Mecanizado de composites con fluido refrigerante

Mecanizado de composites

Nuevos métodos de mecanizado para composites
Rhenus Lub: „Aproximándonos al punto óptimo con un lubricante refrigerante especial“

Los materiales compuestos, como el plástico reforzado con fibra de carbono (CRP) o de vidrio (GRP) resultan indispensables debido a sus características especiales, pero son difíciles de mecanizar. En ellos lo habitual es realizar las perforaciones y las operaciones de arranque de viruta en seco, aunque esto no impide que las personas responsables tengan que lamentarse por los bajos niveles de calidad y la elevada cantidad de residuo. En lo que respecta al CRP, el productor de lubricantes refrigerantes Rhenus Lub ataca el problema a través de métodos con visión de futuro: el mecanizado con lubricantes refrigerantes especialmente desarrollados para la operación.

Cuanto más ligero, mejor

Sectores como el Automóvil o la Industria Aeroespacial dependen de materiales ligeros de altas prestaciones y con una resistencia elevada. No hace falta explicar por qué: Cuando la velocidad y la aceleración son magnitudes decisivas, toda reducción en el peso se traduce en un ahorro en los costes operativos. Además del aluminio, el magnesio o el titanio, metales de gran ligereza y resistencia, van cobrando un protagonismo cada vez mayor los materiales plásticos reforzados con fibras (FRP). Un elemento clave en esta tendencia: el plástico reforzado con fibras de carbono. Este material posee una ligereza extraordinaria combinada con excelentes propiedades de estabilidad.

El mecanizado en seco a examen sobre el banco de pruebas: Cómo vencer a los efectos adversos

Existe una enorme demanda de composites: lástima que para el mecanizado de los mismos no dispongamos más que de unos cuantos procedimientos harto ineficaces. Aunque ya es posible producir componentes CRP con forma final y a menudo no es preciso más que repasar algunos detalles del acabado como perforaciones o fresados simples, el mecanizado en seco con arranque de viruta puede convertirse en una molesta fuente de problemas. Al no existir alternativas a los procedimientos habituales de mecanizado en seco, en su día se resolvió aceptar este inconveniente, junto con el dispendio adicional de materia prima, como un mal menor.

Con las consecuencias inevitables: al ser el producto final de alto valor añadido, la pérdida asumida dista de ser marginal. ¿Y qué es lo que sucede? Pese a la reducida velocidad de avance en el mecanizado tienen lugar fenómenos masivos de deslaminación y rotura en las fibras, que hacen imposible cumplir los requerimientos de calidad. Los útiles también experimentan una fuerte solicitación. Las fibras que contienen los materiales compuestos provocan un intenso desgaste en brocas, fresas y discos de corte, obligando a una frecuente sustitución de útiles. Para compensar este elevado desgaste, a menudo se emplea material de gran calidad como diamante policristalino y diversos recubrimientos con productos de dureza similar a la del diamante. Muy pronto se detectan variaciones al alza en el coste de los útiles, que comprometen seriamente la competitividad de cualquier material de alta tecnología.

Asimismo el mecanizado en seco de CRP plantea importantes cuestiones en materia de higiene y seguridad laboral. Especialmente problemático es el polvo fino liberado durante el mecanizado con arranque de viruta. Una cantidad elevada de partículas finas afecta negativamente a la salud del personal de fabricación. Para no poner en peligro al trabajador, la empresa tiene que instalar en las zonas de producción potentes sistemas de ventilación y limpieza de aire: equipamientos costosos que sin embargo resultan imprescindibles, cuando no obligatorios, para asegurar una protección suficiente contra el polvillo de fibras.

Teniendo en cuenta el elevado coste de las defensas, o de las consecuencias de este riesgo potencial, resulta inevitable plantearse la cuestión: ¿es imprescindible el mecanizado en seco de los plásticos con refuerzo de fibra?

Rhenus Lub pone encima de la mesa una propuesta con visión de futuro

El mecanizado en seco de materiales de alta resistencia constituye una operación de alto riesgo económico y sanitario, que obliga a pensar en la posibilidad de introducir métodos alternativos como clave para una mejora. Para el fabricante de lubricantes Rhenus Lub, especializado en la producción de refrigerantes y grasas de elevado rendimiento, los materiales avanzados y las dificultades que el procesado de los mismos plantea (intenso desgaste, merma de calidad en las piezas, riesgos para la salud) no suponen una novedad. Para el mecanizado innovador de plásticos con refuerzo de fibra, el fabricante de Mönchengladbach propone una solución prometedora: el empleo de refrigerantes desarrollados especialmente para este cometido.

