La construcción aeronáutica sería imposible sin los materiales compuestos que también en la industria del automóvil tienen un papel cada vez más importante. No obstante, su procesamiento y mecanizado resultan difíciles. Para la máquina de mecanizado y las herramientas, son extremadamente exigentes sobre todo los plásticos reforzados con fibra de carbono en los que la fibra está insertada en una matriz, así como los compuestos de materiales con una estructura por capas. Los fabricantes exponen las posibles soluciones en la próxima AMB, la exposición internacional para el mecanizado de metal que se celebra del 16 al 20 de septiembre de 2014 en Stuttgart.
El ambiente del sector de los composites es sumamente alentador. A mediados del año pasado se juntaron las cuatro organizaciones técnicas, es decir, la Asociación Industrial para Plásticos Reforzados (AVK), Carbon Composites, Plásticos Reforzados con Carbono (CFK) - Valley Stade y el Foro Composite Technology en la VDMA para formar la Asociación Profesional Composite Germany y una de sus primeras acciones conjuntas fue la realización de una encuesta sobre la situación económica. La mayor parte de las empresas asociadas la califican como 'sumamente positiva o muy positiva', según constata el Dr. Walter Begemann, director del proyecto del Foro de la VDMA. Lo que resulta especialmente satisfactorio para los fabricantes de máquinas-herramienta y herramientas de precisión es que dos terceras partes planifican un compromiso aún mayor.
Los impulsos de crecimiento más importantes proceden de las industrias alemana y asiática del automóvil y de la aeronáutica. Es por ello que el Dr. Michael Effing, presidente de la asociación, califica los materiales compuestos como 'una tecnología clave para el emplazamiento industrial en Alemania'.
Lo mismo opina el catedrático Dr. Ing. Frank Barthelmä, director general de la Sociedad para Tecnología de Producción y Desarrollo (GFE) e.V., Schmalkalden. No obstante, advierte acerca de algunos de los retos centrales: el peligro de las deslaminaciones, vidas útiles insuficientes de las herramientas y la aspiración de las partículas de polvo generadas. 'A la hora de diseñar soluciones para problemas de este tipo, resulta imprescindible contemplar toda la cadena de proceso para el mecanizado de los composites, comenzando con el concepto de máquina, los parámetros del proceso, la calidad de los componentes y, por supuesto, también las herramientas'. La GFE ha conseguido adecuar perfectamente las herramientas en un proceso iterativo a la tarea de mecanizado. En concreto: 'Gracias a unas tecnologías de mecanizado adecuadas como el pulido por cepillado, el micro-acabado mediante rectificado de arrastre o el micro-granallado, ha sido posible fabricar de forma reproducible unos radios de filos de corte perfectamente definidos de unos pocos micrómetros, todo ello a lo largo de todo el filo de corte de la herramienta'. Estos aspectos son especialmente importantes en caso de herramientas combinadas o escalonadas para poder evitar las deslaminaciones, según comenta Frank Barthelmä. Otro paso es el recubrimiento. En este sentido, las capas de oxinitruro con oxígeno insertado han resultado especialmente aptas, mejorando las vidas útiles en más del doble en comparación con las herramientas convencionales de metal duro macizo. Los expertos de mecanizado de Schmalkalden esperan unos resultados aún mejores de capas similares a diamantes (DLC: carbono tipo diamante) que pueden convertirse en una alternativa económica para los diamantes policristalinos (PKD) o las herramientas de diamante CVD (CVD: deposición en fase de vapor) cuyo coste es muy elevado.
También los fabricantes de máquinas-herramienta deben realizar su aportación. Frank Barthelmä: 'Altas velocidades con novedosos husillos encapsulados son una de las condiciones para el mecanizado de composites. A todo ello se añaden la máxima dinámica de la máquina y la posibilidad del fresado de varios ejes, tal y como ocurre en el mecanizado lateral o simultáneo de cinco ejes'. Además, muestra gran esperanza en el mecanizado con métodos de producción híbridos, como el fresado asistido por ultrasonido.
Reducción de costes a pesar de unas soluciones personalizadas
Peter Büttler, responsable de actividades de construcción ligera de Komet Group, asume que las exigencias son heterogéneas: 'Por un lado, las fibras se diferencian por su material, longitud, espesor y sentido de la fibra. Por el otro lado, el mercado ofrece actualmente más de 100 resinas diferentes para la matriz: duroplásticos y termoplásticos que deben ser mecanizados en frío, y elastómeros que requieren una alta velocidad de corte, debiéndose mantener bajo el calor de fricción en la ranura de viruta a altas velocidades'. Por ello, es muy importante mantener una estrecha colaboración entre el usuario y el fabricante de herramientas. 'Nosotros comprobamos desde la fase previa todos los factores relevantes, como el material a mecanizar, pero también la tecnología de mecanizado'. El trabajo es diferente dependiendo si se realiza en un centro de mecanizado, con un robot o con máquinas de mecanizado manual. A todo ello debe añadirse la sujeción de la pieza de trabajo y los correspondientes riesgos de vibraciones. Otros factores: la refrigeración, los números de revoluciones, la tarea de mecanizado propiamente dicha y la aspiración.
