Optimaliseren van Boren en Frezen van CFRP Composieten in de Luchtvaart

In de luchtvaart is werken met lichte composietmaterialen de norm. We spraken onlangs met Sandvik Coromant om veelvoorkomende metaalbewerkingsproblemen in koolstofvezel-composieten en de manieren om ze te overwinnen te bespreken.

Composietmaterialen zoals koolstofvezel-versterkte polymeren zijn ongelooflijk abrasief en vereisen verschillende benaderingen voor frezen en boren om delaminatie van de lagen en uittrekken van vezels te voorkomen. Standaard gereedschappen en methoden ontworpen voor het werken van metaal snijden het simpelweg niet wanneer het gaat om het fabriceren van luchtvaartcomponenten gemaakt van deze materialen.

"Koolstofvezel geeft u superieure kracht met veel minder gewicht, dus in commerciële luchtvaart, dat stelt sommige echt positieve dingen voor," zegt David Den Boer, luchtvaartindustrie specialist en ingenieur bij Sandvik Coromant. "Naarmate het vliegtuig lichter wordt, worden de motoren efficiënter."

Bijvoorbeeld, de Boeing 787 is gemaakt van ongeveer 50 procent CFRP en gebruikt 20 tot 25 procent minder straalbrandstof dan een vergelijkbaar aluminiumvliegtuig. De composiet-rumpf wordt in volledige ronde vatsecties geproduceerd, in plaats van in segmenten en stukken. Echter, het bouwen van zo'n vliegtuig leidt tot uitdagingen in het bewerkingsontwikkelingsproces.

"Normaal als we aan een motoronderdeel werken, zouden we experimenteren met het snijgereedschap en het proces op het onderdeel zelf, maar we kunnen niet oefenen met gaten boren in de kant van een $30 miljoen rumpf," zegt Jeffrey Washburn, productmanager bij Sandvik Coromant. "Dus alle proces testen en ontwikkeling vindt apart plaats op 'coupons' die het eindonderdeel nauwkeurig vertegenwoordigen."

Wilt u dieper ingaan? Leer meer over de lichte maar sterke materialen die in de luchtvaart gebruikt worden. Lees: "Snijuitdagingen: Gemengde-Matrix Composieten en Vezel-Versterkte Composieten."

Gereedschappen voor Frezen en Boren van Composieten

"Koolstofvezel-materiaal is erg abrasief," zegt Den Boer. "Dus met een typisch hardmetaal snijgereedschap dat misschien diverse honderden gaten kan duren op een metaal zoals aluminium, kunt u misschien alleen 20 gaten op CFRP krijgen."

Om langer te duren, moeten machinegereedschappen voor CFRP of geaderd polycristallijn diamant (PCD) zijn of gecoat met een laag submicron diamantdeeltjes — wat elk gereedschap duurder maakt dan traditionele gereedschappen. Maar volgens Washburn is de juiste manier om de kost van het produceren van een onderdeel te meten de kost per geboord gat, niet de kost per gereedschap.

Een ander overweging is de kost van gereedschapswissels.

"Laten we zeggen dat u de bovenkant van de rumpf freest op een grote gantry CNC machine die 10 tot 15 minuten nodig heeft om neer te komen, een nieuw gereedschap te wisselen en terug omhoog te gaan naar de bovenkant," zegt Den Boer. "De machinetijd die nodig is voor één diamant-gecoat gereedschap op een gehele 787 sectie te vergelijken met het wisselen van 80 of 90 hardmetaal gereedschappen, de economie kan gerechtvaardigd worden."

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

"Wanneer ze de kwaliteit van een gat analyseren, kan het perfect op maat zijn, maar als de snijactie van het gereedschap ongesneden vezels in het gat zelf achterlaat, wordt dat niet als een goede snede beschouwd," zegt Washburn. "En als u langs de rand van het oppervlak freest, wilt u het gereedschap scherp genoeg houden om de vezels schoon te blijven snijden, zonder ze uit het oppervlak te trekken of te delamineren."

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

"Een typische eindfrezen met een heling wil altijd het materiaal uit de snijde tillen, en dus als we proberen een metaalsnijgeometrie toe te passen op koolstofvezel, zal dat neigen om het materiaal te delamineren, omdat de helingshoek omhoog trekt op het oppervlak," zegt hij. "Het antwoord is om gereedschappen te ontwerpen die van onderen optrekken en van boven duwen — om het materiaal als het ware samen te knijpen zodat het niet delamineert."

CFRP Stapelmet Metalen

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

"Composieten worden vaak gestapeld met andere materialen, dus u kunt bijvoorbeeld boren door CFRP, en dan een laag titanium of aluminium raken — en het gereedschap moet in staat zijn om beide te machine om een enkel gat te produceren," zegt Washburn.

De verschillen in zwaarte en abrasie tussen de materialen in een stapel roepen creatieve oplossingen op.

"Een uitdaging bij het machine van CFRP gestapeld met metalen bladen is dat veel van deze vliegtuigcomponenten niet blootgesteld mogen worden aan snijvocht voor koeling en wegnemen van spaan," zegt Washburn. "Dit presenteert een probleem, bijvoorbeeld bij het proberen titanium te machine zonder koelstof."

"Mensen proberen verschillende dingen om de verschillende lagen te accommoderen, zoals een chipbreaker toevoegen voor een aluminiumblad, om te voorkomen dat lange spaanstrengen de vezels uittrekken en het gat te groot maken," zegt Den Boer.

"Als de gaten geboord zullen worden met automatische booreenheden, hebben sommige van de nieuwere programmeerbare RPM en voedsnelheden, dus u kunt de CFRP in een stapel boren op één snelheid en voeding en zodra u de titanium raakt, kunt u de snijdata veranderen, en het optimaliseren voor elke laag," zegt Den Boer.

Heeft u ooit problemen gehad met snijden van CFRP composieten? Vertel ons wat er gebeurde en hoe u het oploste.