Nuestro Departamento de Desarrollo, altamente especializado en esta cuestión, lleva mucho tiempo ensayando el mecanizado de CRP con lubricantes refrigerantes y ha establecido contacto con socios competentes y capaces de generar las sinergias requeridas por este innovador proyecto. Nuestra casa de Mönchen­gladbach cuenta por ejemplo con el apoyo del Departamento de Investigación y Transferencia de Know-How de la Universidad de Zwickau en Sajonia Occidental (FTZ), con quien realizamos ensayos de refrigerantes de nueva generación en condiciones reales de fabricación, midiendo las calidades de proceso y el nivel de desgaste de los útiles empleados. Con el Centro Alemán de la Industria Aeroespacial (DLR) existe además una estrecha relación colaborativa en el ámbito de las pruebas de materiales y de compatibilidad de materiales sintéticos reforzados por fibra.

Etapas lógicas de un proceso evolutivo

Pensamos que más de un fabricante se sorprenderá por los excelentes resultados que se pueden obtener a través de estas alternativas a los procedimientos convencionales. Para Rhenus Lub, con su exhaustivo conocimiento de mercados, sus décadas de experiencia investigadora y el nivel profesional de sus químicos de élite, éste sería sin embargo un paso adelante en el proceso evolutivo, en opinión del Dr. Hans Jürgen Schlindwein, Director de Investigación y Desarrollo – Control de Calidad de Lubricantes Refrigerantes de Rhenus Lub: “Nuestro objetivo consiste en alcanzar un óptimo de operaciones de fabricación para el cliente, gracias a nuestro portfolio de productos y servicios: el empleo de lubricantes refrigerantes especiales puede conseguirlo para el segmento del mecanizado por arranque de viruta de CRP, como lo prueban los resultados de nuestros exigentes ensayos. Seguir simplemente como hasta ahora inhibe la innovación.” Ya hay dos productos maduros para el mercado: los lubricantes refrigerantes especiales rhenus XY 190 FC y rhenus XT 46 FC. “Son para el uso en el mecanizado de plásticos reforzados con fibra, bien carbono, bien vidrio y cumpliendo determinadas condiciones, desafían con perspectivas seguras de éxito la capacidad de los procesos de mecanizado en seco”, según Schlindwein.

Resultados prácticos persuasivos

Pruebas de campo industriales con clientes seleccionados en el sector de automoción, demuestran que el empleo de lubricantes refrigerantes especiales para el mecanizado de CRP y GRP se refleja ventajosamente de un modo inmediato en la calidad del corte y el taladrado, así como en el coste unitario de las perforaciones, los costes de proceso y de residuo y otras magnitudes fundamentales del proceso.

Una comparación directa del test de campo industrial (1) pone de manifiesto las ventajas del mecanizado CRP con lubricantes refrigerantes con respecto a los procedimientos tradicionales en seco. En los ensayos realizados, la emulsión permitió multiplicar hasta por cuatro la vida operativa de los útiles. Las mayores velocidades de avance (hasta un 69% más) acortaron significativamente los tiempos de fabricación. La elevada conductibilidad térmica y las excelentes prestaciones del lubricante especial, proporcionan valores impensables para un proceso de mecanizado en seco.

Útil Datos de corte sin emulsión Datos de corte con emulsión Sin emulsión Con emulsión especial
Fresa de metal endurecido, con dientes piramidales, Ø6 8.500 1/min
1.200 mm/min
13.500 1/min
2.000 mm/min
6 piezas
= 42 m
40 piezas
= 150 m
Fresa de metal endurecido, Ø4,8 7.600 1/min
700 mm/min
7.600 1/min
700 mm/min
10 piezas
= 1,7 m
40 piezas
= 6,8 m

(1) datos de corte en promedio (sin emulsión y con emulsión especial)

También la precisión el mecanizado y la constancia dimensional mejoraron gracias a la utilización de lubricantes refrigerantes especiales, como se puede apreciar en (2) y (3). Con los lubricantes refrigerantes especiales rhenus XY 190 FC y rhenus XT 46 FC, los útiles en comparación con escenarios de mecanizado en seco, funcionan frecuentemente con mayor precisión y constancia dimensional en los rangos de tolerancia establecidos.