Lo ideal sería una herramienta universal para un mayor número de aplicaciones, 'pero para ello actualmente no existe ninguna solución económica, ya que los compuestos de materiales extremadamente inhomogéneos establecen unas exigencias muy variadas', explica también el catedrático Dr. Ing. Diethard Thomas, director de la LMT Group Academy. Por lo general, es necesario adecuar la herramienta de forma personalizada a los materiales compuestos. Sin embargo, en caso de composites en base a materiales diferentes ensamblados por capas, una solución para garantizar la rentabilidad podría ser 'orientar los valores de corte al socio de materiales más difícil, por ejemplo, en caso de compuestos de CFK/aluminio o CFK/titanio'. Diethard Thomas percibe una necesidad de perfeccionamiento permanente ya que los materiales se están modificando y optimizando constantemente, sobre todo por su elevado coste (suponen aproximadamente el 50% del coste): 'En consecuencia también surgen constantemente nuevas exigencias con respecto al diseño de las herramientas para seguir optimizando el proceso de mecanizado, es decir, las versiones de herramientas y las recomendaciones de valores de corte están sometidas a cambios constantes'.
Aribert Schroth, especialista de producto para materiales de corte ultraduros del fabricante de herramientas Paul Horn, desaconseja comparar siempre los compuestos únicamente con plásticos reforzados con fibra de carbono. 'Es posible mecanizar los grupos contiguos con las mismas herramientas pero con diferentes parámetros de mecanizado'. Este punto de partida es similar al que persigue el fabricante de herramientas Mapal. Según el Dr. Peter Müller-Hummel, jefe de la unidad de negocio Aeroespacial y Composites: 'Como las exigencias suelen ser idénticas, seleccionamos siempre el caso más crítico lo que nos permite cubrir un gran número de las aplicaciones menos críticas'. No obstante, la intención de Mapal es ayudar al cliente a ahorrar costes también por otras vías, tal y como lo explica Peter Müller-Hummel: 'Actualmente, la realización del mecanizado en una sola operación de trabajo, en lugar de entre tres y cinco pasos del proceso, tiene el máximo potencial'. Además, los recubrimientos especiales para herramientas proporcionan unas vidas útiles más largas reduciendo, por ejemplo, el coste por taladro.
Por lo general, en lo que al desgaste de las herramientas se refiere, aún existe mucho potencial para incrementar claramente la rentabilidad, tal y como refleja desde Paul-Horn: 'En lo que a la investigación y comprensión de los procesos que provocan el desgaste del filo se refiere, aún queda mucho camino por recorrer'. Centran la atención sobre otro aspecto, junto con la exigencia a los fabricantes de materiales: 'La prevención resultaría más eficaz desde la fase de desarrollo del material. Asimismo, unas especificaciones más estrechas y claras en la producción repercutirían de forma positiva sobre la rentabilidad'. En este sentido, la tendencia actual hacia un menor porcentaje de resina y una orientación estrictamente unidireccional de las fibras resulta ventajosa, haciendo que el material sea más previsible y calculable. Este experto en construcción ligera opina que la correspondiente mayor deslaminación puede ser controlada: 'Lo que importa es que el filo de la herramienta esté afilado y siga estándolo, para lo cual nos viene bien prácticamente cualquier ayuda'. Los sensores pueden servir para ello. 'Además de la detección del desgaste que aporta máxima utilidad, el comportamiento de oscilación del componente resulta fundamental para el funcionamiento y la vida útil de la herramienta utilizada'.
Una detección exacta del desgaste es también indispensable para el desarrollo en el wbk, Instituto para la Tecnología de Producción, en Karlsruhe. El científico Stefan Klotz ha analizado con más detalle los daños de material producidos por el desgaste de la herramienta durante el taladrado. Ha descubierto que junto con el desgaste de la herramienta 'cambian las relaciones de engrane del filo de herramienta, dando lugar a cambios en los sentidos dela fuerza del proceso y un incremento de los daños en la pieza de trabajo'. Stefan Klotz propone por tanto una 'adaptación dinámica de los parámetros de proceso al actual estado de desgaste de la herramienta' con el fin de 'reducir directamente los daños producidos en las capas de cobertura'.
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