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Taladrado de compuestos de polímero reforzado con fibra

26/10/2023

Los compuestos de polímero reforzado con fibra (CFR) juegan un papel vital en la producción de componentes estructurales y semiestructurales. El proceso de taladrado es un proceso de mecanizado comúnmente empleado para que los compuestos de CFR se unan a los elementos estructurales de CFR. La selección de los parámetros de taladrado óptimos (geometría de taladrado, velocidad, avance y profundidad de corte) para los materiales específicos es imprescindible para lograr un rendimiento de taladrado efectivo y una mejor calidad superficial de los orificios. Por lo general, los compuestos de CFR poseen una naturaleza heterogénea debido a su estructura multicapa, hibridación y presencia de materiales multifásicos. Por lo tanto, durante las operaciones de taladrado ocurren problemas comunes como delaminaciones. Estos problemas causan imprecisión dimensional, mal acabado superficial y desgaste de la herramienta y reducen la resistencia mecánica de los compuestos.

Los compuestos poliméricos son el tipo de materiales versátiles y de alto potencial que se forman con diferentes fases de materiales, de los cuales al menos uno es una matriz y el otro es un material polimérico. La combinación de refuerzo de fibra con la matriz de polímero proporciona unas propiedades físicas, térmicas y mecánicas únicas que no son posibles de lograr con un solo material. La adición de refuerzo de fibra aumenta la rigidez, la resistencia a la tracción, la resistencia al calor, la resistencia química, la conductividad, la resistencia a la corrosión y la interacción de las matrices poliméricas y composites. Por lo general se suelen emplear dos tipos de fibras como refuerzo, fibras naturales y sintéticas. Las fibras de refuerzo en compuestos de polímero reforzado con fibra (CFR) sirven como un elemento de carga y tienen una mayor resistencia que los materiales de la matriz .El rendimiento del compuesto CFR depende de varios factores, como las propiedades de la matriz del polímero, las propiedades de la fibra, la orientación de la fibra , la geometría de la fibra y la relación de volumen de fibra a matriz. Su potencialidad llevó a la aplicabilidad en varios sectores, como la industria energética, el campo de la construcción, los bienes de consumo, los equipos eléctricos , la industria de automoción y la aeroespacial .En los últimos años, se está tratando de incluir fibras de base biológica para compuestos de CFR en la preocupación por los aspectos ambientales y la capacidad de reciclaje. Los compuestos de polímero reforzado con fibra de carbono y fibra de vidrio, que actualmente se emplean en la producción de una variedad de productos como tuberías, tanques, álabes de turbina y placas de circuito impreso, son los compuestos de CFR más conocidos y mejor establecidos. Los compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio (GCFR) son muy populares para aplicaciones de ingeniería en varios sectores como la industria aeroespacial, industrias de procesos de gas y petróleo. Estos compuestos de GCFR tienen una densidad relativa menor que el acero y un valor de rigidez más alto que el aluminio. El uso de compuestos CCFR de baja densidad en el desarrollo de productos generó ventajas como ligereza, bajo costo y flexibilidad en el diseño de estructuras complejas. El refuerzo de fibras de carbono en materiales poliméricos impone propiedades eléctricas y es adecuado para la producción de piezas multifuncionales. Aunque, estos son específicamente capaces de proteger o descongelar las alas de los aviones del impacto del trueno o almacenar energía.

