Défis de coupe :composites à matrice mixte et composites renforcés de fibres

Vous êtes novice en matière de matrices mixtes et de matériaux renforcés de fibres dans l'aérospatiale ? Voici une introduction sur la façon de travailler avec des matériaux composites.

Alors que de nombreuses industries, y compris l'aérospatiale, continuent d'exiger des composants de plus en plus légers, vous pourriez vous retrouver un jour devant un centre d'usinage CNC en vous demandant :« Qu'est-ce que je coupe ? ». Les outils s'usent rapidement, la poussière se répand partout et les surfaces usinées sont rugueuses, ébréchées et souvent fissurées.

Que sont les matériaux composites ?

"Les matériaux composites sont essentiellement une combinaison de deux ou plusieurs matériaux différents qui sont utilisés ensemble afin de combiner les meilleures propriétés ou de conférer un nouvel ensemble de caractéristiques qu'aucun des matériaux constitutifs ne pourrait atteindre par lui-même", écrit le Dr Rainer Groh, un associé de recherche en structures non linéaires à l'Université de Bristol dans son blog Aerospace Engineering.

Tout d'abord, c'est une bonne idée de comprendre pourquoi les composites sont utilisés :c'est parce qu'ils sont à la fois légers et solides. Cela semble assez simple à comprendre. Cependant, le diable, lors de la découpe de composites, est dans les détails.

"La matrice est sensible à l'oxydation et à la dégradation due à une chaleur excessive, et les fibres de carbone ne coupent pas bien car elles se fracturent au lieu de se cisailler en douceur", note American Machinist dans un article sur le polymère renforcé de fibres de carbone. "[L]'usinage des composites entraîne une série de fractures cassantes de la fibre de carbone produisant des copeaux semblables à de la poussière qui emportent très peu de chaleur générée par l'usinage."

Composites renforcés de fibres par rapport aux composites matriciels

Poutres de plancher, panneaux stabilisateurs, surfaces de contrôle de vol, portes et cloisons - ce ne sont là que quelques-unes des nombreuses pièces composites ou stratifiées que l'on trouve aujourd'hui dans les avions, dont la plupart sont constituées de sandwichs multicouches composites-métal-composites ou de matériaux en nid d'abeille avec extérieurs durs et structures presque papyracées à l'intérieur.

Quelle que soit leur construction, quel que soit leur matériau de stratification dans l'aérospatiale, il existe trois classes de composites renforcés de fibres, notamment la céramique, le métal et le Kevlar. De même, il existe trois classes de composites à matrice :phénolique, polyester et époxy. Ces matériaux peuvent être assez difficiles à usiner, mais avec quelques connaissances de base et un peu d'investissement dans l'équipement et l'outillage, tout est assez gérable.

Vous avez peut-être entendu des composites appelés CFRP (plastique renforcé de fibres de carbone), composite à matrice métallique (MMC), aramide (qui est du Kevlar) ou des dizaines d'autres noms à consonance scientifique similaire. La clé est de comprendre les différences avec le travail du métal.

"Le passage de la construction métallique à la construction composite a naturellement induit un changement dans la méthodologie de conception des composants d'avions", note Groh. "Il faut garder à l'esprit que non seulement les propriétés mécaniques des composites diffèrent de celles des métaux, mais que toute une gamme de propriétés physiques et chimiques sont différentes."

Coupe des composites :poussière, poussière de carbone et systèmes de filtration

Commençons par la vilaine poussière qui tourbillonne autour de votre tête. Vous ne voulez pas inhaler les choses. Pour certaines applications, inonder les machines de fluide de coupe peut créer une boue abrasive qui pourrait endommager votre coûteuse machine CNC. Certains composites absorbent l'eau comme une éponge proverbiale, donc l'application de liquide de refroidissement peut en fait endommager la pièce si vous ne disposez pas du bon équipement. Dans d'autres applications composites, cependant, le liquide de refroidissement peut être une méthode très efficace pour contrôler la poussière, améliorer la durée de vie de l'outil et améliorer les finitions des composants.

