ZERO SORPRESE NELLA LAVORAZIONE DI COMPOSITI

Nella maggior parte dei componenti aerospaziali, i costruttori hanno tre possibilità per realizzare correttamente un foro — dopodiché sarà impossibile rilavorarlo entro le specifiche di progettazione richieste. Se anche per un solo foro questi tre tentativi dovessero fallire, in termini di diametro, finitura superficiale o delaminazione, l'intero componente dovrebbe essere scartato. Considerato l'incredibile valore dei componenti aerospaziali, la realizzazione di fori rappresenta un'operazione rischiosa, soprattutto nella foratura di materiali compositi, che comporta requisiti ancora maggiori.

La realizzazione di fori è uno dei processi più diffusi nella lavorazione di compositi. La lavorazione di materiali compositi — che uniscono due o più materiali che presentano diverse proprietà fisiche e chimiche — prevede il taglio (o fratturazione) della fibra che compone il materiale. Se questa operazione viene eseguita in maniera scorretta, gli strati del materiale composito si staccano dalla propria sede. Secondo i clienti di Sandvik Coromant questo fenomeno, noto come delaminazione, rappresenta il fattore più limitante nella produzione.

La delaminazione influisce sulla qualità e ripetibilità del foro, sulla qualità e integrità del prodotto finale e sui profitti del costruttore. Una migliore qualità del foro è fondamentale per prevenire la rottura del componente ed è fortemente influenzata dai processi di produzione adottati per la lavorazione o la finitura dei fori.

Anche la quantità di calore generata durante la lavorazione di compositi è importante. La scarsa conduttività termica del materiale e l'assenza di trucioli comportano dei rischi per la resina che tiene insieme le fibre del materiale. In altre parole, la lavorazione di compositi mette in evidenza quelle debolezze del processo di lavorazione che passerebbero altrimenti inosservate.

Tali debolezze sono ulteriormente enfatizzate dalla sempre maggiore varietà (e imprevedibilità) dei materiali compositi disponibili sul mercato, il che rende difficile essere competitivi in quest'area.

Perché affrontare l'argomento adesso? Il fatto è che, nell'era del COVID-19, la qualità dei fori ha assunto un ruolo più importante che mai. Secondo una ricerca di Euromonitor International, circa il 50% delle aziende progetta di ridefinire le proprie strategie digitali. Un terzo degli intervistati nell'ambito dell'indagine Voice of the Industry 2020 di Euromonitor afferma di voler accelerare gli investimenti nell'automazione — motivo per cui è importante realizzare correttamente i fori anche in scenari di produzione non presidiata.

Di conseguenza, i costruttori devono continuare a rivedere i propri processi di foratura dei compositi.

Usura prevedibile

Abbiamo stabilito che l'integrità superficiale dei fori rappresenta un problema serio per i costruttori aerospaziali. Ma quale può essere il ruolo degli utensili nella risoluzione di tali problemi — e come può una punta migliore favorire le strategie di automazione?

Prima di tutto, prendiamo in considerazione il risultato ideale a cui mirano i costruttori. Fori di buona qualità, uniformi e ripetibili. Ovviamente tutti gli utensili si usurano nel tempo, ma l'usura deve essere sempre uniforme e prevedibile.

Non si può sottolineare a sufficienza l'importanza della prevedibilità dell'usura. In genere, le macchine CNC vengono programmate per estrarre l'utensile in corrispondenza del cosiddetto "punto di guasto". Di conseguenza, se il ciclo di vita della punta non è uniforme, in un terribile ma realistico scenario si potrebbe ridurre la durata utensile di gran parte dei propri prodotti del 50%. Quando Sandvik Coromant mette a disposizione una punta, deve poter garantire che questa durerà per un numero prevedibile di minuti, indipendentemente dalle circostanze — ogni singola volta!

Migliore fin dalla progettazione

Ecco perché Sandvik Coromant ha sviluppato la punta CoroDrill^® 863-O ad alte prestazioni per la lavorazione di compositi, tra cui i materiali CFRP (rinforzati con fibra di carbonio) e GFRP (rinforzati con fibra di vetro). La punta è stata progettata prestando particolare attenzione ai settori che fanno ampio uso di materiali compositi e necessitano di una maggior quantità di materiale forato per utensile — come ad esempio l'industria aerospaziale, che utilizza materiali compositi per la produzione di telai e altri componenti di velivoli.

Per sviluppare CoroDrill^® 863-O, dove la O rappresenta le applicazioni che coinvolgono soli compositi, per prima cosa abbiamo applicato la punta al materiale che nell'aerospaziale è più propenso alla delaminazione. Nello specifico, un laminato unidirezionale senza materiali tessuti o peel-ply, più comunemente impiegato per ali e fusoliere aerospaziali. Abbiamo mappato digitalmente la delaminazione per determinare la quantità esatta di delaminazione durante il ciclo di vita degli utensili.