El proceso de taladrado de CFR
El proceso de taladrado es fundamental para facilitar el montaje de piezas en las industrias. El taladrado de materiales compuestos de CFR es más complicado que el de los metales debido al paso de la broca a través de capas alternativas de refuerzos y matriz con propiedades únicas. Debido a la naturaleza áspera, abrasiva y heterogénea de los componentes de la fibra, la delaminación ocurre con frecuencia durante todo el proceso de perforación. El 60% de las piezas fabricadas con compuestos de CFR pueden ser rechazadas en los puntos de montaje debido a la imprecisión dimensional y al mal acabado superficial. En comparación con el taladrado de materiales convencionales, el taladrado de materiales compuestos de CFR tiene muchos otros problemas, como la rotura de fibras, desprendimiento de fibras, desconchado, fibras sin cortar, astillado de fibras, etc. El taladrado de compuestos de CFR es crítico para las uniones remachadas donde se requiere orificios de mayor calidad sin afectar su resistencia residual. Debido a las delaminaciones y las microfisuras, los compuestos de CFR tienen dificultades para cumplir con estándares que incluyen rectitud axial, interiores sin ondulaciones y redondez. La mayor concentración de tensión da como resultado la disminución de las características mecánicas residuales y también provoca la resolidificación y el ablandamiento de los materiales de la matriz. Este fenómeno de cambio de fase da como resultado la variación de las propiedades térmicas de la fibra en comparación con las propiedades del material base. En contraste con los metales, los plásticos a menudo tienen temperaturas de transición y coeficientes de conductividad térmica más bajos, lo que hace que el material de la matriz se queme y sufra degradación por calor. Junto con la delaminación, las deformaciones de la subsuperficie también causan dificultad en el taladrado de compuestos de CFR a través de la contracción del orificio, la deformación de la matriz, el agrietamiento de la matriz y la extracción de fibras. Por lo tanto, la mejora tanto de la integridad estructural como del rendimiento del producto de los orificios perforados es posible mediante la reducción de las delaminaciones y las deformaciones del subsuelo, a través de la selección óptima de las condiciones de taladrado, los parámetros, los tipos de herramientas y las geometrías. Cuando se usa una herramienta de taladrado para perforar un laminado de CFR, generalmente produce una fuerza de empuje a lo largo del eje longitudinal utilizando el borde de la herramienta y luego deforma aún más la superficie de la pieza de trabajo debido a la fricción. La deformación pue ser uniforme hasta dos capas de laminado compuesto de CFR y observa una mayor delaminación para la extensión de la herramienta de perforación debido a la menor rigidez y resistencia a la deformación, y menor espesor de virutas sin cortar. Por lo tanto, se encuentra que el lado del orificio de salida del laminado tiene más grietas y daños en la matriz, lo que da como resultado una baja integridad de la superficie.
El fenómeno de abrasión de la herramienta, en el que las superficies de flanco y de desprendimiento están sujetas a la acción de rozamiento de superficies duras, es el principal problema que surge durante el taladrado de compuestos de CFR. Además, este fenómeno de abrasión provoca una reducción del rendimiento de la superficie mecanizada provocando una integridad estructural reducida. Para evitar los defectos planteados en el taladrado de compuestos de CFR, los materiales convencionales, a saber, CCFR y GCFR, se pueden reforzar con nanomateriales como nanotubos de carbono , poliamida o nanofibras de carbono para mejorar las propiedades. Después de taladrar, las herramientas de taladrado con recubrimiento de diamante y carbono funcionan bien en términos de vida útil y desgaste. Cuando el taladrado se realiza con una velocidad de corte más rápida y una tasa de avance más lenta, la delaminación en los materiales compuestos normalmente se minimiza. Además, la menor delaminación es posible con la herramienta que tiene ángulos de punta de broca helicoidal más bajos. Uno de los factores clave que influyen en el taladrado de compuestos de CFR, donde la calidad del orificio perforado es crucial, es la geometría de la herramienta. Al taladrar compuestos poliméricos con herramientas de carburo de tungsteno y acero rápido, los dos parámetros más importantes son la velocidad de avance y la velocidad de corte. El aumento de la temperatura de corte provocado por el aumento de la velocidad de corte por encima del valor ideal hace que el material de la matriz se ablande. Con el fin de prevenir la deformación de la matriz y aumentar la tenacidad y ductilidad de los compuestos resultantes, la tendencia implica el uso de nanorerllenos como un candidato viable para cambiar la dirección de progresión del daño. 

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