MMC Magazine

Fin dal 2011, anno del lancio del Boeing 787, l'applicazione del CFRP è aumentata gradualmente come materiale nuovo per le cellule, le parti principali delle ali e altri componenti aerospaziali. Diverso dai metalli, il CFRP è realizzato in fibra di carbonio e resina, e la sua lavorazione richiede una tecnica nuova. Abbiamo intervistato lo staff dell'Aero Group di Gifu, impegnato nello sviluppo delle tecniche di lavorazione di questo materiale strategico.

Quali sono i particolari fenomeni riscontrati nella foratura del CFRP?

– Quali sono i retroscena dello sviluppo?

Yanagida: Da oltre 10 anni Mitsubishi Materials realizza punte per la lavorazione del CFRP. Applicando il know-how acquisito, abbiamo migliorato le prestazioni di foratura per fornire una gamma più ampia di soluzioni per una grande varietà di materiali CFRP. Il CFRP è composto da strati di fibra di carbonio e resina trattata termicamente. Ha circa un quarto del peso dell'acciaio, ma è 10 volte più forte. È inoltre resistente alla corrosione e al calore e ha un'elevata rigidità. Mentre gli strati di fibra di carbonio sono duri ma fragili, gli strati di resina sono morbidi ma più lavorabili.

Yamamoto: Per questo motivo la lavorazione del CFRP è molto diversa dalla lavorazione dei metalli. I principali difetti riscontrati nella foratura sono la produzione di fibre non tagliate, la delaminazione dovuta alla struttura a strati, e il sovradimensionamento del foro quando CFRP e metallo sono sovrapposti (causato da schegge di metallo che consumano i lati del foro nella sezione in carbonio mentre si muovono lungo il tagliente della punta). In questo progetto, abbiamo iniziato controllando tali difetti per esplorare appieno i meccanismi tecnici che li generano.

Yanagida: Vi sono due tipi di materiali a base di CFRP usati per i componenti degli aeromobili. Uno con resine dalle proprietà termoindurenti, l'altro un materiale agglomerato, composto stratificando il CFRP così ottenuto a alluminio o titanio. Due sono i metodi di lavorazione principali: quello automatico, che impiega per esempio un centro di lavorazione, e quello effettuato manualmente da un operatore. A causa della diversità dei materiali e dei metodi di lavorazione, è estremamente difficile creare un tipo di punta adatta a tutti i processi. Abbiamo quindi sviluppato la serie MC: sette diverse punte per un'ampia gamma di materiali CFRP, introdotta nel mercato ad aprile 2017.

MCA con particolare geometria per ridurre il recesso dei materiali stratificati

– Ci presenta alcuni dei sette prodotti?

Yanagida: Vi mostrerò due tipi, l'MCA e l'MCC. L'MCA è una punta per materiali agglomerati di CFRP e alluminio. Il nostro obiettivo era migliorare notevolmente le prestazioni delle punte per CFRP, disponibili come prodotto speciale per i 10 anni precedenti. Spesso foriamo con la stessa punta materiali stratificati composti da fibra di carbonio e alluminio, la cui lavorabilità è completamente diversa. Il problema principale è un fenomeno noto come "recesso". Mano a mano che la punta penetra nel CFRP e lavora lo strato di alluminio, i trucioli di alluminio espulsi possono tagliare la superficie del CFRP. Di conseguenza, i diametri del foro negli strati di CFRP e di alluminio differiscono. Per prevenire ciò, abbiamo modificato la forma del tagliente della punta MCA.

Yamamoto: Ci siamo concentrati sulla larghezza dei taglienti,  che in genere è uguale per tutta la lunghezza della punta. Al contrario, i taglienti dell'MCA si allargano gradualmente dall'estremità di taglio alla base della punta. All'inizio del processo, la parte sottile del tagliente produce trucioli compatti, che poi scorrono con facilità lungo la parte larga della scanalatura senza interferire con la superficie del foro.

Yanagida: Abbiamo inoltre applicato la stessa tecnologia utilizzata nella punta MWS per foratura profonda di Mitsubishi Materials, che consente un'agevole eliminazione del truciolo. Ciò è stato necessario per garantire una migliore qualità della superficie del foro, problema ricorrente nella lavorazione dei materiali stratificati e dei fori profondi. Nello sviluppo della punta MCA, abbiamo anche adottato la tecnologia delle punte MHE utilizzate per lavorare i mozzi ruota nel settore automotive. Le punte MHE sono usate per creare i fori dei bulloni sui mozzi ruota che collegano gli assi dell'automobile alle ruote. Il diametro del foro su ciascun mozzo deve essere preciso, e la qualità superficiale dei fori deve essere estremamente elevata. Per evitare che i trucioli danneggino la superficie del mozzo, l'MHE deve avere diametro dell'elica più stretto rispetto alle punte standard.

