del mecanizado pasa al primer plano y se aplica la estrategia ‘fail save’ (a prueba de fallos). Los escariadores Mapal multifilo (HPR) con filos de diamante policristalino trabajan en todos los materiales con absoluta seguridad de proceso y alta longevidad. Con ellas se alcanzan sin esfuerzo tolerancias IT7 en los más distintos materiales, ya sea CFRP, aluminio o titanio.

El diseño estructural de las zonas de conexión entre la pala del rotor y el cubo es una de las misiones más exigentes en el desarrollo de palas de rotores para instalaciones eólicas. Los ensamblajes atornillados que unen la pala del rotor por encima del cojinete con el cubo del rotor están expuestos a extremadas cargas dinámicas. Para disminuir el peso de la pala del rotor y reducir los costes de fabricación, los fabricantes suelen apostar por las denominadas conexiones de perno transversal. Para mecanizar económicamente las operaciones de perforado, fresado y cortado necesarias para ese procedimiento de unión en la conexión de la pala de CFRP, Mapal ha desarrollado innovadores sistemas de herramientas que además están optimizados para reducir la formación de polvo y virutas.

En primer lugar se corta la resina sobresaliente de la zona marginal de la raíz de la pala del rotor. La fresa de disco utilizada, de diámetro = 400 milímetros y con 20 kilos de metal duro recubiertos con 20 diamantes, permite reducir los tiempos de mecanizado. El cuerpo pulido reduce la formación de calor durante el mecanizado. Así no se produce ningún corte de sierra, como ocurría en el mecanizado tradicional con hojas de sierra de diamante o con muelas tronzadoras, y resulta superfluo cualquier tipo de rectificado. Sin embargo, después del corte se suele dar un acabado a la superficie de conexión al cubo del rotor con una fresa para planear equipada con diamantes policristalinos para conseguir una mejor calidad superficial.

El mecanizado de las perforaciones longitudinales y transversales para los pernos de sujeción se realiza con una broca sacamuestras con filos cubiertos de diamante. Estos tienen una gran longevidad e impiden además la delaminación en la salida de la perforación. Gracias al pequeño volumen de virutas, incluso en grandes diámetros de mecanizado, la formación de polvo y virutas se reduce considerablemente en comparación con una broca maciza. Para las perforaciones de enclavamiento para la alineación del ala, en la máquina de mecanizado viene una taladradora TTD de cabezales intercambiables cuya geometría se optimizó para las exigencias del mecanizado de GFRP. El acabado como sistema de cabezales intercambiables hace especialmente económico el mecanizado de diámetros de 32 milímetros.