Mecanizado de nuevos materiales en la industria aeroespacial: MÉCANUMÉRIC, la experiencia al servicio de la innovación
¿Por qué hablar del mecanizado de nuevos materiales en el sector aeroespacial?
En términos de exigencias técnicas y tecnológicas, la industria aeronáutica, impulsada por su perpetua búsqueda de ligereza, es uno de los sectores punteros más avanzados. Si bien el criterio del peso ha sido siempre determinante en el constante proceso de innovación que lo sustenta, cabe señalar que esta ganancia de prestaciones se orientaba esencialmente hacia perspectivas expansionistas. En resumen, cómo hacer las cosas más grandes, más lejos y más baratas.
Hoy, sin embargo, el objetivo ya no es tanto mejorar la rentabilidad como garantizar la supervivencia del sector a largo plazo. En consecuencia, la política de MÁS, impulsada por la abundancia de recursos, ha dado paso a la de MEJOR, que favorece la optimización de su uso, prestando cada vez más atención a la sostenibilidad medioambiental.
El uso de nuevos materiales desempeña un papel esencial en esta dinámica. Los compuestos, los polímeros termoplásticos, los metales ligeros y las superaleaciones ofrecen ventajas significativas, como la reducción del peso, el aumento de la resistencia al desgaste y a las tensiones mecánicas, la flexibilidad de diseño, la mejora del confort y la seguridad, la reducción de los costes y tiempos de mantenimiento, etc.
A medio plazo, ofrecen un importante potencial de optimización de los costes de fabricación y explotación, así como de los costes medioambientales y energéticos.
El reto del mecanizado CNC de materiales compuestos, metales ligeros y polímeros
Con semejante reserva de innovación, no es de extrañar que surja una fuerte competencia entre los subcontratistas industriales del sector aeroespacial.
Sin embargo, estos materiales no sólo aportan soluciones, sino que también plantean retos, sobre todo en términos de mecanizado CNC, debido a su complejidad estructural y a sus propiedades específicas.
Por tanto, el reto recae en los actores de la cadena de suministro, que deberán adquirir o perfeccionar su dominio de estas tecnologías manteniendo su competitividad, mediante la reducción de los costes de mecanizado y el aumento de los ritmos de producción.
Aquí es donde entra en juego MÉCANUMÉRIC.
Reconocida como especialista internacional en el diseño y la fabricación de máquinas-herramienta para las aplicaciones más exigentes desde hace 30 años, la empresa se ha convertido en un socio clave para el mecanizado complejo de materiales compuestos y polímeros en la industria aeroespacial.
Ofrece conocimientos de vanguardia y soluciones CNC innovadoras adaptadas a las necesidades de sus clientes del sector aeroespacial, incluido el fresado de piezas complejas de aluminio y metal ligero, el corte por chorro de agua a alta presión de materiales compuestos y el termoformado de polímeros termoplásticos y termoestables.
Composites y sus usos en aeronáutica
La familia de materiales más representativa de esta carrera por la innovación es sin duda la de los compuestos. La evolución de su proporción en la mezcla de materiales de los aviones Airbus es una excelente ilustración de ello. Mientras que en 1980 los compuestos de carbono/epoxi no representaban más del 10% del peso estructural de un A300, 50 años más tarde representan ya más del 50% del de un A350-900 XWB.
Compuestos de fibra de carbono y epoxi (CFRP)
Los compuestos de fibra de carbono/epoxi son probablemente la categoría de compuestos más utilizada, tanto en la industria como en el uso cotidiano. Se emplean principalmente en la fabricación de fuselajes, alas, VTP y HTP, y están formados por capas de fibras de carbono tejidas impregnadas en una matriz orgánica, generalmente una resina polimérica, que mantiene las fibras unidas y las fija en su forma final.
Ventajas:
Los materiales compuestos de matriz orgánica se caracterizan por una relación resistencia/peso muy ventajosa. Gracias a su baja densidad (1,8), su gran resistencia a las tensiones mecánicas, térmicas y químicas, y su flexibilidad de diseño, pueden utilizarse para fabricar piezas complejas y de gran resistencia. Pueden utilizarse para fabricar piezas complejas y a veces gigantescas, ofreciendo al mismo tiempo una gran resistencia al impacto y a la temperatura.
Las propiedades electromagnéticas de estos compuestos también permiten fabricar materiales RAM. Su estructura laminar y la posibilidad de añadir otros materiales a la mezcla (ferritas, óxido de hierro, etc.) les confieren la capacidad de modificar o absorber las ondas electromagnéticas, con lo que la superficie equivalente al radar de los dispositivos es prácticamente nula.
