Ruimtevaart in focus:boren en frezen van CFRP-composieten

In de lucht- en ruimtevaart is het werken met lichtgewicht composietmaterialen de norm. We hebben onlangs met Sandvik Coromant gesproken om veelvoorkomende metaalbewerkingsproblemen in koolstofvezelcomposieten te bespreken en de manieren om deze op te lossen.

Composietmaterialen zoals met koolstofvezel versterkt polymeer zijn ongelooflijk schurend en vereisen verschillende benaderingen voor frezen en boren om delaminatie van de lagen en getrokken vezels te voorkomen. Standaardgereedschappen en -methoden die zijn ontworpen voor het bewerken van metaal, zijn gewoon niet geschikt als het gaat om het vervaardigen van lucht- en ruimtevaartcomponenten die van deze materialen zijn gemaakt.

"Koolstofvezel geeft je superieure sterkte met veel minder gewicht, dus in de commerciële ruimtevaart zorgt dat voor een aantal echt positieve dingen", zegt David Den Boer, lucht- en ruimtevaartindustriespecialist en ingenieur bij Sandvik Coromant. "Naarmate het vliegtuig lichter wordt, worden de motoren efficiënter."

De Boeing 787 is bijvoorbeeld gemaakt van ongeveer 50 procent CFRP en gebruikt 20 tot 25 procent minder vliegtuigbrandstof dan een vergelijkbaar aluminium vliegtuig. De composiet romp wordt vervaardigd in volledige ronde loopsecties, in plaats van in segmenten en stukken. Het construeren van zo'n vlak leidt echter tot uitdagingen in het ontwikkelingsproces van de bewerking.

"Normaal gesproken zouden we, als we aan een motoronderdeel werken, experimenteren met het snijgereedschap en het proces op het onderdeel zelf, maar we kunnen niet oefenen met het boren van gaten in de zijkant van een romp van $ 30 miljoen", zegt Jeffrey Washburn, product manager bij Sandvik Coromant. "Dus alle procestests en -ontwikkeling vinden afzonderlijk plaats op 'coupons' die nauw het uiteindelijke onderdeel vertegenwoordigen."

Wilt u dieper gaan? Lees meer over de lichtgewicht maar sterke materialen die in de ruimtevaart worden gebruikt. Lees:"Uitdagingen voor snijden:composieten met gemengde matrix en vezelversterkte composieten."

Gereedschappen voor het frezen en boren van composieten

“Koolstofvezelmateriaal is erg schurend”, zegt Den Boer. "Dus met een typisch hardmetalen snijgereedschap dat enkele honderden gaten op een metaal zoals aluminium kan meegaan, krijg je misschien maar 20 gaten op CFRP."

Om langer mee te gaan, moeten werktuigmachines voor CFRP ofwel geaderde polykristallijne diamant (PCD) zijn of gecoat zijn met een laag submicron diamantdeeltjes, wat elk gereedschap duurder maakt dan traditionele gereedschappen. Maar volgens Washburn komt de juiste manier om de productiekosten van een onderdeel te meten neer op de kosten per geboord gat, niet op de kosten per gereedschap.

Een andere overweging zijn de kosten van gereedschapswisselingen.

"Stel dat je de bovenkant van de romp freest op een grote portaal-CNC-machine die 10 tot 15 minuten nodig heeft om naar beneden te komen, een nieuw gereedschap te vervangen en terug naar de top te gaan", zegt Den Boer. "Als je de machinetijd vergelijkt die nodig is voor één diamantgecoat gereedschap op een hele 787-sectie met het vervangen van 80 of 90 hardmetalen gereedschappen, kan de rendabiliteit gerechtvaardigd zijn."

Gereedschapsmateriaal is niet het enige verschil voor CFRP-bewerking. In tegenstelling tot metalen zijn volgens Washburn de twee meest uitdagende problemen bij het frezen en boren van CFRP vezels in het gat en delaminatie.

"Als ze de kwaliteit van een gat analyseren, is het misschien perfect op maat, maar als de snijwerking van het gereedschap ongesneden vezels in het gat zelf achterlaat, wordt dat niet als een goede snede beschouwd", zegt Washburn. "En als je langs de rand van het oppervlak freest, wil je het gereedschap scherp genoeg houden om de vezels netjes te blijven snijden, zonder ze uit het oppervlak te trekken of te delamineren."

Volgens Washburn hebben gereedschappen die zijn ontworpen voor CFRP een heel andere set geometrieën, afhankelijk van het proces en de toepassing.

"Een typische vingerfrees met een helix wil het materiaal altijd uit de snede tillen, en dus als we proberen een metaalsnijgeometrie op koolstofvezel toe te passen, zal dat de neiging hebben om het materiaal te delamineren, omdat de spiraalhoek omhoog trekt aan de oppervlak”, zegt hij. "Het antwoord is om gereedschappen te ontwerpen die vanaf de onderkant omhoog trekken en tegelijkertijd van de bovenkant naar beneden duwen - om het materiaal een beetje samen te knijpen zodat het niet delamineert."

CFRP stapelen met metalen

Maar deze speciale gereedschappen werken meestal niet in metaaltoepassingen, wat tot een andere complicatie leidt.

"Composieten worden vaak gestapeld met andere materialen, dus je kunt bijvoorbeeld door CFRP boren en dan een laag titanium of aluminium raken - en het gereedschap moet beide kunnen bewerken om één enkel gat te produceren", zegt Washburn.

De verschillen in taaiheid en slijtage tussen de materialen in een stapel vragen om creatieve oplossingen.

"Een uitdaging bij het bewerken van CFRP dat is gestapeld met metalen platen, is dat veel van deze vliegtuigonderdelen niet kunnen worden blootgesteld aan snijvloeistof voor koeling en het afvoeren van spanen", zegt Washburn. "Dit levert bijvoorbeeld een probleem op bij het bewerken van titanium zonder koelvloeistof."

"Mensen proberen verschillende dingen om de verschillende lagen op te vangen, zoals het toevoegen van een spaanbreker voor een aluminiumplaat, om te voorkomen dat lange spaanstrengen de vezels scheuren en het gat te groot maken", zegt Den Boer.

"Als de gaten worden geboord met automatische boorunits, hebben sommige van de nieuwere programmeerbare RPM en voedingssnelheden, zodat je de CFRP in een stapel met één snelheid en voeding kunt boren en zodra je het titanium raakt, kun je wisselen de snijgegevens en optimaliseer deze voor elke laag”, zegt Den Boer.

Heb je ooit problemen ondervonden bij het snijden van CFRP-composieten? Vertel ons wat er is gebeurd en hoe je het hebt opgelost.