Tecnología e Inspección de Materiales Estructurales

Jaime Domínguez SalasIngeniería Aeronáutica

Febrero 2013

Mecanizado, corte y acabado de

Materiales compuestos

Índice General

>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.

Índice General

>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.

Mecanizado de compuestos

Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la herrrramienta

- Material no homogéneo- Escasa conductividad térmica

- Desgaste abrasivo- Desgaste por difusión- Desgaste por corrosión- Fractura por microgrietas

Material compuesto

Herramienta

DurezaTenacidad

Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la herrrramienta II

Tipos de material

Diamante policristalino sintético

Dureza elevadaTenacidad bajaFractura por microgrietasDiseño de la superficie de corte (chaflán)

Carburos cementados

Tenacidad elevadaDureza bajaAbrasiónMenor tamaño de grano, menor % de aglutinante.

Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la pieza

- Material no homogéneo

- Matriz con malas propiedades térmicas Desgaste térmico

- Estudio del uso de refrigerantes

- Acabado muy dependiente del apilado

- Pelado de fibras

Distintas propiedades mecánicas

Tensiones residuales

Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto al proceso

Mecanizabilidad

>> Material

Tipo de fibras y matrizVolumen de fibrasApilado

>> Herramienta de corte

Propiedades mecánicasGeometría

>> Operación de mecanizado

>> Condiciones de corteConceptos asociados

>> Desgaste de la herramienta

Vida de la herramienta

>> Fuerzas de corte

Consumo energético

>> Acabado superficial

Índice General

>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.

Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte

Muy importante la dirección de la fibra y el proceso de apilado.

Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte

Fuerza de corte:

Tensiones y rotura:

Ángulo de orientación de las fibras

Fuerza necesaria

0º a 60º Aumenta

60º a 120º Disminuye

>120º Aumenta

Ángulo de orientación de las

fibras

Tensiones en las fibras

Tipo de rotura Observaciones

0º Compresión Separación de láminas

0º a 90º Tracción y flexión

Fractura de fibras 45º es óptimo

90º Flexión Corte de fibras

mayor a 90º

Flexión y compresión

Fractura Perjudicial

Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte II

Mecanizados tradicionales / Torneado

Elementos que requieran una gran precisión dimensional y geométrica.

Mal acabado superficial.

Gran desgaste de herramienta.

Mejor fabricar por conformación. Evitar torneado.

Mecanizados tradicionales / Fresado

Proceso frecuente en el mecanizado de compuestos

Baja velocidad de corte

Precisión dimensional

Proceso complejo

Fresado en contrasentido

Más económico

Mejor eliminación del polvo tóxico

Mecanizados tradicionales / Fresado II

Genera múltiples problemas

Pelado de fibras, separación de láminas, quemaduras en

la pieza, etc.

La rugosidad superficial final depende de la orientación

de las fibras perpendiculares

La elevada temperatura puede degradar la matriz

rectificado húmedo.

Mecanizados tradicionales / Rectificado

Mecanizados tradicionales / Taladrado

Proceso muy común en aeronáutica. Ensamblaje de estructuras.

Corte:

- Velocidad de corte y de avance.- Ángulo de punta del taladro. Delaminación

Puede generar problemas específicos en la pieza mecanizada

- Separación del laminado- Pelado de fibras- Fracturas interlaminares- Fractura de la interfase fibra-matriz- Daño térmico- Errores geométricos

También sobre la herramienta

- Desgaste elevado frecuentes cambios de herramienta - Fatiga

Mecanizados tradicionales / Taladrado II

Mecanizados tradicionales / Taladrado III

Mecanizados tradicionales / Acabado superficial

Rugosidad superficial

Defectos de forma

Defectos térmicos

Defectos en las características

mecánicas de la pieza

Dependen del apilado y del proceso de mecanizado

En general el acabado superficial es malo.

Se puede mejorar en el proceso de conformación.

Índice General

>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica..

Mecanizados no tradicionales

Poca eficacia de los procesos tradicionales

Necesidad de obtener formas complejas

Evitar grietas superficiales y tensiones residuales

Mejora de la precisión

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por láser

Sistema de corte de alta energía. Piezas complejas.

Sin contacto útil-mecanismo-pieza. No hay fuerzas de corte.