Al margen, los compuestos de grafito de carbono (C/C)
Los compuestos de carbono/carbono se fabrican superponiendo fibra de carbono fijada en un aglutinante orgánico, que se somete a continuación a un tratamiento pirolítico. El calor y la presión transforman los compuestos orgánicos en carbono casi puro, que se amalgama en cristales de grafito de mayor tamaño, lo que confiere al material sus propiedades, en particular su extrema dureza.
Ventajas:
Además de la ligereza característica de esta familia de materiales, los compuestos de C/C se distinguen por su capacidad de conservar sus propiedades mecánicas a temperaturas que pueden superar los 2.000°C. También presentan propiedades de conductividad térmica especialmente buenas. Aunque es elevada en la dirección de la fibra, incluso superior a la del cobre en determinadas condiciones, es baja en la dirección transversal (Δ ^10-100).
Por estas razones, se encuentran principalmente en los sistemas sometidos a las fuerzas de fricción más intensas, como los frenos de los aviones, los escudos y las placas térmicas de las naves espaciales y algunos componentes de los motores a reacción. Sus propiedades les permiten limitar el aumento de temperatura cuando las elevadas fuerzas de fricción se convierten en energía térmica, y disipar eficazmente el calor producido en la interfaz, en forma convectiva o radiativa.
Cumplimiento de los requisitos de mecanizado de la industria aeroespacial
Aunque las características intrínsecas de los materiales compuestos les confieren propiedades excepcionales, es importante señalar que también son sinónimo de noches en vela para los ingenieros de materiales.
Más allá de la complejidad del largo y costoso proceso de fabricación, lo que aquí nos interesa especialmente son las dificultades que plantea el mecanizado de las piezas acabadas.
Sí, estos materiales plantean verdaderos retos a quienes se comprometen a trabajarlos sin los métodos y herramientas adecuados.
Además, conviene recordar que el mecanizado aeronáutico requiere una precisión extremadamente alta con márgenes de error ridículamente bajos debido a la naturaleza crítica de los componentes implicados. En consecuencia, el mecanizado de materiales compuestos para la industria aeroespacial requiere equipos y procesos especializados para garantizar la calidad de las piezas con un alto grado de repetibilidad.
Quelles sont les difficultés d’usinage des matériaux composites ?
Estructura laminar y anisotropía constitutiva :
La naturaleza anisótropa de su estructura supone un verdadero reto para las máquinas CNC y sus herramientas. Los materiales compuestos pueden tener propiedades variables debido a la dispersión y orientación de las fibras, así como a su calidad de fabricación inicial. Esto hace que el mecanizado de materiales compuestos sea más difícil, no sólo porque las propiedades del material varían de una zona a otra, sino también porque las fuerzas de corte generan fuerzas de cizallamiento y vibraciones que pueden provocar la delaminación de las capas.
Para superar este fenómeno, es necesario adaptar los parámetros de mecanizado y controlar las vibraciones.
Un centro de mecanizado CNC diseñado para trabajar con materiales compuestos debe ser capaz de ajustar con precisión la potencia del husillo, la velocidad de rotación y el avance de forma dinámica para adaptar el mecanizado a la resistencia del material. Así se evitan problemas como el desgaste excesivo de la herramienta o daños en la pieza.
También debe estar equipada con un sistema avanzado de control de vibraciones para minimizar el impacto negativo de éstas.
Algunos ejemplos de proyectos para y por clientes de Mécanuméric en el sector aeronáutico:
Naturaleza quebradiza :
Si bien el carbono que constituye la fibra de los materiales compuestos es famoso por su gran resistencia a la compresión y al estiramiento, no ocurre lo mismo cuando se trata de la torsión. Es este último esfuerzo el que se aplica a la parte del material en contacto con el husillo.
Para evitar la delaminación y afinar la rugosidad de la superficie, hay que estudiar cuidadosamente el acoplamiento de la fresa. Para ello se utilizan diversas técnicas, como el fresado ascendente y descendente y el mecanizado a alta velocidad.
Naturaleza abrasiva :
Las fibras de carbono son muy duras y abrasivas, lo que puede provocar un rápido desgaste de las herramientas de corte tradicionales. A menudo se necesitan herramientas especiales de carburo de tungsteno o diamante para resistirlo.
