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Desde el lanzamiento de la aeronave Boeing 787 en 2011, la aplicación de CFRP ha ido aumentando gradualmente como un nuevo material para fuselajes, alas principales y otros componentes aeroespaciales. Diferente de los metales, el CFRP está compuesto por fibras de carbono y resina; y el mecanizado de este nuevo material requiere nuevas técnicas. Entrevistamos a miembros del personal del Grupo Aeroespacial de Gifu que participaron en el desarrollo de técnicas de mecanizado para este importante material.

¿Cuáles son los fenómenos particulares que nos podemos encontrar en el taladrado de CFRP?

– ¿Cuáles son los antecedentes del desarrollo?

Yanagida: Mitsubishi Materials ha suministrado brocas a sus clientes para el mecanizado de CFRP durante más de diez años. Gracias al uso de los conocimientos acumulados durante estos años, hemos mejorado la funcionalidad de las brocas para ofrecer una gama más amplia de soluciones que se pueden aplicar a una gran variedad de materiales de CFRP.
El CFRP tiene capas de fibras de carbono y resina tratadas mediante calor. En comparación con el acero, el CFRP tiene aproximadamente un cuarto de su peso, pero es diez veces más fuerte. También ofrece resistencia a la corrosión, resistencia al calor y una elevada rigidez. Mientras que la capa de fibra de carbono es dura, pero quebradiza, la capa de resina es blanda, pero mucho más plegable.

Yamamoto: Este es el motivo por el cual el mecanizado de CFRP genera fenómenos que son fundamentalmente diferentes en comparación con el mecanizado de metales. 
Los principales defectos que se pueden observar en el taladrado de CFRP son la generación de fibras no cortadas, delaminación provocada por la estructura de capas y el retroceso del CFRP y el metal apilados (el retroceso está causado por el desgaste generado por las virutas metálicas en los lados del orificio en la sección de carbono de la pila, mientras se desplazan hacia arriba por las hélices de la broca). En este proyecto, empezamos comprobando estos fenómenos para explorar exhaustivamente los mecanismos técnicos que generan los defectos.

Yanagida: Hay dos tipos de material de CFRP utilizados para componentes de aeronaves. 
Uno contiene resinas con propiedades termoestables y el otro es el material de apilado elaborado mediante el uso de capas de aluminio y titanio en el CFRP. Hay también dos métodos principales de mecanizado, uno de ellos es el mecanizado automatizado que se utiliza normalmente en un centro de mecanizado, y el otro es el taladrado mediante el uso de herramientas manuales. Debido a estos diferentes materiales y métodos de mecanizado, es extremadamente difícil crear un tipo de broca adecuado para todos los procesos. Por lo tanto, para este proyecto, desarrollamos la serie MC que incluía siete brocas diferentes para una amplia gama de materiales de CFRP, 
que salieron al mercado en abril de 2017.

Estructura de ranuras MCA para la reducción del retroceso de los materiales apilados

– ¿Nos podría mostrar algunos de estos siete productos?

Yanagida: Le mostraré dos tipos, la MCA y la MCC. La MCA es una broca para CFRP y materiales de apilado de aluminio. Lo que buscamos es mejorar significativamente el rendimiento de las brocas para CFRP que habían estado disponibles como productos especiales durante los últimos 10 años. Normalmente, taladramos materiales apilados compuestos por fibra de carbono y aluminio, cuya capacidad de mecanizado es totalmente diferente, con la misma broca. El principal problema es un fenómeno denominado retroceso. Cuando la broca penetra en el CFRP y mecaniza la capa de aluminio, las virutas de aluminio expulsadas pueden cortar la superficie de CFRP, Como resultado de ello, los diámetros de los orificios en las capas de CFRP y aluminio difieren. Para evitar esto, cambiamos el diseño de la hélice de la broca MCA.

Yamamoto: Nos centramos en la anchura de las hélices. La anchura de la hélice suele ser la misma a lo largo de toda la broca. Sin embargo, las hélices de las MCA se ensanchan gradualmente desde el borde corte hasta la punta. En primer lugar, diseñamos hélices estrechas para generar virutas compactas y después las ensanchamos para facilitar el flujo de las virutas en las hélices sin que interfieran con la superficie del orificio.

