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MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS

El mecanizado en materiales compuestos es una de las operaciones ms importantes puesto quesu realizacin da origen a la obtencin del conjunto o de la pieza diseada. Este proceso defabricacin es el responsable de la consecucin de la geometra final, as como de poner losmedios necesarios para la unin de este conjunto con otros.

Mecanizado general

Los procesos de mecanizado de piezas fabricadas en materiales compuestos implican grandesdistinciones respecto al mecanizado de materiales metlicos, como puede ser el acero. Laconfiguracin de este tipo demateriales obliga a replantear los procesos de mecanizado: mtodos,herramientas, configuraciones, sistemas de refrigeracin (taladrina), e inclusomquinas yutillajes(fijaciones...).

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

Las temperaturas alcanzadas durante el proceso deben encontrarse dentro de un rangopermitido dado por el material polimrico que compone la matriz. Una temperatura excesivapuede resultar en una disminucin del acabado superficial y en un aumento delrozamientoentre el material a mecanizar y el filo de la herramienta (aumento deldesgaste).

MaterialPolimetacrilato de metilo(PMMA)

Policarbonato(PC)

Epoxibismaleimida

Temperatura lmite de

trabajo (C)

74 - 102 129 250 - 300

La baja conductividad trmica de los materiales compuestos polimricos hace que ladisipacin de la mayor parte de la energa calorfica generada durante el mecanizado seadisipada a travs de la herramienta utilizada. La energa calorfica no disipada revierte en elaumento de la temperatura en el corte. Con respecto al uso de lquidos refrigerantes, cabedestacar que algunos materiales compuestos pueden ver modificadas sus propiedadesmecnicas debido a la absorcin de fluidos.

La diferencia existente entre los coeficientes de dilatacin trmica entre las fibras y lamatriz favorece la aparicin de tensiones residuales, siendo stas mayor cuanto mayor seael 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.

Adems, tiene un efecto muy negativo sobre el mantenimiento de lamquina herramienta.

El proceso de corte

El proceso de corte en un material compuesto de matriz polimrica (PMC) es muy diferente al deun metal. En un material compuesto se distinguen las fibras y la matriz. El filo de corte no generalasvirutas tpicas del mecanizado de un metal, sino que la resina polimrica es cortada y las fibraspueden ser cortadas o fracturadas. Por otro lado, los materiales compuestos, en particular aquellos

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reforzados con fibras largas, presentan una elevadaanisotropa que depende de la orientacin delas fibras. La fuerza de corte necesaria en el mecanizado depende fuertemente de la direccin ysentido del corte. Este efecto es muy notable tambin en elacabado del corte.

Soluciones para el mecanizado

Existen dos posibilidades para abordar el mecanizado de materiales compuestos polimricos

(PMC, Compuesto de Matriz Polimrica):

El empleo de filos de corte de geometra muy positiva y muy afilados (radio de puntapequeo).

Tcnica delMecanizado de Alta Velocidad (MAV).

Operaciones de mecanizado

La mayora de las piezas de materiales compuestos se fabrican de forma que se alcance la formafinal de la pieza sin necesidad de efectuar muchas operaciones de desbaste o acabadoposteriormente. Las operaciones ms habituales son:

Taladrado

Esta operacin es muy importante en la fabricacin de uniones mecnicas tanto en aeronuticacomo en cualquier aplicacin industrial de los materiales compuestos. Los problemas mshabituales asociados a esta operacin son:

Astillamiento (splintering).La resina es cortada, pero parte de las fibras no son cortadasapareciendo fibras en el agujero.

Delaminacin (delamination).Separacin de las lminas inferiores del taladrado debido ala fuerza de avance ejercida por la broca. Este fenmeno se minimiza reduciendo el avance

de la herramienta durante la etapa final del taladrado. Extraccin.Consiste en la fragmentacin de porciones de fibra o resina en las paredes del

agujero taladrado.

La realizacin de agujeros en estructuras hbridas, por ejemplo, apilamientos de fibra de carbonocon lminas metlicas (aluminio, titanio...) es muy frecuente en aplicaciones con materialescompuestos. Dos son los mtodos empleados para el taladrado adecuado de estos paquetes demateriales:

1. Taladrado intermitente. El taladro penetra en el material compuesto hasta alcanzar elmaterial metlico, entonces se retira del agujero para retirar las virutas generadas y disiparel calor. A continuacin, la broca vuelve a entrar en el agujero y taladra el material metlico

hasta que completa el espesor del material. Los parmetros de corte (avance y velocidadde corte) para el taladrado del material compuesto y el metal son diferentes.2. Taladrado en un paso.Este procedimiento es ms efectivo que el anterior; sin embargo,

slo es vlido para apilamientos inferiores a 25 mm (con lminas de titanio) o 5 mm (conlminas de acero).

Recanteado o recortado

Con esta operacin se consigue obtener la configuracin geomtrica final mediante la eliminacinpor corte de los excesos de material. El acabado superficial en esta operacin es determinante

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para reducir o eliminar las operaciones posteriores. Una operacin que se puede englobar en elrecanteado es el rebarbado. La operacin de rebarbado acusa especialmente la orientacin de lasfibras en el laminado sobre la fuerza de corte necesaria.

Mecanizado de superficies: planeado

El mecanizado de superficies es una operacin caracterstica de la industria aeronutica. En losltimos aos 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 rpido (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 partculas de diamantesinterizadasjunto con unaglutinante metlico. Este tipo de herramientas son las ms resistentes a la abrasin.

Mecanizados especiales

A parte de las operaciones clsicas existen otros procedimientos ms novedosos para mecanizarmateriales compuestos.

