Snijuitdagingen Oplossen met Mixed-Matrix en Vezel-versterkte Composieten

Nieuw aan mixed matrix en vezel-versterkte materialen in de luchtvaart? Hier is een handleiding over hoe u met composietmaterialen kunt werken.

Naarmate veel industrieën, inclusief de luchtvaart, steeds lichtere componenten vragen, kunt u zich op een gegeven moment voor een CNC bewerkingscentrum staande vinden en zich afvragen: "Wat is dit spul dat ik aan het snijden ben?". Gereedschappen slijten snel, stof gaat overal heen, en bewerkte oppervlakken zijn ruw, uitgesplitst en vaak gekraakt.

Wat Zijn Composietmaterialen?

"Composietmaterialen zijn essentieel een combinatie van twee of meer ongelijksoortige materialen die samen gebruikt worden om de beste eigenschappen te combineren, of een nieuwe set kenmerken over te dragen die geen van de bestanddelenmaterialen op zich zou kunnen bereiken," schrijft Dr. Rainer Groh, een onderzoekassociate in non-lineaire structuren aan de Universiteit van Bristol in zijn Aerospace Engineering blog.

Eerst is het een goed idee om te begrijpen waarom composieten worden gebruikt: Het is omdat ze tegelijkertijd licht en sterk zijn. Klinkt eenvoudig genoeg om te begrijpen. Echter, de duivel, bij het snijden van composieten, zit in de details.

"De matrix is vatbaar voor oxidatie en degradatie door overmatige warmte, en de koolstofvezels snijden niet goed omdat ze breken in plaats van glad af te scheren," merkt American Machinist op in een artikel over koolstofvezel-versterkte polymer. "[H]et machinen van composieten resulteert in een reeks broze koolstofvezelbreuken die stof-achtige spanen produceren die heel weinig van de gegenereerde warmte door machinen wegnemen."

Vezel-versterkte Composieten vs. Matrix Composieten

Vloerbalken, stabilisatiepanelen, vluchtcontroleoppervlakken, deuren en schotten – dit zijn slechts enkele van de vele composiet- of laminaatonderdelen die vandaag in vliegtuigen te vinden zijn, waarvan de meeste gemaakt zijn van meervoudige composiet-metaal-composiet zandwiches of honingraat-achtige materialen zware exterieurs en bijna papierachtige structuren binnen.

Hoe ze ook geconstrueerd zijn, wat ze ook gelamineerd zijn in de luchtvaart, er zijn drie klassen van vezel-versterkte composieten die bestaan, waaronder keramisch, metaal en Kevlar. Op dezelfde manier zijn er drie matrix composiet klassen: fenolisch, polyester en epoxy. Deze materialen kunnen best lastig te machine zijn, maar met enige basiskennis en een kleine investering in apparatuur en tooling, zijn allemaal redelijk beheersbaar.

U heeft misschien composieten gehoord genoemd als CFRP (koolstofvezel versterkte plastic), metaal matrix composiet (MMC), aramide (wat Kevlar is), of tientallen andere wetenschappelijk klinkende namen. De sleutel ligt in het begrijpen van de verschillen met het werken met metaal.

"De verschuiving van metaal naar composiet constructie heeft van nature een verandering in de ontwerpmethodologie van vliegtuigcomponenten geïnduceerd," merkt Groh op. "Het moet in gedachten gehouden worden dat niet alleen de mechanische eigenschappen van composieten verschillen van die van metalen, maar dat een heel reeks fysieke en chemische eigenschappen anders zijn."

Composieten Snijden: Stof, Koolstofstof en Filtratiesystemen

Laten we beginnen met de nare stof die om uw hoofd zwiert. U wilt het niet inademen. Voor sommige toepassingen, kan het vloeden van machines met snijvloeistof een abrasieve modder creëren die uw dure CNC-machine kan beschadigen. Sommige composieten zuigen water op als een proverbiale spons, dus het aanbrengen van koelmiddel kan het werkstuk eigenlijk beschadigen als u niet de juiste apparatuur hebt. In andere composiettoepassingen kan koelmiddel echter een heel effectieve methode zijn om de stof te controleren, de standtijd van het gereedschap te verbeteren en de componentafwerkingen te verbeteren.

