La selezione di geometrie e qualità deve avvenire in base alla struttura del CFRP da lavorare. Per ottimizzare operazioni e set-up in base al tipo di macchina adottato, è possibile scegliere tra due punte standard di Sandvik Coromant.
C’è un gruppo di materiali la cui lavorazione presenta sempre nuove sfide: i compositi. Sebbene si tratti di materiali non particolarmente difficili da lavorare, il problema risiede nel realizzare fori con limiti di qualità più stretti, in condizioni d’efficienza e sicurezza superiori, soprattutto quando i compositi sono agglomerati con strati di metallo. Ciò ha richiesto un approccio differente, con soluzioni altamente dedicate ad applicazioni specifiche.
di Luigi Ortese
L’impiego di plastiche rinforzate con fibra di carbonio (CFRP) sta aumentando, non solo nell’industria aerospaziale, ma anche in altri settori, automotive e difesa in particolare. I componenti prevedono spesso una grande quantità di fori e, per garantire la sicurezza del prodotto, la qualità è diventata un fattore di competitività. La foratura di CFRP può comportare una serie di problemi e difetti specifici del materiale, come la delaminazione e la frammentazione. Inoltre, quando lo stesso utensile deve perforare agglomerati di metallo, come l’alluminio o il titanio, il ricorso a soluzioni dedicate diventa ancor più importante, perché l’utensile deve trattare materiali con una lavorabilità completamente differente e talvolta difficile, oltre che risolvere problemi di formazione ed evacuazione dei trucioli.
Il numero di lavorazioni dei componenti in CFRP e agglomerati di CFRP/metallo è generalmente inferiore a quello dei convenzionali componenti in metallo, ma, proprio a causa delle proprietà del materiale, può risultare più difficile lavorare determinate specifiche. La foratura di CFRP implica la fratturazione della parte in fibra del materiale e, per ottenere tagli “precisi”, è necessario un diverso approccio relativamente a utensili e metodi. Essendo cattivi conduttori di calore, non producono trucioli e il calore generato durante la lavorazione diventa un problema per quella parte di materiale costituita da resina. Rispetto ai metalli, con i compositi è più facile individuare i punti deboli del processo di lavorazione. La grande variazione in termini di caratteristiche, imprevedibilità e la sempre maggiore importanza come materiali dei componenti, richiede una strategia di continuo miglioramento del processo di lavorazione.
PIANIFICARE IN ANTICIPO
Pianificare la produzione significa definire l’applicazione nei minimi dettagli, in modo da garantire il successo del processo di lavorazione. I dati da considerare includono: numero di fori da eseguire; dimensione, profondità e tolleranza foro; tipo di macchina o equipaggiamento di produzione utilizzato; stabilità del set-up; caratteristiche del materiale. Fondamentale è anche la raccolta di esperienze documentate sulla lavorazione di materiali simili e il coinvolgimento di un fornitore di utensili esperto e in grado di proporre i prodotti migliori.
Un utensile da taglio dedicato, correttamente indicato e applicato, è la chiave per ottenere fori di buona qualità. Durante la lavorazione di componenti in CFRP o agglomerati di CFRP/metallo, inoltre, contribuirà a minimizzare la contaminazione dovuta alla polvere. I fori realizzati nei materiali compositi non hanno gli stessi indicatori di qualità dei fori in metallo. Non ci sono trucioli e, generalmente, la finitura superficiale convenzionale non è indicativa. La qualità dei fori si basa sul grado di separazione dello strato di fondo del materiale (delaminazione) e sulla quantità di fibre sfilacciate all’interno nel foro (frammentazione). Questi problemi, tuttavia, non sono rilevabili direttamente e, insieme alla necessità d’assicurare la corretta azione di taglio dell’utensile, rappresentano una sfida. Senza dimenticare che spesso la qualità dei fori si deteriora prima che l’utensile mostri un qualunque segno di usura. A causa della durezza delle fibre, i CFRP sono abrasivi quando vengono lavorati. Se legati con resine più deboli, le fibre tendono a fuoriuscire, per effetto della diversa elasticità dei materiali e per la frattura tra gli strati. Ciò espone l’entrata, l’uscita e le pareti dei fori a danni non compatibili con i limiti di qualità previsti. Inoltre, quando agglomerati con metalli come il titanio o l’alluminio, l’utensile deve avere una corretta, ampia capacità di penetrazione.
