I. Perforazione
La perforazione nei materiali compositi differisce in modo significativo dalla perforazione nelle strutture metalliche degli aerei. Punte speciali, velocità più elevate e velocità di avanzamento inferiori sono essenziali per ottenere fori di precisione. Le strutture composte da fibra di carbonio e resina epossidica sono estremamente rigide e abrasive e richiedono l'uso di speciali punte piatte a-flauto o simili a quattro-flauto. La fibra aramidica (Kevlar®) e i compositi epossidici, sebbene non duri come la fibra di carbonio, sono difficili da forare a meno che non vengano utilizzati utensili speciali, poiché le fibre sono soggette a usura o strappo a meno che non vengano tagliate in modo netto poiché sono incorporate nella resina epossidica. Sono state sviluppate punte speciali con punte a molletta e a coda di pesce per recidere le fibre prima che vengano estratte dal foro praticato. Tuttavia, quando le sezioni in Kevlar® e in resina epossidica vengono inserite tra due sezioni metalliche, è possibile utilizzare punte elicoidali standard.
II. Attrezzatura
Gli utensili pneumatici vengono utilizzati per la foratura di materiali compositi. La velocità a vuoto del motore del trapano può raggiungere fino a 20.000 giri al minuto. La regola generale per la foratura dei compositi è quella di utilizzare velocità elevate e velocità di avanzamento (pressione) basse. Le attrezzature di perforazione con controllo dell'avanzamento motorizzato producono una qualità del foro superiore rispetto ai motori di perforazione che ne sono sprovvisti. Si consiglia l'uso di guide per foratura, in particolare per i laminati più spessi.
Non utilizzare punte elicoidali standard per forare strutture composite. L'acciaio rapido standard- non è accettabile in quanto diventerà immediatamente opaco, genererà calore eccessivo e causerà delaminazione, lacerazione delle fibre e qualità dei fori inaccettabile.
Le punte da trapano per fibra di carbonio e fibra di vetro sono realizzate con materiali rivestiti di diamante-o carburo solido perché le fibre sono molto dure e le punte da trapano standard in acciaio rapido-(HSS) non durano a lungo.
Le punte elicoidali sono comunemente usate, ma possono essere utilizzate anche punte a punta Brad. La fibra di Kevlar non è dura come la fibra di carbonio e può ospitare punte HSS standard; tuttavia, la qualità del foro potrebbe essere compromessa. Il tipo di punta preferito è la punta Klenk a forma di falce-, che prima impegna le fibre e poi le taglia, ottenendo una migliore qualità del foro. I fori più grandi possono essere tagliati utilizzando seghe a tazza rivestite di diamante-o frese a mosca, ma le frese a mosca devono essere utilizzate solo su trapani a colonna e non su motori di perforazione. (Come illustrato nelle Figure 85, 86 e 87)
(Figura 85) Punta Klenk per forare il Kevlar®
(Figura 86) Utensili da perforazione e taglio per compositi
(Figura 87) Foratura e taglio automatici
III. Procedure operative e precauzioni
I motori di perforazione compositi funzionano in un intervallo compreso tra 2.000 e 20.000 giri al minuto e velocità di avanzamento basse. I motori di perforazione dotati di camere di alimentazione idrauliche o altri tipi di controllo dell'avanzamento sono preferiti poiché limitano la fuoriuscita della punta dal materiale composito, riducendo i danni da scoppio e la delaminazione. Le parti realizzate con prodotti a nastro sono particolarmente suscettibili ai danni da esplosione, mentre le parti realizzate con materiali in tessuto sono meno soggette a tali danni. Le strutture composite richiedono lamiere o piastre metalliche come supporto per evitare scoppi. I fori nelle strutture composite vengono generalmente pre-effettuati con un piccolo foro pilota, quindi allargati con una punta da trapano rivestita in diamante-o in carburo e infine alesati fino alla dimensione finale del foro con un alesatore in carburo.
La perforazione a ritroso-è un problema che può verificarsi quando parti epossidiche-in fibra di carbonio vengono accoppiate con parti della sottostruttura metallica. Il bordo posteriore del foro nella sezione epossidica in fibra di carbonio- può essere eroso o sfilacciato dai trucioli metallici trascinati attraverso il composito. Ciò è più diffuso quando ci sono spazi tra le parti o quando i trucioli metallici sono lineari anziché frammentati. La perforazione inversa- può essere mitigata regolando velocità e velocità di avanzamento, geometria dell'utensile, bloccaggio del pezzo, aggiungendo l'alesatura finale, utilizzando punte a percussione o una combinazione di questi metodi.