Además, las virutas que se generan al mecanizar materiales compuestos pueden ser problemáticas porque, además de abrasivas, son pegajosas y difíciles de evacuar. Pueden dañar las superficies mecanizadas, obstruir las herramientas y provocar vibraciones no deseadas. Una máquina CNC que incorpore una gestión eficaz de las virutas es esencial para mantener la calidad del mecanizado.
Sensibilidad térmica de los EPOXIDES :
Algunos materiales compuestos son sensibles al calor generado durante el mecanizado. En general, las resinas no sufren deformaciones antes de los 290°C. Sin embargo, algunas funciones de mecanizado, como el fresado, pueden alcanzar temperaturas locales de unos 900°C si no se hace nada para limitar el aumento de la temperatura. La acumulación de calor puede entonces provocar deformaciones, degradaciones o cambios en las propiedades del material.
Se necesitan técnicas especiales, como el uso de refrigerantes o el mecanizado en seco a alta velocidad, y sensores de temperatura para preservar la integridad estructural del material.
Desarrollo de métodos de mecanizado de materiales compuestos
Impulsado por el gran potencial de estos materiales, el mecanizado de compuestos ha experimentado grandes cambios a lo largo de los años.
Fresado de materiales compuestos
Si les méthodes d'usinage traditionnelles, comme le perçage et le fraisage, produisaient des fissures et des dommages sur les pièces en matériaux composites, une entreprise innovante du secteur de l’usinage CNC telles que MÉCANUMÉRIC, a développé des machines et des méthodes destinées à relever le défi de l’usinage de cette famille de matériau, tout en se conformant aux exigences du secteur de l’aéronautique.
La máquina de corte y fresado de 3 ejes MECAPRO NL, diseñada para un uso industrial intensivo, es un ejemplo perfecto. Con unas dimensiones de "catálogo" de hasta 7.610 x 2.600 mm de recorrido útil (o más en diseño personalizado), incorpora las funciones avanzadas necesarias para el mecanizado de materiales compuestos:
- mecanizado de alta velocidad
- lubricación,
- nariz de aspiración para la gestión de virutas,
- mesa de vacío para sujetar las piezas
- control de la potencia del husillo y de la velocidad de avance
- Sensores de choque y vibración con alertas,
- sensores de temperatura con alertas.
Corte por chorro de agua de materiales compuestos
Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías de corte, como las máquinas de corte por chorro de agua, han permitido desarrollar procesos de mecanizado sin vibraciones que producen resultados de alta calidad.
La gamme de machines CNC de découpe au jet d'eau à haute pression de la société MECANUMERIC permet d’usiner des pièces techniques très résistantes en composites. Avec de l’eau pure, ou, mélangée avec de l'abrasif pour les plus durs d’entre eux, le jet d’eau, précis et puissant, effectue une découpe de haute précision, même pour des formes complexes, en préservant totalement la structure moléculaire du matériau découpé. C’est une solution idéale pour les applications nécessitant des tolérances strictes et une finition de surface de haute qualité.
En plus de répondre aux problématiques posées par l’usinage de matériaux composites (anisotropie, dureté et abrasivité) une machine comme la MECAJET, s’offre le luxe d’être extrêmement polyvalente. Elle peut effectuer des découpes sur une large gamme de matériaux, des plus souples aux plus rigides, tout en conservant une précision micrométrique.
Grâce à la maitrise technologique de MÉCANUMÉRIC, les matériaux composites sont désormais plus accessibles aux industriels, avec des temps de traitement plus rapides et une plus grande répétabilité.
MÉCANUMÉRIC: una solución de mecanizado CNC para cada aplicación
Cabe señalar que los requisitos específicos varían en función del tipo de material compuesto, la geometría de la pieza y las condiciones de mecanizado.
Por consiguiente, es importante elegir un centro de mecanizado CNC y unos parámetros de mecanizado que respondan a las necesidades específicas de los materiales compuestos que se van a mecanizar.
MÉCANUMÉRIC está especialmente comprometida con su deber de asesorar a sus clientes y pone a su disposición el servicio CARE. Compuesto por más de 20 personas que pueden intervenir desde la concepción del proyecto, garantiza la transmisión de la experiencia y los conocimientos de MÉCANUMÉRIC para que cada usuario pueda sacar el mejor partido de sus máquinas CNC.
La unidad de pruebas, que apoya a los fabricantes que desean trabajar con nuevos materiales o mejorar la calidad/tiempo de mecanizado de sus piezas, es especialmente popular para las aplicaciones más complejas.
MECANUMERIC domina diversas tecnologías de corte y mecanizado. Descubra una presentación de nuestros conocimientos y experiencia enFresado, Corte por chorro de agua