Haz de luz de idéntica longitud de onda muy concentrado. Evaporación del material.

Zona afectada térmicamente muy pequeña

Más común: láser CO2 (matriz orgánica)

Vapor nocivo

Degradación de ciertos materiales.

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por chorro de agua

El fluido contiene partículas abrasivas

Más complejo por la alimentación de las partículas abrasivas

Apropiado para el corte de materiales abrasivos (evita desgaste de herramienta)

No produce separación de láminas ni pelado de fibras

Menor rugosidad superficial que chorro de agua simple

El fluido refrigera el corte. No hay daños térmicos.

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por ultrasonidos Inyección de partículas abrasivas a gran velocidad debido a vibraciones de gran frecuencia (20-30KHz)

Partículas usadas: óxidos de aluminio, óxido de boro, carburos de silicio.

Evita separación de láminas, pelado de fibras, microfisuras y quemado de material.

Evita efectos térmicos, químicos y eléctricos en la pieza.

Procesado complejo y delicado. Tolerancias de hasta +/- 0.0125 mm

Se basa en el efecto erosivo que produce el impacto de una chispa en la pieza.

La chispa se produce entre un electrodo y la pieza en presencia de un fluido dieléctrico.

Genera altas temperaturas que evaporan el material afectado.

Solo utilizable en materiales compuestos con conductividadeléctrica uniforme y continua.

Materiales con matriz metálica. No válido para PMC´s

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por descarga eléctrica

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por haz de electrones

Proceso termoeléctrico al vacío

Se hace impactar un haz de electrones a gran velocidad contra la superficie de la pieza

Material evaporado por las altas temperaturas

El vacío evita la pérdida de energía del haz al chocar con moléculas de gas

Tolerancias muy estrechas sin zona afectada térmicamente

Caro y lento (hacer vacío)

Mecanizados no tradicionales / Mecanizado electroquímico

Disolución anódica con presencia de electrolito

Herramienta es el cátodoPieza es el ánodo

No genera daño térmico

Materiales conductores. No vale para PMCs.

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• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.

Modelado de daño

Ejemplo: taladrado

Modelado de daño

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>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica..

Emisiones acústicas

Medición de temperatura

Microscopía

RadiografíaTomografía computarizada

Escáner por ultrasonidos

Métodos ópticos (haz de luz)

Topografía de superficie

Adquisición y tratamiento de la información de daños

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>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

>> Modelado de daño.>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.>> Herramientas.>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.

Herramientas. ¿Cual elegir?

Tres grandes grupos:

Aceros rápidosCarburos cementadosCerámicos/superduros

Índice General

>> Características específicas del mecanizado de compuestos.

• Con respecto a la herramienta.• Con respecto a la pieza.• Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)

>> Procesos de mecanizado tradicionales.

• Mecanismo de corte.• Torneado.• Fresado.• Rectificado.• Taladrado.• Acabado superficial.

>> Procesos de mecanizado no tradicionales.

Mecanizado por láser. Mecanizado por chorro de agua. Mecanizado por ultrasonidos. Mecanizado por descarga eléctrica. Mecanizado por haz de electrones. Mecanizado electroquímico.

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Caso práctico de especial importancia en aeronáutica

Caso práctico de especial importancia en aeronáutica

Bibliografía

MACHINING OF POLYMER COMPOSITES. Jamal Y. Sheikh-Ahmad

COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK. VOLUME 1. Department of Defense – United States of America

LASER MACHINING OF AEROSPACE COMPOSITE MATERIALS. GSI JK Lasers.

TECHNOLOGY ROADMAP FOR COMPOSITES IN THE AEROSPACE INDUSTRY. National Composites Network.

ESTUDIO DEL MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS. Proyecto fin de carrera. Laura Montero García.

METALWORKING WORLD. JANUARY 2010

FABRICACIÓN Y MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS. EUIT Aeronáutica, Sección publicaciones. Díaz Santos, Manuel (1992).

www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/81259-Retos-mecanizado-mecanico-materiales-compuestos-fibras-destinados-construccion-ligera.html

www.diager.com

www.sandvik.coromant.com/SiteCollectionDocuments/downloads/global/technical guides/en-gb/C-2920-30.pdf

Dudas y preguntas