Quando si forano parti composite insieme a parti metalliche, la parte metallica può dettare la velocità di foratura. Ad esempio, sebbene il titanio sia compatibile con i materiali epossidici in fibra di carbonio- dal punto di vista della corrosione, per prevenire danni metallurgici al titanio, la velocità di perforazione deve essere ridotta. Le leghe di titanio vengono forate a basse velocità con elevati avanzamenti. Le punte adatte per il titanio potrebbero non essere adatte per la fibra di carbonio o la fibra di vetro. Le punte per il titanio sono generalmente realizzate in cobalto-vanadio, mentre le punte per la fibra di carbonio sono realizzate in carburo o con rivestimento in diamante-per aumentare la durata della punta e produrre fori precisi. Le punte HSS di piccolo diametro, come la punta n. 40, sono comunemente utilizzate per eseguire manualmente fori pilota a causa del loro costo relativamente basso, che compensa la loro durata limitata. Le punte HSS sono adatte solo per un foro singolo.
Il problema più comune con l'utilizzo di utensili in metallo duro nelle operazioni di foratura manuale è il danneggiamento dell'utensile (in particolare la scheggiatura del bordo). Una punta da trapano affilata con avanzamento lento e costante può realizzare fori con una tolleranza di 0,1 mm (0,004 pollici) attraverso fibra di carbonio-resina epossidica e alluminio sottile, soprattutto quando si utilizza una guida per trapano. Gli utensili duri possono mantenere tolleranze più strette. Quando la struttura sotto la resina epossidica in fibra di carbonio- è in titanio, la punta del trapano può tirare i trucioli di titanio attraverso la resina epossidica in fibra di carbonio-, allargando il foro. In tali casi, potrebbe essere necessaria un'operazione di alesatura finale per mantenere la tolleranza del diametro del foro. I fori nelle strutture composite epossidiche in fibra di carbonio- richiedono alesatori in carburo. Inoltre, quando l'alesatore rimuove un diametro superiore a 0,13 mm (0,005 pollici), l'estremità di uscita del foro richiede un supporto adeguato per evitare rotture e delaminazione. Il supporto può essere fornito dalla sottostruttura o da una piastra fissata alla superficie posteriore. Le velocità tipiche di alesatura sono circa la metà delle velocità di foratura.
I fluidi da taglio generalmente non vengono utilizzati o consigliati per la perforazione di strutture epossidiche in fibra di carbonio sottili (meno di 6,3 mm o 0,25 pollici di spessore). Usare un vuoto durante la foratura dei compositi è una buona pratica per evitare che la polvere di carbonio galleggi liberamente nell'area di lavoro.
IV. Perforazione
Quando è necessario installare elementi di fissaggio a filo negli assemblaggi, è necessaria la lamatura per le strutture composite. Per le strutture metalliche, i metodi tipici sono dispositivi di fissaggio con testa a taglio o a trazione a 100 gradi. Nelle strutture composite, esistono due tipi di elementi di fissaggio comunemente utilizzati: elementi di fissaggio con testa di tensione a 100 gradi o elementi di fissaggio con testa di tensione a 130 gradi. Il vantaggio della testa da 130 gradi è che il diametro della testa del dispositivo di fissaggio può essere uguale a quello di un dispositivo di fissaggio con testa tensionata da 100 gradi, mentre la profondità della testa è la stessa di un dispositivo di fissaggio con testa di taglio da 100 gradi. Per i dispositivi di fissaggio a filo in parti composite, si consiglia di progettare lo strumento di lamatura con un raggio controllato tra il foro e la lamatura per accogliere il raggio di raccordo dalla testa-al-gambo sul dispositivo di fissaggio. Inoltre, potrebbero essere necessarie operazioni di smussatura o rondelle per fornire uno spazio adeguato per i dispositivi di fissaggio della testa sporgenti. Indipendentemente dal tipo di testa utilizzata, nella struttura composita è necessario preparare una svasatura o uno smusso adeguati.
Gli utensili in metallo duro vengono utilizzati per produrre svasatori in strutture epossidiche-in fibra di carbonio. Queste frese per svasatura solitamente hanno scanalature diritte simili a quelle utilizzate sui metalli. Per i compositi epossidici in fibra di Kevlar-, viene utilizzata una scanalatura a rastrello positiva a forma di S-. Se si utilizzano frese per scanalature diritte o svasate, è possibile applicare sulla superficie uno speciale nastro adesivo spesso per pulire le fibre di Kevlar tagliate, ma questo è meno efficace di una fresa per scanalature a forma di S-. Si consiglia uno strumento di svasatura pilota in quanto garantisce una migliore concentricità tra il foro e la svasatura e riduce il rischio di spazi sotto l'elemento di fissaggio dovuti all'asimmetria o alla delaminazione della parte.