Le tolleranze impostate, ossia la quantità di delaminazione considerata accettabile per ciascun foro, erano estremamente strette. I dati hanno confermato che siamo riusciti a ottimizzare alcuni aspetti essenziali nel design della punta, come l'angolo d'elica — o la scanalatura a spirale attorno alla punta. Un'elica superiore favorisce l'evacuazione truciolo, aiutando a ridurre la delaminazione sul lato di uscita. Per contro, un'elica troppo elevata può separare gli strati del materiale composito sul lato di ingresso. In entrambi i casi, questo può portare gli strati o le fibre a sporgere dal foro.

Altre caratteristiche fondamentali di CoroDrill 863-O sono il profilo e la qualità. I materiali compositi non sono omogenei e l'aggiunta di nuovi materiali in un ciclo di produzione presenta sfide uniche, che includono spessore, tipo di composizione, ecc. Le straordinarie caratteristiche di CoroDrill 863-O sono ideate per gestire qualsiasi materiale.

Poi c'è la questione della qualità. Le punte in metallo duro sono adatte alla lavorazione di componenti aerospaziali perché il metallo duro rafforza l'utensile attraverso la geometria di taglio e lo stelo. Questo ottimizza l'azione di taglio, massimizzando il disimpegno e l'evacuazione di materiale. Tuttavia, a causa della natura abrasiva dei compositi, il metallo duro si usura molto in fretta. Questo rappresenta un problema soprattutto nei setup di produzione automatizzati.

Per risolverlo, CoroDrill 863-O è dotata di tecnologia CVD (deposizione chimica mediante vapore). Il CVD è un materiale estremamente duro, ideale per la lavorazione di materiali compositi e agglomerati. Mediante l'applicazione di strati di CVD lungo tutto il tagliente è possibile aumentare notevolmente la durata utensile e, grazie al basso coefficiente di attrito e all'elevata conduttività del calore garantiti dal CVD, i taglienti sono meno soggetti alla formazione di tagliente di riporto (T.d.R.). Rimanendo affilato, il CVD allontana il calore e presenta un basso attrito, minimizzando l'insorgere di problemi legati ai fori.

Di conseguenza, le qualità CVD risultano preferibili nelle operazioni che prevedono la realizzazione di molti fori e richiedono una maggiore produttività.

Robot ben attrezzati e test sul campo

La famiglia CoroDrill 863 sta già offrendo i propri vantaggi ai costruttori nei setup di produzione automatizzati — che siano robot o macchine CNC. Disponibile con rivestimento in metallo duro, diamante policristallino (PCD) e CVD, la punta può essere tranquillamente lasciata a lavorare qualsiasi tipo di materiale difficile — compositi, alluminio, titanio, superleghe resistenti al calore e acciaio inossidabile — in processi non presidiati.

Una volta uscita dal laboratorio, le prestazioni di CoroDrill 863-O sono state messe alla prova mediante la realizzazione di fori in un componente in fibra di carbonio. La fibra di carbonio è una scelta diffusa nelle applicazioni aerospaziali, poiché il miglior rapporto forza/peso del materiale è ideale per realizzare strutture più leggere.

Il componente, con uno spessore medio di 0.25 pollici, è stato sottoposto a due cicli di foratura con la geometria CoroDrill^® 863-O, che impiega la nostra variante di CVD denominata O1AD per garantire una maggiore resistenza all'usura nei materiali compositi. Il pezzo è stato inizialmente lavorato con la punta 863-O con un diametro di taglio (DC) di 6.37 mm (0.25 pollici), per poi passare a un DC di 4.85 mm (0.191 pollici).

In entrambi i cicli e con tutti gli utensili, la punta 863-O ha garantito risultati eccezionali. Nella fibra di carbonio sono stati realizzati 400 fori con un DC di 6.37 mm (0.25 pollici) e 560 fori con un DC di 4.85 mm (0.191 pollici). Anche nella fase più precoce della durata utensile, i risultati hanno più che soddisfatto i parametri ottenuti durante i test in laboratorio.

Attraverso il Capacity Data Management System di Sandvik Coromant abbiamo ottenuto una stima precisa della durata utensile. In generale, questo dimostra come il prodotto sia in grado di offrire un'eccellente durata utensile, un minor numero di cambi utensile e prestazioni affidabili e ripetibili nella lavorazione di compositi. Aspetto ancora più importante, in entrambi i cicli di prova i fori presentavano ridotti livelli di delaminazione in ingresso e uscita.

Risulta quindi chiaro che per avere successo nella realizzazione di fori è fondamentale disporre di utensili da taglio dedicati — soprattutto per quanto riguarda i componenti in materiali compositi o agglomerati. Utensili come la punta 863-O possono rivestire un ruolo fondamentale nell'aiutare le aziende a raggiungere la totale automazione dei processi, anche nella lavorazione di materiali compositi tenaci.

www.sandvik.coromant.com