Yanagida: Aplicamos la tecnología de taladrado de orificios profundos MWS de Mitsubishi Materials para obtener una descarga sencilla de las virutas. Esto fue necesario para ofrecer un aumento en la calidad de la superficie del orificio, que era un problema habitual en el mecanizado tanto de materiales apilados como de agujeros profundos. Para el desarrollo de las brocas MCA, también utilizamos la tecnología de las brocas MHE utilizada para el mecanizado de bujes de automóviles. Las brocas MHE se utilizan para crear orificios para pernos en los bujes que conectan los ejes y las ruedas de los automóviles. El tamaño del diámetro de los orificios de cada buje debe ser muy preciso y la calidad de la superficie de los orificios debe ser extremadamente alta. Evitar que las virutas puedan dañar la superficie del buje requiere que la broca MHE tenga hélices más estrechas que las brocas normales.

Yamamoto: Como resultado de ello, las brocas MCA utilizaron las características y conocimientos obtenidos con las brocas MWS y MHE. Esto significa que, en general, la broca genera inicialmente virutas pequeñas que fluyen a lo largo de la parte estrecha de la hélice. 
A continuación, las virutas se canalizan a través de la parte superior ensanchada de la hélice y se descargan sin dañar la pared del agujero.

El filo positivo da prioridad a la calidad de corte

– ¿Puede hablarnos de lo que hay detrás del desarrollo de la broca MCC?

Yamamoto: Aunque las brocas MCC están específicamente diseñadas para el mecanizado de CFRP, los componentes aeroespaciales también utilizan materiales apilados. 
Las industrias del automóvil y de generación de energía eólica también utilizan materiales de CFRP. Los clientes que mecanizan materiales de CFRP a menudo necesitan taladrar orificios en placas finas.

Yanagida: La reducción de la delaminación al final del agujero era el principal problema a la hora de taladrar en CFRP. El CFRP no tiene una capa de metal en la salida del agujero que sí tienen los materiales apilados y no sufre el problema del retroceso. Sin embargo, la salida del orificio se puede fragmentar, lo que evita el soporte para la resistencia al corte generada cuando la broca penetra en la capa de CFRP y provoca la formación de rebabas en la salida del agujero.

Yamamoto: Dimos prioridad al afilado de las brocas MCC para obtener un mecanizado de CFRP más fluido y redujimos la resistencia al corte para evitar la delaminación. El aspecto más importante de la broca MCC es el filo afilado. Tradicionalmente, las brocas cuentan con un ángulo de desprendimiento negativo para dar prioridad a la resistencia a la deformación y prolongar la vida útil de la herramienta. Sin embargo, un ángulo de desprendimiento negativo no permite el corte fluido de las capas de fibra de carbono, lo que suponía que la broca MCC se beneficiaba de una geometría más afilada. 
Al cortar el CFRP de un modo más fluido, también se limita la delaminación y la generación de fibras no cortadas en la salida del agujero. Además, el ángulo del borde de 90 grados reduce el empuje al inicio del proceso de taladrado, lo que también ayuda a reducir la delaminación.

– ¿Cuáles son las características del recubrimiento?

Yamamoto: El CFRP cuenta con características mecánicas que provocan abrasión inmediatamente después de iniciar el taladrado con brocas de metal duro reforzado sin recubrimiento. Para solucionar este problema, aplicamos un recubrimiento de diamante CVD a las brocas MCA y MCC para aumentar la resistencia al desgaste.

Yanagida: Para maximizar el afilado del borde de la broca, tuvimos que tener en cuenta tanto la forma del borde como el tamaño de las partículas del recubrimiento de diamante. Las partículas de los nuevos recubrimientos de diamante CVD de Mitsubishi Materials son extremadamente finas, lo que aumenta significativamente la adhesión, por lo que pudimos aumentar la vida útil de la herramienta aproximadamente diez veces en comparación con los recubrimientos convencionales.

– ¿Qué se ha hecho para mejorar el afilado?

Yamamoto: Para aumentar el afilado, que era nuestra prioridad, buscamos el mejor método para procesar el borde y maximizar los ángulos de inclinación y separación de la hélice, que son elementos básicos de todas las brocas. Examinamos combinaciones individuales de ángulos para identificar la mejor opción para evitar daños en la broca. En general, cuanto mayores son los ángulos, mejor es el afilado. Sin embargo, el metal duro reforzado es un material quebradizo, con una resistencia a la deformación limitada. Además, la combinación de elementos y materiales para brocas determina el rendimiento final, lo que significa que tuvimos que comprobar las brocas una y otra vez para calcular su eficacia.  
Para aumentar el afilado, el procesamiento de bordes mencionado anteriormente también es importante. Las brocas convencionales fabricadas por Mitsubishi Materials tienen imperfecciones diminutas en sus bordes debido al proceso de recubrimiento previo. Sin embargo, para la broca MCC, el procesamiento del borde es totalmente diferente en comparación con las brocas convencionales, lo que hizo posible crear un borde uniforme y realmente liso. El uso de este nuevo método de procesamiento para los bordes nos permitió obtener afilado y resistencia, lo que supuso la prolongación de la vida útil de la herramienta y una mejora en la calidad de los agujeros.