Yamamoto: Nell'MCA convergono quindi le caratteristiche e il know-how delle punte MWS e MHE. Fondamentalmente, la punta genera inizialmente piccoli trucioli che scorrono attraverso la parte più stretta del vano di scarico. I trucioli vengono poi incanalati attraverso la parte superiore del vano di scarico più larga e rimossi senza danneggiare la parete del foro.

Il tagliente positivo dà priorità alla qualità del taglio

– Ci racconti i retroscena dello sviluppo della punta MCC.

Yamamoto: L'MCC è progettata per la lavorazione del CFRP semplice (non agglomerato con altri materiali). Mentre i componenti aerospaziali utilizzano sia CFRP semplice che CFRP stratificato con altri materiali, l'industria automobilistica ed eolica utilizzano quasi esclusivamente CFRP semplice. Fra i nostri clienti, la maggior parte utilizza solo CFRP semplice e la lavorazione maggiormente richiesta è la foratura di piastre sottili.

Yanagida: Ridurre la delaminazione all'estremità del foro era il problema principale nella foratura del CFRP semplice. Il CFRP semplice non ha uno strato di metallo all'uscita del foro, quindi non presenta il problema del recesso riscontrato nei materiali stratificati. D'altro canto, poiché l'uscita del foro non presenta il supporto dello strato in metallo che oppone resistenza al taglio quando la punta penetra nello strato di CFRP, si verifica il fenomeno di sbavature all'uscita del foro, chiamato "delaminazione".

Yamamoto: Per prevenire la delaminazione, le punte MCC sono estremamente affilate, per un taglio netto delle fibre di carbonio e una ridotta resistenza al taglio. L'aspetto più importante della punta MCC è quindi il tagliente affilato. Le punte presentano in genere un angolo di spoglia negativo per aumentare la resistenza alla flessione e prolungare la vita dell'utensile. Tuttavia, un angolo di spoglia negativo non è in grado di tagliare facilmente i resistenti strati di fibra di carbonio, quindi la punta MCC avrebbe tratto vantaggio da una geometria più affilata. Oltre a tagliare agevolmente il CFRP, riduce la delaminazione all'uscita del foro e la produzione di fibre non tagliate.  Inoltre, la delaminazione è moderata anche dal tagliente con angolo di cuspide a 90 gradi, che riduce la spinta all'inizio del processo di foratura.

– Quali sono le caratteristiche del rivestimento?

Yamamoto: Le caratteristiche meccaniche del CFRP provocano abrasione subito dopo l'inizio della foratura se lavorate con punte in metallo duro cementato non rivestite. Per aumentare la resistenza all'usura abbiamo applicato un rivestimento diamantato CVD alle punte MCA e MCC.

Yanagida: Per massimizzare l'affilatura del tagliente, dovevamo tenere in considerazione sia la forma del tagliente sia la dimensione delle particelle del rivestimento diamantato. La dimensione delle nuove particelle del rivestimento diamantato CVD di Mitsubishi Materials è estremamente ridotta, accrescendo notevolmente l'adesione e migliorando la durata della vita utile dell'utensile di circa 10 volte rispetto ai rivestimenti convenzionali.

– Come avete migliorato l'affilatura?

Yamamoto: Per aumentare l'affilatura, che era la nostra priorità, abbiamo ricercato i migliori metodi di lavorazione del tagliente e abbiamo massimizzato gli angoli dell'elica e gli angoli di spoglia, elementi fondamentali di tutte le punte. Abbiamo esaminato specifiche combinazioni di angoli per individuare la combinazione migliore al fine di prevenire danni alla punta. In generale, maggiori sono tali angoli, migliore risulterà l'affilatura. Tuttavia, il metallo duro cementato è un materiale fragile che ha una limitata resistenza alla deformazione. Inoltre, a determinare le prestazioni finali è la combinazione fra caratteristiche della punta e materiale con cui viene prodotta, quindi le punte devono essere testate ripetutamente per valutarne la reale efficacia.  
Per aumentare l'affilatura è inoltre importante, come precedentemente menzionato, la lavorazione del tagliente. Le punte convenzionali prodotte da Mitsubishi Materials presentano lievi imperfezioni nei taglienti, dovute al processo di pre-rivestimento. Tuttavia, la lavorazione del tagliente delle punte MCC è completamente diversa da quella delle punte convenzionali e consente di creare taglienti lisci e regolari. Utilizzando questo nuovo metodo di lavorazione abbiamo potuto ottenere una maggiore robustezza e affilatura, e di conseguenza il prolungamento della vita utile dell'utensile e una migliore qualità di foratura.