Utilizza un calibro per svasatura micro-stop per produrre lamature uniformi. Non svasare più del 70% dello spessore dello strato superficiale, poiché svasature più profonde possono ridurre la resistenza del materiale. Quando si utilizza uno strumento svasatore pilota, è essenziale controllare regolarmente l'usura del pilota, poiché l'usura può portare a una ridotta concentricità tra il foro e lo strumento svasatore. Ciò è particolarmente applicabile agli utensili svasatori con un solo tagliente. Per i denti da taglio svasati pilota, posizionare il pilota nel foro e regolare i denti da taglio al numero di giri massimo prima di iniziare l'avanzamento dei denti da taglio nel foro e prepararsi per il taglio svasatore. Se i denti taglienti entrano in contatto con il materiale composito prima di azionare il motore del trapano, potrebbero formarsi detriti.
V. Processi e precauzioni di taglio
Gli utensili da taglio progettati per i metalli hanno una durata breve o producono bordi taglienti scadenti se utilizzati su compositi. Gli strumenti utilizzati per i compositi variano a seconda del materiale composito da tagliare. La regola generale per il taglio dei compositi è l'alta velocità con avanzamento lento.
Plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP): le fibre di carbonio sono estremamente dure e gli strumenti in acciaio ad alta-rapidità si consumano rapidamente. Per la maggior parte delle attività di rifinitura e taglio, le lame diamantate sono la scelta migliore. La molatura può essere eseguita con carta vetrata al carburo di silicio o allumina o tela abrasiva. Il carburo di silicio ha una durata maggiore dell'allumina. Le punte del router possono anche essere realizzate in metallo duro integrale o rivestite di diamante-.
Plastica rinforzata con fibra di vetro (GFRP): le fibre di vetro sono dure quanto le fibre di carbonio e gli strumenti in acciaio ad alta-rapidità si consumano rapidamente se utilizzati su di esse. I fori nelle fibre di vetro devono essere eseguiti utilizzando lo stesso tipo e materiale di punte da trapano utilizzate per le fibre di carbonio.
Plastica rinforzata con fibra aramidica (Kevlar®): le fibre aramidiche non sono dure come le fibre di carbonio e di vetro ed è possibile utilizzare strumenti in acciaio rapido-. Per evitare l'allentamento delle fibre sui bordi dei compositi aramidici, tenere saldamente la parte prima di tagliarla. I compositi in aramide devono essere supportati con una piastra di supporto in plastica. L'aramide e la piastra di supporto devono essere tagliate contemporaneamente. Il miglior metodo di taglio per le fibre aramidiche è prima tensionarle e poi tagliarle. C'è una taglierina dalla forma speciale che può afferrare le fibre e poi tagliarle. Quando si utilizzano le forbici per tagliare il tessuto Kevlar o i preimpregnati, deve esserci un lato con lame da taglio e un altro lato con superfici seghettate o scanalate. Queste dentellature impediscono al materiale di scivolare. Utilizzare sempre lame affilate poiché possono ridurre i danni alle fibre. Dopo l'uso, assicurati di pulire immediatamente le seghettature delle forbici per evitare danni causati dalla resina non polimerizzata.
Quando si utilizzano strumenti e attrezzature, indossare sempre occhiali di sicurezza e altri indumenti protettivi.
VI. Attrezzatura da taglio
La sega a nastro è l'attrezzatura più comunemente utilizzata nelle officine di manutenzione per il taglio dei compositi. Si consiglia di utilizzare lame con punta in carburo-o con rivestimento in diamante-senza denti. Le tipiche lame dentate non dureranno a lungo se utilizzate per tagliare fibra di carbonio o fibra di vetro. Come mostrato nella [Figura 88], per rifilare le parti composite è possibile utilizzare strumenti pneumatici e manuali come fresatrici, seghe a jab, smerigliatrici e ruote da taglio. Gli utensili con punta in metallo duro o con rivestimento in diamante-forniscono una finitura migliore e una maggiore durata. Le opzioni professionali includono macchine da taglio a ultrasuoni, a getto d'acqua e laser. Questi tipi di attrezzature sono a controllo numerico (NC) e producono bordi e fori di qualità superiore. Le macchine da taglio a getto d'acqua non possono essere utilizzate su strutture a nido d'ape poiché introducono acqua nelle parti. Non tagliare mai nulla sulle apparecchiature destinate ai compositi, poiché altri materiali possono contaminare i compositi.
(Figura 88) Sega a nastro
I preimpregnati possono essere tagliati utilizzando un tavolo da taglio Gerber (CNC). L'uso di questa attrezzatura accelera il processo di taglio e ottimizza l'utilizzo del materiale. Il software di progettazione può calcolare come tagliare strati di forme complesse. Come mostrato nella Figura 89:
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(Figura 89) Tavolo da taglio Gerber
Continua
Fonte Sito web pubblico "Composites Frontier".