Nuevos desarrollos en el taladrado de agujeros en composites

El uso de plásticos de fibra de carbono reforzados (carbon fibre reinforced plastics, CFRP) sigue en aumento, no sólo en el sector aeroespacial sino también en otros sectores, principalmente en el automovilístico y en el de defensa. Se necesita una gran cantidad de agujeros guía, y la seguridad del producto significa que la calidad se ha convertido en una cuestión de competitividad. Sin embargo, el taladrado de CFRP puede producir diferentes defectos específicos del material, como exfoliación y astillamiento. Además, cuando la misma herramienta de corte tiene que taladrar atravesando paquetes metálicos como el aluminio o el titanio, la necesidad de soluciones dedicadas para la aplicación se hace incluso más importante porque la herramienta tiene que enfrentarse a problemas completamente diferentes, a menudo de difícil mecanizado, de formación y evacuación de virutas.

La cantidad de mecanizado que se necesita en componentes de CFRP y de CFRP en paquetes metálicos es generalmente menor que en componentes convencionales de metal pero, debido a las propiedades del material, pueden ser más difíciles de mecanizar hasta especificaciones críticas. El taladrado de CFRP conlleva fracturar la parte de fibra del material pero, para obtener cortes limpios, se necesita un enfoque diferente en cuestión de herramientas y métodos. Al ser malos conductores del calor y no producir virutas, el calor que se genera cuando se mecanizan los composites se convierte en un problema ya que, a altas temperaturas, existe un riesgo con la parte de resina del material. Los composites son, por tanto, mejores indicadores de las debilidades del proceso de mecanizado que los metales. Su amplia variación de propiedades, su imprevisibilidad y su cada vez mayor importancia como material para componentes hace que se necesite una mejora continua para mantener un proceso de mecanizado competitivo.

Planificar la producción significa establecer una detallada descripción de la aplicación para que pueda convertirse en un proceso de mecanizado con éxito. La información necesaria debe incluir: el número de agujeros que es necesario taladrar; el tamaño, profundidad y tolerancia de los agujeros; el equipo de fabricación o tipo de máquina que se utiliza; la estabilidad de la configuración; y las propiedades del material. También es de vital importancia reunir cualquier experiencia documentada del mecanizado de materiales similares, y hacerse con la ayuda de un proveedor de herramientas con experiencia y con buenos productos.

Una herramienta de corte que se especifique y se aplique de forma correcta es la clave para conseguir agujeros satisfactorios. Esto también minimizará la contaminación por polvo al mecanizar componentes de CFRP y de CFRP en paquetes metálicos. Los indicadores de calidad tradicionales en el taladrado de metales escasean en el taladrado de composites. No hay virutas y el acabado superficial convencional no es, generalmente, un indicador fiable. La calidad del agujero se basa normalmente en el grado de cualquier tipo de separación que se produzca en la capa inferior del material (exfoliación), así como en cualquier fibra residual o deshilachada del agujero (astillamiento). Sin embargo, estos problemas no se pueden detectar directamente y también resultan un reto junto con garantizar la acción de corte correcta de la herramienta. Para aumentar la dificultad, la calidad del agujero generalmente se empieza a deteriorar antes de que la herramienta muestre signos de desgaste.

Los materiales de CFRP son abrasivos cuando se mecanizan debido a la dureza de las fibras. Cuando se encuentran pegadas con resinas, que son más débiles, existe la tendencia a que las fibras se salgan, se generen imperfecciones elásticas o se produzcan fracturas entre las capas. Esto hace que la entrada, la salida y las paredes del agujero tengan tendencia a dañarse y a quedar fuera de los límites de calidad exigidos. También, cuando se encuentra en paquetes metálicos como titanio o aluminio, la herramienta debe tener una capacidad de penetración correcta y lo suficientemente amplia.

La introducción de un nuevo CFRP en producción necesita un enfoque nuevo y, al establecer las propiedades del material de la pieza de trabajo, es necesario contar con pruebas para poder aplicar la mejor herramienta y los mejores datos de corte basándose en las recomendaciones proporcionadas por el proveedor de herramientas. Estos no son materiales homogéneos y su gama de mecanizado es mayor que la de otros metales. Es necesario primero identificar al CFRP en cuestión, en función de su superficie, estructura, fibras, resinas y grosor (profundidad del agujero). Cuando se encuentra en paquetes metálicos, el tipo de metal y el grosor son factores importantes.

La capacidad y estabilidad del equipo, la máquina y la configuración también influyen en la elección de la herramienta de corte. En general, estas son automáticas, de avance automático o manuales en forma de máquinas CNC, robot, máquina de avance automático portátil o manual utilizada por un operario. Además, las exigencias de las operaciones y la experiencia del operario pueden variar hasta el punto de que se hace necesario compensar esas variaciones con la selección de la herramienta.

El número de agujeros necesarios se ve, a menudo, como un factor de coste de la herramienta. La elección de herramienta para el taladrado de un elevado número de agujeros en un tipo de CFRP debe hacerse eficiente con una herramienta optimizada y, con frecuencia, cara. Por otra parte, un menor número de agujeros, combinado con la capacidad para enfrentarse a los diferentes tipos de CFRP, componentes y configuraciones lleva a una elección diferente de herramienta versátil.

Las principales soluciones de herramientas en la actualidad están basadas en conceptos de brocas de metal duro recubiertas de diamante y tipo ‘vein’, con variantes estándar, semiestándar o personalizadas.

El más duro de los materiales para herramientas es el diamante policristalino (PCD) y, por tanto, el más resistente al desgaste. Como tal, es perfecto para utilizarlo con materiales CFRP y también para el mecanizado de materiales en paquetes metálicos. En la actualidad, cuando los niveles de calidad y de coherencia se hacen más y más exigentes y las demandas de productividad siguen aumentando, una broca con metal duro como material principal y un filo de PCD es una herramienta idónea para el taladrado de agujeros en composites.