Yanagida: Per sostenere lo sviluppo della serie MC, abbiamo condotto una ricerca congiunta con la Vienna University of Technology (TU Wien) in Austria. Quando abbiamo avuto bisogno di condurre dei test sulla lavorazione di prototipi con differenti spessori dei rivestimenti sulle punte, forme delle estremità di taglio e angoli di spoglia, abbiamo chiesto la collaborazione della TU Wien, che ci ha fornito una grande quantità di dati che contribuiranno significativamente al successo di questa importante innovazione.

Difficoltà e risultati ottenuti nella lavorazione di nuovi materiali.

– Quali sono le difficoltà incontrate durante lo sviluppo della punta MCC?

Yamamoto: Insieme alle difficoltà affrontate, abbiamo anche avuto la possibilità di imparare dalle sfide della lavorazione del CFRP. Sono stato trasferito all'Aerospace Department dell'Aero Group di Gifu al momento dell'apertura, nell'ottobre 2016, per iniziare a lavorare allo sviluppo della punta MCC. Avevo esperienza nello sviluppo di punte per metalli, ma è stata la prima volta in cui ho lavorato su punte per CFRP.

Yanagida: Gli sviluppatori del reparto, tra cui Yamamoto, hanno creato i prototipi. Rettifichiamo gli utensili personalmente, considerando le migliori condizioni inclusi gli angoli di taglio, la velocità e i tipi di mola, e continuiamo a creare prototipi mano a mano che approfondiamo le nostre conoscenze.

Yamamoto: Abbiamo rivalutato più volte le condizioni di rettifica, dando priorità alla qualità dell'affilatura. Durante tali processi, abbiamo selezionato i prototipi più promettenti per testarli ulteriormente, e abbiamo chiesto ai clienti di verificarne la qualità e le prestazioni. Siamo stati naturalmente molto felici di sentire le parole: "È di gran lunga migliore della punta che stiamo 
usando al momento".

Yanagida: Poiché progettiamo, realizziamo e testiamo i prototipi in autonomia, rileviamo immediatamente anche le minime differenze nelle prestazioni. MMC ha potuto lanciare sul mercato le punte MCC con eccellenti caratteristiche proprio perché Yamamoto ha seguito personalmente i test e migliorato le prestazioni basandosi sull'osservazione diretta del prodotto. 

– Ci parla dei piani per lo sviluppo futuro di punte per materiali a base di CFRP?

Yanagida: L'esigenza fondamentale nella produzione di parti per aeromobili è la sicurezza dell'aeromobile stesso. Anche il prolungamento della vita utile degli utensili è un obiettivo importante, ma la qualità dei fori è prioritaria e ci impegniamo per realizzare entrambe le cose. Prevediamo che la resistenza meccanica del CFRP migliorerà e che la comparsa di nuovi materiali stratificati combinati con l'acciaio inossidabile farà sì che i materiali diventeranno sempre più difficili da lavorare. Mitsubishi Materials continua a condurre una ricerca congiunta con i produttori di fibra di carbonio e lavora con università impegnate in ricerche all'avanguardia per approfondire la comprensione della lavorazione del CFRP e aumentare la capacità di rispondere alle esigenze mutevoli del mercato.

– A conclusione della nostra intervista, avete un messaggio per i vostri clienti?

Yanagida: Le norme JIS e ISO non hanno ancora classificato le strutture in CFRP. Esistono diversi tipi di resine in fibra di carbonio, con vari spessori e metodi di filatura. Pertanto è necessario personalizzare le punte in base al materiale utilizzato per garantire la più alta qualità dei fori. Siamo pronti a soddisfare le esigenze dei clienti, quindi vi invitiamo a contattarci.

Yamamoto: La serie MC è inserita nel catalogo come prodotto standard. Tuttavia, credo che sia meglio considerarla un semi-standard, che viene personalizzato su misura in base alle specifiche esigenze dei clienti. Ci impegniamo a soddisfare le richieste dei clienti in maniera rapida ed efficace, quindi vi invitiamo a richiederci una consulenza.