Diagrama precision

(2) Precisión de mecanizado en perforaciones en plástico con refuerzo de fibra de carbono.

Diagrama perforaciones

(3) Constancia dimensional de perforaciones en CRP

Util:

Broca sin recubrir de metal endurecido 6,0h7
c = 120 m/min
u = 0,06 mm
280 perforaciones
Precio / Unidad: < 10 €

CFK:

Espesor 10 mm
Posiciones 0/90°
Fibra HTA

La mayor calidad de los taladrados realizados con emulsión especial resulta perceptible a simple vista en las pruebas: (4), (5), (6) y (7).

Recorrido

(4) Prueba de campo industrial con mejores resultados de calidad en mecanizado

(5) Entrada y salida al taladrar: menos deslaminación con emulsión especial

Recorrido de avance

(7) Calidad de superficies en el fresado: mejores resultados con fluido refrigerante especial

(6) Superficies interiores de taladrado lisas y brillantes con emulsión refrigerante

Las menores desviaciones y la mayor constancia dimensional no solo reducen el desecho, sino que además incrementan la calidad de los componentes. Se evita la deslaminación y que numerosas piezas tengan que ser repasadas.

Pese a mayores velocidades de avance, más elevada velocidad de corte y una mayor precisión del mecanizado, las pruebas de campo produjeron un menor desgaste de los útiles (8). Consecuencias positivas: alargamiento de la vida útil y reducción de gastos por el menor desgaste de los útiles.

Desgaste de útiles

Sin emulsión

Con emulsión especial

(8) Test de campo industrial: Desgaste de útiles en el mecanizado CPR sin y con emulsión especial

En colaboración con el Centro Alemán de la Industria Aeroespacial se llevaron a cabo ensayos del tipo “peor de los casos posibles” (almacenamiento del plástico reforzado con fibra de carbono durante una semana a 60 °C, ensayos a -50 °C) para investigar las interacciones entre la emulsión y CRP. Los resultados fueron positivos: El tiempo reducido de actuación del lubricante refrigerante durante el arranque de viruta no modifica los valores del CRP, y tampoco se pudo observar una penetración de la emulsión en la estructura del composite.

Utilizando lubricantes refrigerantes el polvo queda ligado de manera óptima, lo cual contribuye a una mejor protección de la salud y hace que este proceso goce de una acogida más favorable entre los responsables de proceso y los operarios de las máquinas. Además, la excelente respuesta de lavado del lubricante refrigerante contribuye a mantener limpio el espacio de la maquinaria.

Con lubricantes refrigerantes especiales abrimos una nueva senda en el mecanizado de composites

El Ingeniero Diplomado Meinhard Kiehl, Director de Producto de Rhenus Lub, considera que estos procesos innovadores y los lubricantes refrigerantes de altas prestaciones correspondientes, convierten a la empresa en pionera: “Nuestra idea de mecanizar con aceites refrigerantes polímeros con refuerzo de carbono y otros materiales inicia una nueva era. Esto no solo es válido para los responsables de proceso, hasta la fecha y por lo general obligados a lidiar con los resultados poco satisfactorios del mecanizado en seco de piezas con refuerzo de carbono. También las empresas que utilizaban lubricantes refrigerantes, pero que no trabajaban el carbono, podrán ampliar su gama de producto gracias a nuestros fluidos desarrollados especialmente para el trabajo con composites, que les permite trabajar sin problemas los materiales de mayor resistencia con el parque de máquinas disponible. Ello abre un enorme potencial para negocios complementarios.” En cuanto a los aspectos de rentabilidad del mecanizado de composites y los relativos a seguridad e higiene en el trabajo, además de una protección del medio ambiente sin tener que sacrificar la competitividad, la conclusión es evidente: A largo plazo no existe alternativa a los lubricantes refrigerantes.

Hans Juergen SchlindweinDr. Hans Jürgen Schlindwein
Director I+D, Departamento de
control de calidad KSS

Teléfono: +49 2161 5869-249

schlindwein@rhenusweb.de

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