Mecanizado por proyeccin de chorro de agua y chorro de aguaabrasivo

El principio delmecanizado por chorro de agua consiste en la proyeccin de un flujo de agua a unapresin superior a los 410 MPa que se hace pasar a travs de un orificio, cuyo dimetro oscilaentre 0.8 mm y 7.6 mm, para formar el chorro a presin que produce el corte del material.

Adems en el mtodo de corte por proyeccin de chorro de agua abrasivo se incluye en el fluidoun material abrasivo que es introducido al flujo de agua a travs de una cmara de mezcla, ydesde all se pasa a la boquilla donde es acelerado y proyectado junto con el fluido sobre elmaterial a cortar. El tamao del abrasivo condicionar el acabado final de la pieza.

Este proceso presenta aspectos tanto positivos como negativos:

Ventajas

Dado que el fluido de corte es agua no se produce calentamiento en la zona mecanizada. El nivel de humo y de partculas de polvo, que son habituales de los procesos de

mecanizado clsicos, y que son perjudiciales para la salud de los operarios, es reducido. Las fuerzas tangenciales que aparecen son pequeas, por lo que no es necesario un tipo

de utillaje especial para el amarre de la pieza. Buen acabado superficial que evita el recanteado para la eliminacin de rebabas. Eliminacin de los tiempos de cambio de herramienta.

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Desventajas

Los niveles de ruido que se generan son importantes. Requiere de un mecanismo que filtre el agua y la acondicione para reducir el desgaste del

equipo. Una presin incorrecta puede producir zonas delaminadas en los alrededores de la zona de

corte.

Mecanizado por lser

El mecanizado por lser para materiales compuestos de matriz polimrica consiste en un sistemade corte de alta energa donde en ningn momento se establece contacto entre el mecanismo y lapieza, por lo que no se generan fuerzas de corte y el sistema de amarre del material puede sersencillo. Este tipo de mecanizado permite cortar una amplia gama de materiales compuestos,resultando especialmente eficaz para realizar formas de corte complejas.

El equipo de rayos lser concentra toda la energa en un punto mediante un sistema de lentes.Esto hace que disminuya el dimetro del haz, lo que permite conseguir mecanizados de una

elevada precisin (longitudes de corte inferiores a 0,1 mm).

El corte mediante lser se acompaa usualmente de un flujo de gas que elimina el materialsobrante y protege las lentes focalizadoras. El gas empleado para mecanizar materialescompuestos es aire, ya que no existe riesgo de oxidacin como sucede en los metales, donde sesuelen emplear gases inertes como el argn.

Mecanizado por ultrasonidos

El sistema de mecanizado por ultrasonidos se basa en el uso de una cuchilla que vibra afrecuencias ultrasnicas (alrededor de 20000 Hz), pudiendo alcanzarse velocidades de corte dehasta 1000 mm/s.

El equipo empleado para la mecanizacin por ultrasonidos consta de los siguientes componentesprincipales:

El generador elctrico:encargado de generar la corriente elctrica. El transductor electromecnico: dispositivo que convierte los impulsos elctricos en

impulsos mecnicos. El amplificador:encargado de amplificar las vibraciones. El sonotrodo:se encarga de amplificar y transmitir las vibraciones, y adems acta como

pivote manteniendo la rigidez del conjunto con la herramienta de trabajo. La herramienta de corte:encargada de realizar el mecanizado de la pieza. El tanque de mezcla: proporciona una mezcla de agua y polvo abrasivo en la zona de

corte que refrigera el sonotrodo y elimina las partculas y residuos procedentes delmecanizado.

Las mnimas tolerancias de corte obtenidas con este sistema son de +/- 0.0125 mm, y lasprofundidades mximas de corte son de 25 mm para laminados de fibra de carbono, vidrio yaramida.

Mecanizado por chispa electroqumica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonidoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electromec%C3%A1nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidriohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aramidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Aramidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidriohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electromec%C3%A1nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonidos

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El mecanizado por chispa electroqumica es un proceso anlogo a la electroerosin, pero quepermite mecanizar materiales que no sean de carcter metlico, por lo que es especialmente tilpara laminados demateriales compuestos.

El proceso tiene lugar en un tanque lleno con unelectrolito que puede ser una solucin acuosa deNaCl oNaOH.Tenemos unnodo y unctodo.El ctodo ser la herramienta de mecanizado, ypodr ser de dos tipos: un electrodo de forma, o un electrodo de hilo.

Al aplicar una corriente elctrica se producen chispas en la superficie del ctodo que llevarn acabo el proceso de mecanizado aproximando la pieza a dicha herramienta, y mantenindola a unadistancia fija del nodo (50 mm). El mantener las distancias correctas entre el nodo y el ctodo, yentre la pieza y la herramienta (ctodo) es fundamental para que el proceso resulte exitoso.

A medida que se aumenta el voltaje se genera mayor energa de descarga, mayor velocidad deformacin de chispas y por tanto mayor ratio de desbaste.

Electrodo de forma

El electrodo de forma se utiliza para realizar una cavidad o un agujero pasante en el material. Elelectrodo o troquel tendr la forma de la cavidad a realizar, y mediante un movimiento relativovertical entre la pieza y la herramienta se producir el mecanizado.

Electrodo de hilo

El electrodo por hilo se basa en la misma idea que el anterior, pero con la diferencia de que ahoraes un hilo el que realiza el corte, pudiendo describir trayectorias complejas. La calidad, el materialy el dimetro del hilo, en conjuncin con el voltaje y el amperaje aplicado, son factores que influyendirectamente sobre la velocidad con que se puede mecanizar la pieza. La tensin del hilo es otrofactor de importancia dentro de este proceso para producir un corte efectivo; de este modo unatensin baja producir un mal acabado en la pieza, mientras que una sobretensin puede producir

la rotura del hilo en un momento indeseado

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