Com a tendência para a redução do peso nos setores aeroespacial, dos veículos movidos a energias alternativas e do equipamento desportivo de alta gama, os materiais compósitos estão a ganhar cada vez mais aplicações.
Os compósitos reforçados com fibra de carbono e fibra de vidro tornaram-se materiais essenciais para a redução do peso de equipamentos de alta gama.
Apresentam excelentes características em termos de resistência específica, módulo específico e resistência à corrosão.
No entanto, a delaminação, a extração de fibras e o rasgamento da resina continuam a ser desafios persistentes na fresagem CNC.
Mesmo com parâmetros aparentemente razoáveis, é frequente ocorrerem separação entre camadas, difusão nas bordas e divisão na saída.
Estes defeitos não prejudicam apenas o aspeto da peça.
Além disso, enfraquecem diretamente as propriedades mecânicas estruturais e reduzem a vida útil do produto.
A delaminação na fresagem de compósitos nunca resulta de um único fator.
Resulta do efeito combinado das propriedades do material, do estado da ferramenta, dos parâmetros e da configuração de fixação.
Por conseguinte, é necessária uma otimização sistemática de todo o processo para resolver o problema de forma estável.
1. Causas fundamentais da delaminação na fresagem de compósitos
1.1 Propriedades estruturais intrínsecas dos materiais compósitos
A estrutura anisotrópica dos compósitos é a causa interna fundamental da delaminação.
Ao contrário dos metais homogéneos, os compósitos são constituídos por fibras de reforço e por uma matriz de resina.
A resistência da ligação interlaminar é muito inferior à resistência axial das fibras:
- As fibras suportam a carga principal, mas apresentam uma fraca resistência ao cisalhamento transversal. A força de corte lateral provoca facilmente a fratura e a extração das fibras.
- A matriz de resina funciona como fase de ligação, apresentando resistência ao calor e tenacidade limitadas. O calor gerado localmente durante o corte pode facilmente provocar o amolecimento e a fissuração da resina.
- As interfaces interlaminares são zonas de fragilidade mecânica. A força de separação perpendicular às camadas rompe facilmente a interface e provoca o descascamento.
Quando a carga de corte excede a resistência de aderência da interface, a remoção de material passa de um processo de cisalhamento para um processo de rasgamento.
Consequentemente, começam a formar-se e a alargar-se defeitos de delaminação.
Isto também explica por que razão a janela de processo dos compósitos é muito mais estreita do que a dos metais.
1.2 Efeitos dinâmicos da mecânica de fresagem
A natureza intermitente da fresagem CNC provoca alterações periódicas na direção da força de corte.
Os compósitos são altamente sensíveis à direção da carga, o que constitui um fator dinâmico determinante da delaminação:
- No fresamento ascendente convencional, a aresta de corte atua sobre o material de baixo para cima. Isso tende a descascar as fibras superficiais e a provocar o aparecimento de fiapos e rasgos.
- Uma velocidade de avanço excessiva provoca uma carga de impacto elevada por dente. Isso acelera a propagação de fissuras e provoca fissuras interlaminares.
- Uma aresta de corte desgastada perde a capacidade de cisalhamento e passa a exercer uma ação de extrusão e atrito. Isso aumenta a força de corte e eleva o calor de atrito, enfraquecendo ainda mais a resistência da resina.
1.3 Efeito de interação entre o processo e as ferramentas
Uma conceção inadequada do processo e uma configuração incorreta da fixação aumentam o risco de delaminação.
Constituem a causa externa direta dos defeitos de maquinagem:
- A incompatibilidade entre a velocidade do fuso e a velocidade de avanço provoca uma carga excessiva por dente e concentração de tensões.
- As curvas acentuadas ou as descidas verticais no percurso da ferramenta provocam alterações bruscas na carga e desencadeiam fissuras interlaminares.
- A rigidez insuficiente da fixação e o grande vão em saliência intensificam a vibração durante a maquinagem. A carga flutuante exerce um impacto repetido na interface interlaminar.
2. Otimização do sistema de ferramentas: defesa fundamental contra a delaminação
A ferramenta determina diretamente o mecanismo de remoção de material.
A escolha de ferramentas adequadas e a manutenção das lâminas afiadas constituem a primeira linha de defesa contra a delaminação.
2.1 Utilização de ferramentas especializadas para a maquinagem de compósitos
As ferramentas especializadas para o corte de fibras devem ter prioridade em relação às ferramentas gerais para o trabalho em metal.
Reduzem o risco de rasgo graças ao próprio princípio de corte:
- Ferramentas com revestimento de diamante PCD: Muito mais resistentes ao desgaste do que os revestimentos padrão. Mantêm o fio da lâmina afiado durante muito tempo e evitam a delaminação induzida pela extrusão.
- Ferramentas de carboneto de grão ultrafino: Oferecem maior tenacidade e estabilidade do gume. Reduzem a formação de micro-lascas e evitam defeitos causados pelo arranho de fibras.