Autre problème à prendre en compte :la poussière de fibre de carbone est connue pour s'enflammer dans certaines circonstances. Mis à part les avertissements, la solution est assez simple :tout atelier coupant régulièrement des composites devrait investir dans un système de filtration, adapté au type de matériau usiné. Une enceinte assez hermétique est également une bonne idée, mais tant qu'il y a suffisamment d'aspiration pour aspirer la poussière vers le haut et hors de la zone de travail, il ne devrait pas y avoir de problème. Toute poussière restante peut être nettoyée avec un Shop-Vac (assurez-vous simplement que le filtre est en bon état). Voici quelques bonnes pratiques clés pour filtrer la poussière composite :

• Vérifiez auprès de votre revendeur de machines s'il est nécessaire d'utiliser une broche à pression positive comme on en trouve dans les machines de découpe en graphite
• Vérifiez auprès du fournisseur de matériaux la taille et le type de filtration nécessaires (il existe de nombreuses variantes)
• Et vérifiez auprès du client les exigences de propreté des pièces ; les constructeurs d'avions sont généralement très attentifs à la présence de poussière et de corps étrangers (FOD) sur les pièces usinées

Outils de découpe de matériaux composites :rangez le HSS

En ce qui concerne les outils de coupe, vous pouvez oublier l'acier rapide. Les composites sont généralement assez abrasifs, et bien que le HSS soit résistant, il ne peut pas supporter l'abus de matériaux de coupe comme le papier de verre. Si vous n'avez que quelques pièces à usiner, le carbure monobloc fonctionnera, mais vous avez besoin d'un bord très tranchant (cela signifie que les revêtements sont probablement hors de question, grâce à l'arrondi microscopique des bords fourni avec tous les revêtements CVD et même la plupart des revêtements PVD ).

La géométrie est également importante. Les angles d'hélice relativement raides sur les fraises et les forets à métaux ont tendance à délaminer la plupart des composites, ce qui sépare les couches et endommage l'intégrité du matériau, similaire à ce qui se passe lorsque vous percez un trou dans un morceau de fibre de verre (même si vous ne pourriez pas pouvoir le voir à l'œil nu). Le meilleur pari est un outil de coupe à hélice neutre ou inversée comme une fraise pour l'usinage du bois ou du plastique, ou des fraises spécialement rectifiées pour le travail composite.

Donc, pour les forets, utilisez des points à double angle (ils ressemblent à Batman, avec des oreilles pointues de chaque côté de la pointe du foret) qui réduisent les forces lors de la percée et éliminent les éclats pour éviter le délaminage sur la surface de sortie. Une autre option est une perceuse à pointe brad, familière aux menuisiers. Vous pouvez également interpoler le trou à la taille avec une fraise en bout neutre ou une mèche de toupie.

Coupe de matériaux composites :les diamants sont les meilleurs amis des machinistes

Pour des quantités de production plus élevées, ou lorsque la qualité des arêtes est critique (ce qui est généralement le cas), les outils à pointe de diamant polycristallin et les outils revêtus de diamant sont le meilleur choix. Les outils brasés ou indexables sont les plus largement disponibles et feront un excellent travail, mais là encore, certains fabricants d'outils de coupe proposent des produits spécialement conçus pour le CFRP et d'autres composites. Évaluez ces types spécifiques d'outils de coupe partout où des performances maximales sont requises.

Quelle que soit l'approche que vous adopterez avec les outils de coupe, les avances et les vitesses seront un territoire inexploré. Pour de meilleurs résultats, appelez votre fournisseur d'outillage et le fabricant de matériaux pour obtenir des conseils, réservez un peu de temps pour tester et documentez tout ce que vous faites.

Conseils supplémentaires pour travailler et couper des matériaux composites

S'accrocher à des pièces composites fragiles peut être difficile, alors jetez un coup d'œil au maintien sous vide ou aux adhésifs activés par la lumière. Si la chaleur devient un problème, essayez de diriger un pistolet à air froid vers la zone de travail.

Voici quelques pointeurs composites supplémentaires pour vous aider à avancer dans la bonne direction :

• Soyez conscient de la direction et de la structure du grain composite sous-jacent, car il peut être nécessaire de l'orienter de certaines manières pour obtenir les résultats d'usinage souhaités
• Le matériau en sandwich peut annuler l'utilisation du PCD en faveur du carbure
• Les composites en nid d'abeille, populaires dans les structures de cellule, sont également soumis à un manuel différent :ici, le fraisage en montée est l'approche préférée (ce qui n'est souvent pas le cas avec les composites)

C'est une bonne idée de suivre la devise des scouts et d'être prêt :l'usinage des composites est en bonne voie.

Comment travaillez-vous les composites dans votre atelier ? Racontez-nous vos histoires d'horreur.