Surmonter les Défis de Coupe avec les Composites à Matrice Mixte et Renforcés de Fibres

Nouveau aux matériaux à matrice mixte et renforcés de fibres dans l'aérospatiale ? Voici une introduction sur la façon de travailler avec les matériaux composites.

Alors que de nombreuses industries, y compris l'aérospatiale, continuent de demander 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 ce truc que je coupe ? ». Les outils s'usent vite, la poussière va 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 dissemblables qui sont utilisés ensemble afin de combiner les meilleures propriétés, ou d'impartir un nouvel ensemble de caractéristiques que ninguno des matériaux constitutifs ne pourrait atteindre seul », écrit le Dr Rainer Groh, associé de recherche en structures non-linéaires à l'Université de Bristol dans son blog d'Ingénierie Aérospatiale.

D'abord, c'est une bonne idée de comprendre pourquoi les composites sont utilisés : C'est parce qu'ils sont simultanément légers et forts. Cela semble assez simple à comprendre. Cependant, le diable, quand on coupe les composites, est dans les détails.

« La matrice est susceptible à l'oxydation et à la dégradation par chaleur excessive, et les fibres de carbone ne coupent pas bien parce qu'elles se fracturent au lieu de cisaillement lisse », note American Machinist dans un article sur le polymère renforcé de fibre de carbone. « [L]e usinage des composites résulte en une série de fractures fragiles de fibre de carbone produisant des copeaux semblables à de la poussière qui emportent très peu de la chaleur générée par l'usinage. »

Composites Renforcés de Fibres vs Composites à Matrice

Poutres de plancher, panneaux stabilisateurs, surfaces de commande de vol, portes et cloisons — ce ne sont que quelques-uns des nombreux pièces composites ou stratifiées trouvées dans les avions aujourd'hui, la plupart étant faites de sandwichs multicouches composite-métal-composite ou de matériaux en nid d'abeille avec extérieurs durs et structures presque papyracées à l'intérieur.

Quelle que soit leur construction, quoi qu'ils soient stratifiés dans l'aérospatiale, il existe trois classes de composites renforcés de fibres, incluant céramique, métal et Kevlar. Similairement, il y a 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 petit investissement en équipement et outillage, tous sont assez gérables.

Vous avez peut-être entendu les composites appelés PRFC (plastique renforcé de fibre de carbone), composite à matrice métallique (CMM), aramide (qui est le Kevlar), ou des douzaines d'autres noms scientifiques similaires. La clé est de comprendre les différences du travail avec le métal.

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

Couper les Composites : Poussière, Poussière de Carbone et Systèmes de Filtration

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

Un autre problème à connaître : La poussière de fibre de carbone est connue pour s'enflammer sous certaines circonstances. Mises en garde mises à part, la solution est assez simple — tout atelier coupant régulièrement des composites devrait investir dans un système de filtration, un adapté au type de matériau usiné. Une enceinte assez étanche à l'air est aussi une bonne idée, mais tant qu'il y a un vide suffisant pour aspirer la poussière vers le haut et hors de la zone de travail, il n'y devrait pas avoir de problème. Toute poussière résiduelle peut être nettoyée avec un Shop-Vac (assurez-vous juste que le filtre est en bon état). Voici quelques meilleures pratiques clés pour filtrer la poussière de composite :

• Vérifiez avec votre revendeur de machine le besoin d'une broche à pression positive comme trouvée dans les machines de coupe de graphite
• Vérifiez avec le fournisseur de matériau quelle taille et quel type de filtration est nécessaire (il y a beaucoup de variations)
• Et vérifiez avec le client sur les exigences de propreté de la pièce — les fabricants d'avions sont généralement très particuliers sur la présence de poussière et d'objets étrangers (FOD) sur les pièces usinées

Outils pour Couper les Matériaux Composites : Rangez le HSS

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

La géométrie est aussi importante. Les angles d'hélice relativement raides sur les fraises et forets pour coupe de métal tendent à délaminer la plupart des composites, ce qui sépare les couches et endommage l'intégrité du matériau, similaire à ce qui arrive quand vous percez un trou dans un morceau de fibre de verre (même si vous ne pouvez pas le voir à l'œil nu). Le meilleur pari est un outil de coupe à hélice neutre ou inverse comme une fraise à bois ou plastique, ou des fraises qui ont été spécialement affûtées pour le travail composite.

Donc pour les forets, utilisez des pointes à double angle (elles ressemblent à Batman, avec des oreilles pointues de chaque côté de la pointe du foret) qui réduisent les forces pendant la percée et éliminent l'éclatement — pour prévenir la délamination sur la surface de sortie. Une autre option est un foret à pointe de centrage, familier aux travailleurs du bois. Vous pouvez aussi interpoler le trou à la taille avec une fraise à rake neutre ou une fraise à bois.

Coupe de Matériaux Composites : Les Diamants Sont le Meilleur Ami du Machiniste

Pour des quantités de production plus élevées, ou là où la qualité du bord est critique (ce qui est généralement le cas), les outils à pointe diamant polycristallin et outils revêtus de diamant sont le meilleur choix. Les outils brasés ou indexables sont les plus largement disponibles et feront un excellent travail, mais ici encore, certains fabricants d'outils de coupe offrent des produits spécialement conçus pour le PRFC et autres composites. Évaluez ces types spécifiques d'outils de coupe où la performance maximale est requise.

Quelle que soit l'approche que vous prenez avec les outils de coupe, les avances et vitesses seront un territoire inconnu. Pour les meilleurs résultats, appelez votre fournisseur d'outillage et le fabricant de matériau pour conseil, réservez un peu de temps pour les tests et documentez tout ce que vous faites.

Conseils Supplémentaires pour Travailler avec et Couper les Matériaux Composites

Saisir des pièces composites fragiles peut être un défi, alors jetez un œil au maintien par vide ou adhésifs activés par lumière. Si la chaleur devient un problème, essayez de viser un pistolet à air froid sur la zone de travail.

Voici quelques pointeurs composites supplémentaires pour vous mettre sur la bonne voie :

• Soyez conscient de la direction et structure de grain du composite sous-jacent, car il peut devoir être orienté de certaines façons pour atteindre les résultats d'usinage désirés
• Le matériau sandwich peut nier l'utilisation de PCD en faveur de carbure
• Les composites en nid d'abeille, populaires dans les structures de cellule d'avion, sont aussi sujets à un autre manuel de jeu — ici, le fraisage en montée (climb milling) est l'approche préférée (quelque chose qui n'est souvent pas le cas avec les composites)

C'est une bonne idée de suivre la devise des scouts et d'être préparé : L'usinage de composites arrive vers vous.

Comment travaillez-vous avec les composites dans votre atelier ? Dites-nous vos histoires d'horreur de coupe.