- Fresas helicoidais do tipo cisalhamento: Os ângulos de corte otimizados permitem um corte por cisalhamento limpo. Reduzem significativamente a extração de fibras e o descascamento interlaminar.
2.2 Otimizar os parâmetros geométricos da ferramenta
A geometria da ferramenta altera diretamente a distribuição da força de corte e o comportamento de ruptura do material.
A otimização direcionada dos parâmetros pode reduzir eficazmente a tendência para a delaminação:
- Aumentar moderadamente o ângulo de inclinação: reduzir o efeito de extrusão da aresta de corte, reforçar a ação de cisalhamento e diminuir a força lateral.
- Utilizar um ângulo de hélice menor: reduzir a força de tração axial durante o corte e diminuir a carga de separação perpendicular às camadas.
- Manter uma elevada nitidez das arestas: Certifique-se de que as fibras são cortadas de forma limpa, em vez de serem arrancadas, e reduza a formação de fiapos nas superfícies e nas saídas.
- Otimizar a estrutura de evacuação de aparas: Evitar o raspamento secundário das superfícies maquinadas e prevenir danos interlaminares adicionais.
2.3 Controlar rigorosamente o estado de desgaste das ferramentas
O desgaste das ferramentas é a causa mais negligenciada da delaminação, e os danos que provoca são cumulativos:
- O desgaste das arestas transforma gradualmente o corte em extrusão e atrito. O risco de delaminação aumenta exponencialmente com o nível de desgaste.
- A descamação do revestimento aumenta o calor de atrito e acelera o amolecimento da matriz de resina, reduzindo ainda mais a resistência interlaminar.
- É necessário estabelecer uma norma de gestão da vida útil das ferramentas. Combinar a monitorização do desgaste durante o processo com a substituição atempada das ferramentas, de modo a evitar a delaminação dos lotes.
3. Otimização dos parâmetros do processo e das trajetórias de usinagem: controlo preciso da carga
O controlo da magnitude e da direção da carga de corte constitui o princípio fundamental da fresagem de compósitos.
Apenas uma carga estável e controlável pode evitar falhas na interface.
3.1 Seguir o princípio da alta velocidade, avanço reduzido e profundidade reduzida
Uma combinação adequada de parâmetros pode reduzir eficazmente o impacto do corte e estabilizar a ruptura do material:
- Aumente moderadamente a velocidade do fuso: diminui a carga de corte por dente, mantém as fibras sob cisalhamento contínuo e reduz os danos causados por impacto.
- Controlar a velocidade de avanço: Reduzir a carga de impacto instantânea e evitar falhas repentinas na interface causadas por picos de tensão.
- Adote a fresagem em camadas com pequena profundidade de corte: distribua a tensão de corte, mantenha a força por passagem abaixo do limiar de resistência da interface e remova o material passo a passo.
3.2 Conceber percursos de ferramenta com baixo nível de tensão
A trajetória da ferramenta determina diretamente a distribuição das tensões e a direção de propagação da falha.
Os percursos otimizados podem reduzir o risco de delaminação ao nível da transferência de carga:
- É preferível cortar no sentido das fibras: reduz a força de tração lateral exercida sobre as fibras e melhora a integridade da superfície maquinada.
- Evite curvas acentuadas no percurso: as curvas acentuadas provocam variações bruscas de carga, concentração local de tensões e fissuras interlaminares.
- Utilizar o mergulho em rampa helicoidal: Substituir o impacto de mergulho vertical para um engate suave e uma redução da delaminação inicial.
- Aplicar o modo de fresagem ascendente: a aresta corta de cima para baixo, pressiona o material da superfície para baixo e evita que este se descasque, ao contrário do que acontece na fresagem descendente.
3.3 Tratamento especial para áreas de alto risco
As arestas das peças, os lados de saída e as periferias dos orifícios apresentam o maior risco de delaminação.
Exigem estratégias de processo diferenciadas:
- Reduza a velocidade de avanço nas arestas e nas zonas de saída para diminuir a carga de impacto durante a penetração da ferramenta.
- Adicione placas de reforço ou camadas de sacrifício no lado de saída para absorver o impacto da penetração e evitar a fissuração na saída.
- Adote um processo de maquinagem de furos passo a passo — pré-perfuração, alargamento e acabamento — para evitar a delaminação do perímetro do furo resultante da perfuração de uma única passagem.
- Organizar passagens de acabamento locais nas áreas sujeitas a elevadas tensões, de modo a melhorar a integridade das arestas através de uma ligeira remoção de material.
4. Sistema de fixação e suporte: o fator-chave que é frequentemente ignorado
Os compósitos apresentam uma rigidez inferior à dos materiais metálicos.
A rigidez da fixação e a disposição dos apoios afetam diretamente a estabilidade da maquinação.
Este é um fator frequentemente ignorado, mas altamente influente na delaminação.