CoroDrill® 854 è indicata su materiali a prevalenza di fibre ed ha, inoltre, una grande capacità di minimizzare la tendenza allo sfilacciamento nei fori.
ID(ENTITÀ) OBBLIGATORIA
I CFRP in produzione hanno bisogno di un nuovo approccio e, quando si stabiliscono le caratteristiche del materiale da lavorare, i test rappresentano un importante indicatore per scegliere il migliore utensile e i più adeguati dati di taglio in base alle raccomandazioni del fornitore dell’utensile. Non si tratta di materiali omogenei e il loro campo di lavorabilità è superiore a quello dei metalli. I CFRP devono essere individuati in base a superficie, struttura, fibre, resina e spessore (profondità dei fori). Con gli agglomerati, sono fattori importanti anche il tipo di metallo e il relativo spessore.
La scelta dell’utensile da taglio dipende anche dalla capacità e dalla stabilità dell’equipaggiamento, macchina e set-up. Generalmente si tratta di sistemi automatizzati, ad avanzamento automatico o manuale, sotto forma di macchine CNC, robot, macchine portatili ad avanzamento automatico o utensili manuali. Inoltre, le esigenze dell’operazione e l’esperienza degli operatori possono variare al punto di doverle compensare con la selezione dell’utensile. Il numero di fori da eseguire è spesso considerato un fattore di costo dell’utensile. Per rendere efficiente la foratura di un gran numero di fori in un determinato tipo di CFRP, è necessario un utensile ottimizzato, spesso più costoso. Una minore quantità di fori, d’altra parte, combinata alla capacità di far fronte a diversi tipi di CFRP, su diversi componenti e con diversi set-up, impone la scelta di utensili versatili.
NUOVE SOLUZIONI
Attualmente, le principali soluzioni in tema di utensili si basano su punte in metallo duro con rivestimento di diamante e su punte con riporto di diamante depositato secondo la tecnologia Vein, in versione standard, semi-standard o speciale. Il PCD (diamante policristallino) è il materiale più duro e quindi il più resistente all’usura. Di conseguenza, è perfetto per la lavorazione di CFRP e materiali agglomerati. Una punta in metallo duro, come materiale da taglio centrale, con un tagliente in PCD, è oggi considerata la migliore opzione per la foratura dei compositi, in particolare quando i livelli di qualità e uniformità sono più rigorosi e le esigenze di produttività più elevate. L’utensile in metallo duro può essere rinforzato intervenendo sulla geometria e sullo stelo, in modo che fornisca la migliore azione di taglio massimizzando, nel contempo, spazio e capacità d’evacuazione dei trucioli. Le punte in metallo duro sono particolarmente adatte a diverse operazioni instabili che coinvolgono l’impiego di utensili manuali e spinte disuniformi da parte degli operatori, o ancora in presenza di variazioni nel disimpegno tra la punta e la bussola di guida. Come tali, sono ideali anche per molte operazioni ad avanzamento automatico e in macchine che prevedono passate singole nei materiali agglomerati. Il miglior risultato si ottiene quando i due materiali da taglio vengono combinati in un singolo utensile, in considerazione del fatto che metallo duro e PCD hanno vantaggi e limiti differenti: il metallo duro è molto robusto ma, nei materiali abrasivi, si usura rapidamente mentre il PCD è molto resistente all’usura, ma fragile. Le punte standard, semi-standard e speciali con rivestimento PCD sono disponibili in una serie di geometrie e qualità adatte a materiali e condizioni di lavorazione differenti. Questi utensili sono stati studiati in modo da garantire la foratura ottimale di CFRP arricchite di fibra o di resina e di materiali agglomerati.
La selezione di geometrie e qualità deve avvenire in base alla struttura del CFRP da lavorare. Per ottimizzare operazioni e set-up in base al tipo di macchina adottato, è possibile scegliere tra due punte standard di Sandvik Coromant. La prima, CoroDrill® 854, è migliore su materiali a prevalenza di fibre ed ha, inoltre, una grande capacità di minimizzare la tendenza allo sfilacciamento nei fori. La periferia di questa punta presenta una cuspide a sperone per tagliare meglio le fibre, evitando così la frammentazione. È ottima anche per combinazioni di materiali CFRP agglomerati con strati di alluminio.
