Optimiser le perçage et fraisage des composites CFRP dans l'aérospatial

Dans l'aérospatial, travailler avec des matériaux composites légers est la norme. Nous avons récemment parlé avec Sandvik Coromant pour discuter des problèmes courants d'usinage des composites carbone et des façons de les surmonter.

Les matériaux composites tels que le polymère renforcé de fibre de carbone sont incroyablement abrasifs et nécessitent des approches différentes pour le fraisage et le perçage afin d'éviter le délaminage des couches et les fibres arrachées. Les outils et méthodes standards conçus pour travailler le métal ne suffisent tout simplement pas quand il s'agit de fabriquer des composants aéronautiques faits de ces matériaux.

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

Par exemple, le Boeing 787 est fait d'environ 50 % de PRFC et utilise 20 à 25 % moins de kérosène qu'un avion en aluminium comparable. Le fuselage composite est fabriqué en sections de baril rond complet, plutôt qu'en segments et pièces. Cependant, construire un tel avion mène à des défis dans le processus de développement d'usinage.

« Normalement si on travaille sur une pièce moteur, on expérimenterait avec l'outil de coupe et le processus sur le composant lui-même, mais on ne peut pas s'entraîner à percer des trous dans le côté d'un fuselage à 30 millions $ », dit Jeffrey Washburn, responsable produit chez Sandvik Coromant. « Donc tous les tests et développement de processus ont lieu séparément sur des "coupons" qui représentent fidèlement le composant final. »

Vous voulez aller plus loin ? En apprendre plus sur les matériaux légers mais résistants utilisés dans l'aérospatial. Lisez : « Défis de coupe : Composites à matrice mixte et composites renforcés de fibres. »

Outils pour le fraisage et perçage des composites

« Le matériau fibre de carbone est très abrasif », dit Den Boer. « Donc avec un outil de coupe en carbure typique qui peut durer plusieurs centaines de trous sur un métal comme l'aluminium, vous n'obtiendrez peut-être que 20 trous sur du PRFC. »

Pour durer plus longtemps, les outils pour PRFC doivent être soit en diamant polycristallin veiné (PCD), soit revêtus 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, pas au coût par outil.

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

« Disons que vous fraisez le haut du fuselage sur une grande machine CNC à portique qui prend 10 à 15 minutes pour descendre, changer un nouvel outil et remonter en haut », dit Den Boer. « En comparant le temps machine nécessaire pour un outil revêtu diamant sur une section entière de 787 avec le changement 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 PRFC. Contrairement aux métaux, les deux problèmes les plus difficiles en fraisage et perçage PRFC sont les fibres dans le trou et le délaminage, selon Washburn.

« Quand ils analysent la qualité d'un trou, il peut être parfaitement à la cote, 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 », dit Washburn. « Et si vous fraisez le long du bord de la surface, vous voulez garder l'outil assez tranchant pour continuer à couper les fibres proprement, sans les arracher de la surface ou délaminer. »

Selon Washburn, les outils conçus pour le PRFC 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 on essaie d'appliquer une géométrie de coupe métal à la fibre de carbone, ça tendra à délaminer le matériau, parce que l'angle d'hélice tire vers le haut sur la surface », dit-il. « La réponse est de concevoir des outils qui tirent vers le haut par le bas et poussent vers le bas par le haut en même temps — pour presser le matériau ensemble pour qu'il ne délamine pas. »

Empilement PRFC avec métaux

Mais ces outils spéciaux ne fonctionnent généralement pas dans les applications métal, ce qui mène à une autre complication.

« Les composites sont souvent empilés avec d'autres matériaux, donc vous pouvez percer à travers du PRFC, par exemple, et ensuite tomber sur une couche de titane ou d'aluminium — et l'outil doit être capable d'usiner les deux pour produire un seul trou », dit Washburn.

Les différences de ténacité et d'abrasion entre les matériaux dans un empilement appellent des solutions créatives.

« Un défi pour l'usinage du PRFC empilé avec des tôles métal 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 », dit Washburn. « Cela pose un problème, par exemple, quand on essaie d'usiner du titane sans fluide de coupe. »

« Les gens essaient différentes choses pour accommoder les différentes couches, comme ajouter un brise-copeau pour une tôle d'aluminium, pour empêcher de longues ficelles de copeaux de déchirer les fibres et d'agrandir le trou », dit Den Boer.

« Si les trous seront percés avec des unités de perçage automatiques, certaines des plus récentes ont des régimes et avances programmables, donc vous pouvez percer le PRFC dans un empilement à une vitesse et avance et dès que vous touchez le titane, vous pouvez changer les données de coupe, et l'optimiser pour chaque couche », dit Den Boer.

Vous avez déjà eu des problèmes à couper des composites PRFC ? Dites-nous ce qui s'est passé et comment vous l'avez résolu.