4.1 Melhorar a rigidez geral da fixação
Um apoio estável é a base para reduzir a vibração e a deformação:
- Utilizar fixação por mandril de vácuo: Proporciona uma força de apoio distribuída uniformemente, evita a deformação por tensão resultante da fixação local e melhora a rigidez geral da montagem.
- Adicione blocos de apoio locais por baixo da área de maquinagem para reduzir a saliência da peça e suprimir a amplificação das vibrações.
- Evite vãos grandes sem apoio, para evitar a vibração da peça de trabalho e o agravamento dos danos por fadiga interlaminar.
4.2 Controlo da deformação por aperto e da vibração
Uma força de fixação inadequada irá provocar tensões internas.
A libertação de tensões após a maquinagem pode facilmente causar delaminação e deformação:
- Utilize um aperto simétrico para garantir uma força uniforme e evitar deformações causadas por uma carga desequilibrada.
- Controlar o nível da força de fixação. Assegurar uma fixação segura, evitando danos na matriz de resina e a acumulação de tensões internas decorrentes de uma fixação excessiva.
- Otimizar a disposição dos pontos de apoio para alinhar as posições dos apoios com as posições das cargas de corte e melhorar a estabilidade estrutural.
4.3 Reforçar a conceção do apoio na fase de saída
A fase de penetração da ferramenta apresenta a taxa mais elevada de ocorrência de delaminação.
É necessário criar uma linha de defesa dedicada ao apoio ao utilizador final:
- Instale uma placa de suporte rígida no lado de saída para absorver o impacto instantâneo da ruptura e impedir o descolamento interlaminar.
- Utilize uma camada de sacrifício de material semelhante para evitar lascas e rasgos nas arestas durante a penetração da ferramenta.
- Combine esta medida com uma velocidade de avanço reduzida na secção de saída para diminuir ainda mais a carga de penetração e melhorar a qualidade da aresta.
5. Atualização de todo o processo: da reparação passiva à prevenção ativa
O cerne da maquinagem de compósitos de alta qualidade reside no controlo preciso do comportamento de ruptura do material.
Nunca deve depender de retificações e retrabalhos após a maquinação.
5.1 Dar prioridade à prevenção na fonte
A maioria dos defeitos de delaminação em compósitos é irreversível.
Uma vez que ocorra a separação entre camadas, o polimento ou a reparação apenas podem melhorar o aspeto.
Não consegue restaurar a resistência mecânica estrutural original:
- A otimização do processo deve ter prioridade sobre quaisquer métodos de reparação superficial.
- Estabelecer uma lógica de controlo de qualidade que dê prioridade à prevenção e antecipar o controlo da delaminação para a fase de conceção do processo.
5.2 Adotar uma estratégia de maquinagem em várias fases
Dividir o processo em várias etapas pode aliviar gradualmente o stress e reduzir o risco global:
- Fase de desbaste: Remover a maior parte do material com parâmetros mais elevados, com foco na eficiência da remoção de material.
- Fase de semi-acabamento: Deixar uma camada uniforme de material de acabamento, libertar as tensões internas resultantes do desbaste e estabilizar a estrutura da peça.
- Fase de acabamento: Aplique parâmetros otimizados de baixa carga, com especial atenção à qualidade da superfície e à integridade das arestas.
5.3 Criar um circuito fechado de monitorização durante o processo
A monitorização do processo em tempo real melhora ainda mais a estabilidade do processo e previne incidentes relacionados com a qualidade dos lotes:
- Implemente sistemas de monitorização da força de corte para acompanhar as variações de carga em tempo real e identificar atempadamente o desgaste das ferramentas e cargas anormais.
- Ajustar dinamicamente os parâmetros de maquinagem com base na informação sobre o estado da ferramenta, de modo a manter o processo de corte estável e controlável.
- Implementar mecanismos de alerta e paragem em caso de anomalias, para evitar que a usinagem descontrolada provoque a delaminação de todo o lote, resultando em material rejeitado.
Conclusão
A delaminação na fresagem de compósitos resulta da interação entre as propriedades do material, o estado da ferramenta, os parâmetros do processo e a configuração de fixação.
O ajuste de um único parâmetro ou a substituição da ferramenta não resolvem o problema de forma definitiva.
Apenas um sistema de otimização de todo o processo, que abranja a seleção de ferramentas, a conceção do processo, o apoio à fixação e o controlo do processo, pode controlar de forma estável a delaminação.
Desta forma, os fabricantes podem alcançar um equilíbrio entre a qualidade da maquinação e a eficiência da produção.
A PartsMastery possui uma vasta experiência na maquinação CNC de compósitos de alta qualidade.
Oferecemos soluções comprovadas de otimização de processos de fresagem e de seleção de ferramentas.
Oferecemos planos de maquinagem personalizados para diferentes sistemas de materiais e estruturas de peças.
As nossas soluções resolvem sistematicamente os problemas de delaminação na origem do processo.
Ajudam os clientes a melhorar o rendimento do produto e a eficiência da maquinagem ao mesmo tempo.
Autor: Equipa Técnica da PartsMastery