Mecanizado de materiales compuestos

El mecanizado en materiales compuestos es una de las operaciones más importantes puesto que su realización da origen a la obtención del conjunto o de la pieza diseñada. Este proceso de fabricación es el responsable de la consecución de la geometría final, así como de poner los medios necesarios para la unión de este conjunto con otros.

Los procesos de mecanizado de piezas fabricadas en materiales compuestos implican grandes distinciones respecto al mecanizado de materiales metálicos, como puede ser el acero. La configuración de este tipo de materiales obliga a replantear los procesos de mecanizado: métodos, herramientas, configuraciones, sistemas de refrigeración (taladrina), e incluso máquinas y utillajes(fijaciones…).

Consideraciones generales

El mecanizado de un material compuesto implica una serie de condicionamientos diferentes al mecanizado convencional. Se han de tener en cuenta las siguientes consideraciones:

  • Las temperaturas alcanzadas durante el proceso deben encontrarse dentro de un rango permitido dado por el material polimérico que compone la matriz.
  • La baja conductividad térmica de los materiales compuestos poliméricos hace que la disipación de la mayor parte de la energía calorífica generada durante el mecanizado sea disipada a través de la herramienta utilizada. La energía calorífica no disipada revierte en el aumento de la temperatura en el corte. Con respecto al uso de líquidos refrigerantes, cabe destacar que algunos materiales compuestos pueden ver modificadas sus propiedades mecánicas debido a la absorción de fluidos.
  • La diferencia existente entre los coeficientes de dilatación térmica entre las fibras y la matriz favorece la aparición de tensiones residuales, siendo éstas mayores cuanto mayor sea el gradiente de temperatura.
  • El desgaste del filo provocado por el corte de las fibras. Este desgaste es de tipo abrasivo.
  • El residuo que se genera debido al corte de las fibras es muy nocivo para la salud. Además, tiene un efecto muy negativo sobre el mantenimiento de la máquina herramienta.

El proceso de corte

El proceso de corte en un material compuesto de matriz polimérica (PMC) es muy diferente al de un metal. En un material compuesto se distinguen las fibras y la matriz. El filo de corte no genera las virutas típicas del mecanizado de un metal, sino que la resina polimérica es cortada y las fibras pueden ser cortadas o fracturadas. Por otro lado, los materiales compuestos, en particular aquellos reforzados con fibras largas, presentan una elevada anisotropía que depende de la orientación de las fibras. La fuerza de corte necesaria en el mecanizado depende fuertemente de la dirección y sentido del corte. Este efecto es muy notable también en el acabado del corte.

Soluciones para el mecanizado

Existen dos posibilidades para abordar el mecanizado de materiales compuestos poliméricos (PMC, Compuesto de Matriz Polimérica):

  • El empleo de filos de corte de geometría muy positiva y muy afilados (radio de punta pequeño).
  • Técnica del Mecanizado de Alta Velocidad (MAV).

Operaciones de mecanizado

La mayoría de las piezas de materiales compuestos se fabrican de forma que se alcance la forma final de la pieza sin necesidad de efectuar muchas operaciones de desbaste o acabado posteriormente. Las operaciones más habituales son:

Taladrado

Esta operación es muy importante en la fabricación de uniones mecánicas tanto en aeronáutica como en cualquier aplicación industrial de los materiales compuestos. Los problemas más habituales asociados a esta operación son:

  • Astillamiento (splintering). La resina es cortada, pero parte de las fibras no son cortadas apareciendo fibras en el agujero.
  • Delaminación (delamination). Separación de las láminas inferiores del taladrado debido a la fuerza de avance ejercida por la broca. Este fenómeno se minimiza reduciendo el avance de la herramienta durante la etapa final del taladrado.
  • Extracción. Consiste en la fragmentación de porciones de fibra o resina en las paredes del agujero taladrado.

La realización de agujeros en estructuras híbridas, por ejemplo, apilamientos de fibra de carbono con láminas metálicas (aluminio, titanio…) es muy frecuente en aplicaciones con materiales compuestos. Dos son los métodos empleados para el taladrado adecuado de estos paquetes de materiales:

  1. Taladrado intermitente. El taladro penetra en el material compuesto hasta alcanzar el material metálico, entonces se retira del agujero para retirar las virutas generadas y disipar el calor. A continuación, la broca vuelve a entrar en el agujero y taladra el material metálico hasta que completa el espesor del material. Los parámetros de corte (avance y velocidad de corte) para el taladrado del material compuesto y el metal son diferentes.
  2. Taladrado en un paso. Este procedimiento es más efectivo que el anterior; sin embargo, sólo es válido para apilamientos inferiores a 25 mm (con láminas de titanio) o 5 mm (con láminas de acero).

Recanteado o recortado

Con esta operación se consigue obtener la configuración geométrica final mediante la eliminación por corte de los excesos de material. El acabado superficial en esta operación es determinante para reducir o eliminar las operaciones posteriores. Una operación que se puede englobar en el recanteado es el rebarbado. La operación de rebarbado acusa especialmente la orientación de las fibras en el laminado sobre la fuerza de corte necesaria.

Mecanizado de superficies: planeado

El mecanizado de superficies es una operación característica de la industria aeronáutica. En los últimos años se han encontrado soluciones novedosas en las piezas de fibra de carbono.

Herramientas

Los tipos de herramientas utilizadas para el mecanizado de PMC son:

  1. Herramientas de acero rápido (HSS)
  2. Herramientas de metal duro (Widia)
  3. Herramientas de carburo o nitruros (carburo de silicio)
  4. Herramientas diamantadas (PCD)

PCD (diamante policristalino) es un compuesto de partículas de diamante sinterizadas junto con un aglutinante metálico. Este tipo de herramientas son las más resistentes a la abrasión.