Point de mire sur l'aérospatiale :forage et fraisage de composites CFRP

Dans l'aérospatiale, travailler avec des matériaux composites légers est la norme. Nous nous sommes récemment entretenus avec Sandvik Coromant pour discuter des problèmes courants de travail des métaux dans les composites en fibre de carbone et des moyens de les résoudre.

Les matériaux composites tels que le polymère renforcé de fibres de carbone sont incroyablement abrasifs et nécessitent différentes approches de fraisage et de perçage pour éviter le délaminage des couches et des fibres tirées. Les outils et les méthodes standard conçus pour travailler le métal ne suffiront pas lorsqu'il s'agira de fabriquer des composants aérospatiaux faits de ces matériaux.

"La fibre de carbone vous offre une résistance supérieure avec beaucoup moins de poids, donc dans l'aérospatiale commerciale, cela permet des choses vraiment positives", déclare David Den Boer, spécialiste de l'industrie aérospatiale et ingénieur chez Sandvik Coromant. « À mesure que l'avion devient plus léger, les moteurs deviennent plus efficaces. »

Par exemple, le Boeing 787 est composé d'environ 50 % de CFRP et utilise 20 à 25 % de carburéacteur en moins qu'un avion en aluminium comparable. Le fuselage composite est fabriqué en sections de canon rondes complètes, plutôt qu'en segments et pièces. Cependant, la construction d'un tel plan entraîne des défis dans le processus de développement de l'usinage.

"Normalement, si nous travaillons sur une pièce de moteur, nous expérimentons l'outil de coupe et le processus sur le composant lui-même, mais nous ne pouvons pas nous entraîner à percer des trous sur le côté d'un fuselage de 30 millions de dollars", explique Jeffrey Washburn, produit responsable chez Sandvik Coromant. "Ainsi, tous les tests et développements de processus ont lieu séparément sur des" coupons "qui représentent étroitement le composant final."

Vous voulez aller plus loin ? En savoir plus sur les matériaux légers mais solides utilisés dans l'aérospatiale. Lire :« Défis de coupe :composites à matrice mixte et composites renforcés de fibres ».

Outils pour le fraisage et le perçage des composites

"Le matériau en fibre de carbone est très abrasif", explique Den Boer. "Ainsi, avec un outil de coupe au carbure typique qui peut durer plusieurs centaines de trous sur un métal tel que l'aluminium, vous pourriez n'obtenir que 20 trous sur CFRP."

Pour durer plus longtemps, les machines-outils pour CFRP doivent être soit en diamant polycristallin veiné (PCD), soit recouvertes d'une couche de particules de diamant submicroniques, ce qui rend chaque outil plus coûteux que les outils traditionnels. Mais selon Washburn, la bonne façon de mesurer le coût de production d'une pièce se résume au coût par trou percé, et non au coût par outil.

Une autre considération est le coût des changements d'outils.

"Supposons que vous fraisiez le haut du fuselage sur une grosse machine CNC à portique qui prend 10 à 15 minutes pour descendre, changer un nouvel outil et remonter au sommet", explique Den Boer. "En comparant le temps machine nécessaire pour un outil revêtu de diamant sur une section entière du 787 avec le remplacement de 80 ou 90 outils en carbure, l'économie peut être justifiée."

Le matériau d'outillage n'est pas la seule différence pour l'usinage CFRP. Contrairement aux métaux, les deux problèmes les plus difficiles dans le fraisage et le perçage du CFRP sont les fibres dans le trou et le délaminage, selon Washburn.

"Lorsqu'ils analysent la qualité d'un trou, il peut être parfaitement dimensionné, mais si l'action de coupe de l'outil laisse des fibres non coupées dans le trou lui-même, ce n'est pas considéré comme une bonne coupe", déclare Washburn. "Et si vous fraisez le long du bord de la surface, vous voulez garder l'outil suffisamment affûté pour continuer à couper les fibres proprement, sans les retirer de la surface ni les délaminer."

Selon Washburn, les outils conçus pour le CFRP ont un ensemble de géométries très différent, selon le processus et l'application.

"Une fraise en bout typique avec une hélice veut toujours soulever le matériau de la coupe, et donc si nous essayons d'appliquer une géométrie de coupe de métal à la fibre de carbone, cela aura tendance à délaminer le matériau, car l'angle de l'hélice tire vers le haut sur le superficielle », dit-il. "La réponse est de concevoir des outils qui tirent vers le haut depuis le bas et poussent vers le bas depuis le haut en même temps, pour en quelque sorte presser le matériau ensemble afin qu'il ne se décolle pas."

Empiler du CFRP avec des métaux

Mais ces outils spéciaux ne fonctionnent généralement pas dans les applications métalliques, ce qui entraîne une autre complication.

"Les composites sont souvent empilés avec d'autres matériaux, vous pouvez donc percer à travers du CFRP, par exemple, puis frapper une couche de titane ou d'aluminium - et l'outil doit être capable d'usiner les deux pour produire un seul trou", explique Washburn.

Les différences de ténacité et d'abrasion entre les matériaux d'une pile appellent des solutions créatives.

"L'un des défis de l'usinage de CFRP empilés avec des tôles est que beaucoup de ces composants d'avion ne peuvent pas être exposés au fluide de coupe pour le refroidissement et l'évacuation des copeaux", déclare Washburn. "Cela pose un problème, par exemple, lorsque l'on essaie d'usiner du titane sans liquide de refroidissement."

"Les gens essaient différentes choses pour s'adapter aux différentes couches, comme l'ajout d'un brise-copeaux pour une feuille d'aluminium, pour éviter que de longues chaînes de copeaux ne déchirent les fibres et ne rendent le trou trop grand", explique Den Boer.

"Si les trous seront percés avec des unités de perçage automatiques, certaines des plus récentes ont des vitesses de rotation et d'alimentation programmables, vous pouvez donc percer le CFRP dans une pile à une vitesse et une alimentation et dès que vous touchez le titane, vous pouvez changer les données de coupe et les optimiser pour chaque couche », explique Den Boer.

Avez-vous déjà rencontré des problèmes lors de la découpe de composites CFRP ? Dites-nous ce qui s'est passé et comment vous l'avez résolu.