Een ander punt om u bewust van te zijn: Koolstofvezelstof is bekend om onder bepaalde omstandigheden te ontbranden. Duidelijke waarschuwingen daargelaten, de oplossing is eenvoudig genoeg – elke winkel die routinematig composieten snijdt, zou moeten investeren in een filtratiesysteem, geschikt voor het type materiaal dat bewerkt wordt. Een redelijk luchtdichte behuizing is ook een goed idee, maar zolang er voldoende vacuüm is om de stof op te zuigen en uit het werkgebied te halen, zou er geen probleem moeten zijn. Eventuele overgebleven stof kan opgeruimd worden met een Shop-Vac (zorg ervoor dat het filter in goede staat is). Hier zijn enkele sleutel best practices voor het filteren van composietstof:

• Raadpleeg uw machinedealer over de noodzaak voor een positieve druk spindel zoals gevonden in graafiet snijmachines
• Raadpleeg de materiaalleverancier over welke grootte en soort filtratie nodig is (er zijn veel variaties)
• En raadpleeg de klant over de onderdeel schoonheidsvereisten – vliegtuigfabrikanten zijn meestal heel specifiek over de aanwezigheid van stof en vreemde objecten (FOD) op bewerkte onderdelen

Gereedschappen voor Composietmaterialen Snijden: HSS Wegleggen

Wat snijgereedschappen betreft, kunt u vergeten over high speed steel. Composieten zijn over het algemeen tamelijk abrasief, en hoewel HSS zacht is, kan het de misbruik van het snijden van materiaal als schuurpapier niet aan. Als u maar een paar onderdelen te machine heeft, zal solid carbide werken, maar u hebt een heel scherpe rand nodig (dit betekent dat coatings waarschijnlijk uit de vraag zijn, dankzij de microscopische afronding van de rand die bij alle CVD en zelfs de meeste PVD coatings hoort).

De geometrie is ook belangrijk. De relatief steile helelhoeken op metaalsnijde frezen en boortjes neigen ertoe om de meeste composieten te delamineren, wat de lagen uittrekt en de materiaalintegriteit schadigt, vergelijkbaar met wat er gebeurt als u een gat boort in een stuk glasvezel (zelfs als u het misschien niet met het blote oog kunt zien). De beste optie is een neutrale of omgekeerde hel snijgereedschap zoals een routerbit voor hout of plastic bewerking, of frezen die speciaal geschlopen zijn voor composietwerk.

Dus voor boortjes, gebruik dubbele-hoek punten (ze lijken op Batman, met puntige oren aan weerskanten van de boortip) die krachten tijdens doorbraak verminderen en uittreden elimineren – om delaminatie op de uitgangsoppervlakte te voorkomen. Een andere optie is een brad-point boor, bekend bij houtwerkers. U kunt het gat ook interpoleren tot formaat met een neutrale rake frees of routerbit.

Composiet Materiaal Snijden: Diamanten zijn een Machinist's Beste Vriend

Voor hogere productiehoeveelheden, of waar randkwaliteit kritisch is (wat meestal het geval is), zijn polycristijne diamant-getipte gereedschappen en diamantgecoate gereedschappen de beste keuze. Gebraasde of wisselbare gereedschappen zijn het meest breed beschikbaar en zullen een uitstekend werk doen, maar hier weer, bieden sommige snijgereedschappenfabrikanten producten speciaal ontworpen voor CFRP en andere composieten. Evalueer deze specifieke typen snijgereedschappen waar maximale prestaties vereist zijn.

Welke aanpak u ook neemt met snijgereedschappen, voedingen en snelheden zijn onbekend territorium. Voor de beste resultaten, bel uw tooling leverancier en de materiaalfabrikant voor advies, reserveer wat tijd voor testen en documenteer alles wat u doet.

Extra Tips voor Werken Met en Snijden van Composietmaterialen

Vasthouden aan labiele composietonderdelen kan uitdagend zijn, dus kijk naar vacuümspanning of licht-geactiveerde lijmen. Als warmte een probleem wordt, probeer een koude luchtpistool op de werkzone te richten.

Hier zijn nog een paar composietwijzers om u in de goede richting te krijgen:

• Wees bewust van de onderliggende composiet vezelrichting en structuur, aangezien het misschien georiënteerd moet worden op bepaalde manieren om de gewenste bewerkingsresultaten te bereiken
• Gesandwichte materialen kunnen het gebruik van PCD ten gunste van carbide negateren
• Honingraat composieten, populair in luchtvaartstructuren, zijn ook onderworpen aan een ander spelboek – hier is climb frezen de voorkeursbenadering (iets wat vaak niet het geval is met composieten)

Het is een goed idee om het Boy Scout motto te volgen en voorbereid te zijn: Composiet bewerking komt uw kant op.

Hoe werkt u met composieten in uw winkel? Vertel ons uw snijverhalen.