Yanagida: Para ayudar al desarrollo de la serie MC, llevamos a cabo una investigación conjunta con la Universidad de Tecnología de Viena (TU Wien) en Austria. Cuando tuvimos la necesidad de realizar pruebas de mecanizado para los prototipos con diferentes grosores de recubrimientos en las brocas, formas de bordes y ángulos de desprendimiento, solicitamos la cooperación de la TU Wien y obtuvimos una gran cantidad de datos que, en nuestra opinión, contribuyeron de forma significativa al éxito de esta gran innovación.

Dificultades y logros en el desarrollo de nuevos materiales

– ¿Cuáles fueron las dificultades que tuvieron que superar durante el desarrollo de las brocas MCC?

Yamamoto: Además de los retos a los que nos enfrentamos, también disfrutamos aprendiendo acerca de los retos que suponía el mecanizado de CFRP. Se me transfirió al Grupo Aeroespacial de Gifu, Departamento Aeroespacial, cuando se creó en octubre de 2016, para empezar a trabajar en el desarrollo de las brocas MCC. Tenía experiencia en el desarrollo de brocas para metales, pero esta fue la primera vez que tuve que trabajar con brocas para CFRP.

Yanagida: Los desarrolladores de este departamento, incluido Yamamoto, crearon diferentes prototipos. Nosotros mismos utilizamos las máquinas de afilado de herramientas, consideramos las mejores condiciones, incluidos los ángulos de corte, velocidad y tipos de muelas, y seguimos creando prototipos mientras perfeccionamos nuestras capacidades como ingenieros.

Yamamoto: Evaluamos continuamente las condiciones de afilado centrándonos en garantizar el afilado. Durante estos procesos, seleccionamos los prototipos más prometedores para realizar más pruebas y pedimos a los clientes que comprueben su calidad y rendimiento. Nos encanta escuchar las palabras: «Esta broca es mucho mejor que la que utilizamos ahora».

Yanagida: Dado que diseñamos, fabricamos y probamos los prototipos nosotros mismos, podemos detectar de forma inmediata hasta la más ligera diferencia en el rendimiento. Yamamoto creó los prototipos de brocas MMC y, gracias a esto, tuvo algunas ideas que posteriormente aplicó al desarrollo del producto. Esto mejoró nuestra capacidad para poder ofrecer un producto excelente.

– ¿Podría indicarnos cuáles son sus planes para futuros desarrollos de brocas para materiales de CFRP?

Yanagida: El requisito básico para la fabricación de componentes aeronáuticos es la seguridad. Prolongar la vida útil de la herramienta también es un objetivo importante, pero la calidad del agujero es la prioridad, y nos esforzamos por alcanzar ambos objetivos. Creemos que la resistencia del CFRP seguirá mejorando y que la aparición de nuevos materiales apilados combinados con acero inoxidable significará que, en general, los materiales serán cada vez más difíciles de mecanizar. Mitsubishi Materials sigue llevando a cabo investigaciones conjuntas con fabricantes de fibra de carbono y colabora con universidades en investigaciones avanzadas para profundizar en nuestro conocimiento del mecanizado de CFRP y mejorar nuestra capacidad para dar respuesta a las necesidades cambiantes del mercado.

– Para concluir la entrevista, ¿hay algo que quieran decir a sus clientes?

Yanagida: Los organismos JIS e ISO todavía no han clasificado las estructuras de CFRP. Hay muchos tipos diferentes de resinas de fibra de carbono, grosores y métodos de trenzado. 
Por lo tanto, es necesario adaptar las brocas al material utilizado para garantizar la máxima calidad de los agujeros. Estamos listos para satisfacer las necesidades de los clientes, así que no lo dude y póngase en contacto con nosotros.

Yamamoto: La serie MC aparece en el catálogo como productos estándar. Sin embargo, creemos que la serie MC se debería personalizar para adaptarla a cada cliente. Nos esforzamos por satisfacer de forma rápida y eficaz las necesidades de los clientes, así que no lo dude y envíenos su consulta.