La herramienta de metal duro se puede reforzar con variaciones en su geometría, así como a través del mango de la broca, con lo que se consigue la mejor acción de corte y se maximizan al mismo tiempo la incidencia y la evacuación de virutas. Las brocas basadas en metal duro son especialmente adecuadas para muchas operaciones inestables, cuando se utilizan herramientas manuales y el empuje de los operarios puede ser desigual, o cuando existen variaciones de incidencia entre la broca y el casquillo guía. También son idóneas para muchas operaciones de avance automático y en máquinas que realizan pasadas únicas en materiales en paquetes. El mejor resultado se consigue cuando se combinan los dos materiales de herramienta en una única herramienta para hacer uso del hecho de que el metal duro y el PCD tienen diferentes ventajas y limitaciones: el metal duro es muy resistente pero se desgasta rápidamente en contacto con materiales abrasivos, mientras que el PCD es muy resistente al desgaste pero frágil.

Las brocas estándar, semiestándar o personalizadas con recubrimiento de PCD están disponibles en diferentes geometrías y calidades para diferentes materiales y condiciones de mecanizado. Estas herramientas también se han desarrollado para el taladrado de agujeros de forma óptima en materiales CFRP que van desde los ricos en fibras a los ricos en resinas, así como también para materiales en paquetes.

La selección de una geometría y calidad debe hacerse de acuerdo con el carácter del CFRP en cuestión. Dos brocas estándar de Sandvik Coromant ofrecen la opción de optimizar operaciones en máquinas y configuraciones de avance automático. La primera, CoroDrill 854, es mejor para materiales compuestos por fibra, con capacidad adicional para minimizar las tendencias al astillamiento en el taladrado de agujeros. Cuenta con puntas en la periferia de la broca para cortar las fibras y evitar el astillamiento, y también es buena para CFRP en paquetes metálicos de aluminio.

El segundo tipo de broca estándar, CoroDrill 856, se especializa en el taladrado de agujeros en materiales CFRP ricos en resina. Cuenta con una geometría de corte de doble ángulo que le proporciona la capacidad de realizar una entrada y una salida suave, con lo que se minimiza la exfoliación. Se puede conseguir una dedicación mayor a través de las opciones Tailor Made de Sandvik Coromant. Para una broca de uso general en materiales CFRP y en paquetes de aluminio, se recomiendan soluciones semiestándar. La versatilidad que se alcanza con una opción semiestándar para materiales principalmente compuestos por fibras resulta ser, a menudo, la solución mejor y más versátil para numerosas aplicaciones.

Las calidades modernas de PCD para las variaciones de geometrías proporcionan resistencia a las diferentes alternativas de brocas para mantener una larga vida de la herramienta, conseguir tolerancias estrechas y reducir los tiempos de mecanizado. Un recubrimiento tipo diamante es una alternativa en brocas de metal duro para disponer de una herramienta versátil y de bajo coste que pueda ser rectificada.

Otro tipo de broca nueva para materiales CFRP y en paquetes se basa en la tecnología tipo ‘vein’. Esta tecnología integra el filo de PCD en el cuerpo de metal duro de la broca. Es un método avanzado basado en un proceso patentado desarrollado durante las dos últimas décadas y hace el mejor uso del filo de PCD, duro y resistente al desgaste, en un mango más robusto de metal duro. El filo de PCD se hace parte de la broca a una distancia suficiente de la punta de corte para permitir la aplicación de una junta soldada de alta resistencia. La geometría de la herramienta está rectificada y deja el filo protegido en cierto modo por la parte de metal duro de la broca.

La tecnología tipo ‘vein’ permite una gran variación de geometrías de herramienta que no era posible conseguir con el proceso convencional de brocas de PCD. Esta tecnología también permite la gestión de configuraciones menos rígidas a través de aplicaciones que son estables y que requieren el taladrado de un gran número de agujeros de precisión idénticos.

La broca de PCD tipo ‘vein’ se personaliza generalmente para una solución que forme parte de una configuración automática que optimice el rendimiento y la coherencia en la calidad de los agujeros en el taladrado de materiales CFRP. Parte de su filo exclusivo puede incluir esquinas de herramienta reforzadas para conseguir velocidades de corte más elevadas, junto con la capacidad de mantener límites ajustados de entrada y salida.

Estas brocas también se pueden personalizar para materiales CFRP en paquetes metálicos. Pueden venir con microrrectificados destinados a hacer frente a áreas concentradas de elevado esfuerzo. Esto da a la broca aún mayor capacidad para permanecer afilada y precisa a lo largo de toda la vida de la herramienta. El filo de la broca corta las fibras de los materiales CFRP a bajo empuje, lo que da como resultado una mínima rotura de fibras, exfoliación y rebabas en la salida del material en paquetes metálicos.

Resumen

La aplicación de brocas dedicadas y modernas es fundamental para el éxito del taladrado de agujeros en materiales CFRP y CFRP en capas metálicas. La coherencia en los niveles de calidad, la seguridad del operario, la evacuación de desechos y la cada vez mayor necesidad de menores tiempos de producción exigen una tecnología de brocas basada en la experiencia y en amplios recursos de I+D a nivel global. Sandvik Coromant y Precorp, como innovadores establecidos y aportadores de soluciones de mecanizado, se han unido para ofrecer herramientas de vanguardia para composites bajo una marca conjunta. Las brocas de PCD y de metal duro innovadoras, estándar y personalizadas, proporcionan soluciones a los retos que estos materiales presentan en el sector aeroespacial y en otros sectores.