CoroDrill® 856 è specifica per la foratura di CFRP a prevalenza di resina. La sua geometria di taglio a doppio angolo offre la possibilità di rendere più “morbide” le entrate e le uscite, riducendo al minimo le tendenze alla delaminazione. Grazie alle opzioni “Tailor Made” di Sandvik Coromant, inoltre, è possibile ottenere ulteriori ottimizzazioni. La semistandardizzazione è il modo per utilizzare una punta universale nei CFRP e nei materiali agglomerati con alluminio. La versatilità conseguita con un’opzione semi-standard sui materiali arricchiti di fibra ne fa la soluzione migliore e più versatile per numerose applicazioni.
Le moderne qualità PCD per variazioni di geometria forniscono diverse alternative per garantire lunga durata del tagliente, tolleranze strette e riduzione dei tempi di lavorazione. Un rivestimento tipo diamante è un’alternativa, per le punte in metallo duro, che permette di avere un utensile versatile e a basso costo che può essere riaffilato.
COMBINAZIONE ESCLUSIVA
Un nuovo tipo di punta per CFRP e materiali agglomerati è basato sulla Vein-Technology. Il tagliente in PCD è integrato nel corpo della punta in metallo duro. Si tratta di un metodo avanzato, basato su un processo brevettato e sviluppato nel corso degli ultimi vent’anni, che sfrutta nel modo migliore le potenzialità di un tagliente in PCD duro e resistente all’usura su uno stelo di metallo duro più tenace. Il tagliente in PCD viene depositato in una “venatura” posizionata lontano dalla cuspide della punta, creando così una giunzione ad alta resistenza. La geometria finale dell’utensile viene poi rettificata, lasciando il tagliente protetto in qualche misura dalla parte di metallo duro della punta. La Vein-Technology permette una grande variazione nella geometria dell’utensile, impossibile da ottenere con il processo convenzionale delle punte in PCD. Questa tecnologia consente anche la gestione di set-up meno rigidi nelle applicazioni stabili che prevedono la foratura di precisione di un gran numero di fori identici.
Generalmente, la punta in PCD-Vein viene realizzata per soluzioni che prevedono un set-up automatizzato che ottimizza prestazioni e costanza della qualità dei fori nella lavorazione di CFRP. Parte del suo esclusivo tagliente può includere angoli rinforzati per raggiungere maggiori velocità di taglio, salvaguardando la capacità di mantenere stretti limiti di entrata e di uscita. Queste punte possono essere realizzate anche per CFRP agglomerati con metalli e fornite con micro riaffilature localizzate per gestire le zone più fortemente sollecitate. Questo conferisce alla punta una capacità ancora maggiore di rimanere affilata e precisa per tutta la sua vita operativa. Il tagliente della punta taglia le fibre di CFRP a bassa spinta, con livelli minimi di sfilacciamento delle stesse, delaminazione e bave all’uscita dal metallo agglomerato.
L’applicazione di punte moderne e dedicate è fondamentale per il successo quando si lavorano fori in CFRP e in materiali agglomerati con CFRP/metallo. La necessità di ottenere livelli costanti di qualità, di salvaguardare la sicurezza dell’operatore e di minimizzare gli scarti, oltre che il crescente bisogno di ridurre i tempi di produzione, richiedono una tecnologia basata sull’esperienza e su grandi risorse di R&S globali. Sandvik Coromant e Precorp, affermati innovatori e fornitori di soluzioni di lavorazione, hanno unito le loro forze per offrire utensili modernissimi, a marchi congiunti, per i compositi. Le innovative punte di metallo duro standard e speciali in PCD rappresentano la soluzione alle sfide di questi materiali presenti nel settore aerospaziale e non solo.
CoroDrill® 856 è specifica per la foratura di CFRP a prevalenza di resina. La sua geometria di taglio a doppio angolo offre la possibilità di rendere più “morbide” le entrate e le uscite, riducendo al minimo le tendenze alla delaminazione.
Nota: Ringraziamo Sandvik Coromant per aver fornito il testo e le foto di questo articolo.
