Lavorazione di nuovi materiali nell'industria aerospaziale: MÉCANUMÉRIC, competenza al servizio dell'innovazione
Perché parlare di lavorazione di nuovi materiali nel settore aerospaziale?
In termini di requisiti tecnici e tecnologici, l'industria aeronautica, spinta dalla perenne ricerca della leggerezza, è uno dei settori all'avanguardia più avanzati. Se il criterio del peso è sempre stato un fattore determinante nel costante processo di innovazione che ne è alla base, va detto che questo guadagno di prestazioni era essenzialmente finalizzato a prospettive espansionistiche. In breve, come fare le cose più grandi, più lontane e più economiche.
Oggi, invece, l'obiettivo non è più tanto quello di migliorare la redditività, quanto quello di garantire la sopravvivenza a lungo termine del settore. Di conseguenza, la politica del MORE, guidata dall'abbondanza di risorse, ha lasciato il posto a quella del BETTER, che privilegia l'ottimizzazione del loro utilizzo, con una crescente attenzione alla sostenibilità ambientale.
L'uso di nuovi materiali gioca un ruolo essenziale in questa dinamica. I compositi, i polimeri termoplastici, i metalli leggeri e le superleghe offrono vantaggi significativi, come la riduzione del peso, la maggiore resistenza all'usura e alle sollecitazioni meccaniche, la flessibilità di progettazione, il miglioramento del comfort e della sicurezza, la riduzione dei costi e dei tempi di manutenzione, ecc.
A medio termine, offrono un potenziale significativo per l'ottimizzazione dei costi di produzione e di esercizio, nonché dei costi ambientali ed energetici.
La sfida della lavorazione CNC di compositi, metalli leggeri e polimeri
Con un tale serbatoio di innovazione, non sorprende l'emergere di una forte concorrenza tra i subfornitori industriali del settore aerospaziale.
Tuttavia, questi materiali non solo forniscono soluzioni, ma pongono anche delle sfide, soprattutto in termini di lavorazione CNC, a causa della loro complessità strutturale e delle loro proprietà specifiche.
La sfida è quindi rappresentata dagli attori della filiera, che dovranno acquisire o perfezionare la padronanza di queste tecnologie mantenendo la propria competitività, riducendo i costi di lavorazione e aumentando i ritmi di produzione.
È qui che entra in gioco MÉCANUMÉRIC.
Riconosciuta da 30 anni come specialista internazionale nella progettazione e produzione di macchine utensili per le applicazioni più esigenti, l'azienda è diventata un partner chiave per la complessa lavorazione di materiali compositi e polimerici nell'industria aerospaziale.
L'azienda offre competenze all'avanguardia e soluzioni CNC innovative, studiate su misura per le esigenze dei clienti del settore aerospaziale, tra cui la fresatura di parti complesse in alluminio e metallo leggero, il taglio a getto d'acqua ad alta pressione di materiali compositi e la termoformatura di polimeri termoplastici e termoindurenti.
I compositi e il loro utilizzo in aeronautica
La famiglia di materiali più rappresentativa di questa corsa all'innovazione è senza dubbio quella dei compositi. L'evoluzione della loro percentuale nel mix di materiali degli aerei Airbus ne è un'eccellente illustrazione. Se nel 1980 i compositi in carbonio/ epossidico costituivano non più del 10% del peso strutturale di un A300, 50 anni dopo rappresentano più del 50% di quello di un A350-900 XWB.
Compositi in fibra di carbonio / epossidica (CFRP)
I compositi in fibra di carbonio/ epossidica sono probabilmente la categoria di compositi più diffusa, sia nell'industria che nell'uso quotidiano. Sono utilizzati principalmente nella fabbricazione di fusoliere, ali, VTP e HTP e sono costituiti da strati di fibre di carbonio intrecciate impregnate in una matrice organica, generalmente una resina polimerica, che tiene insieme le fibre e le fissa nella loro forma finale.
Vantaggi:
I materiali compositi a matrice organica sono caratterizzati da un rapporto resistenza-peso molto vantaggioso. Grazie alla loro bassa densità (1,8), all'elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche, termiche e chimiche e alla flessibilità di progettazione, possono essere utilizzati per realizzare parti complesse e ad alta resistenza. Possono essere utilizzati per realizzare parti complesse e talvolta gigantesche, offrendo al contempo un'elevata resistenza agli urti e alle temperature.
Le proprietà elettromagnetiche di questi compositi consentono anche la produzione di materiali RAM. La loro struttura laminare e la possibilità di aggiungere altri materiali alla miscela (ferriti, ossido di ferro, ecc.) conferiscono loro la capacità di modificare o assorbire le onde elettromagnetiche, rendendo praticamente nulla la superficie equivalente al radar dei dispositivi.
In disparte, i compositi di grafite di carbonio (C/C)
I compositi carbonio/carbonio sono prodotti sovrapponendo fibre di carbonio fissate in un legante organico, che viene poi sottoposto a trattamento pirolitico. Il calore e la pressione trasformano i composti organici in carbonio quasi puro, che si amalgama in cristalli di grafite più grandi, conferendo al materiale le sue proprietà, in particolare l'estrema durezza.
Vantaggi:
Oltre alla leggerezza che caratterizza questa famiglia di materiali, i compositi C/C si distinguono per la capacità di mantenere le loro proprietà meccaniche a temperature che possono superare i 2.000 °C. Presentano inoltre proprietà di conducibilità termica particolarmente buone. Sebbene sia elevata nella direzione delle fibre, persino superiore a quella del rame in determinate condizioni, è bassa nella direzione trasversale (Δ ^10-100).
Per questi motivi, si trovano principalmente nei sistemi soggetti alle forze di attrito più intense, come i freni degli aerei, gli scudi termici e le piastrelle dei veicoli spaziali e alcuni componenti dei motori a reazione. Le loro proprietà consentono di limitare l'aumento di temperatura quando le elevate forze di attrito vengono convertite in energia termica e di dissipare efficacemente il calore prodotto all'interfaccia, in forma convettiva o radiativa.
Soddisfare i requisiti di lavorazione dell'industria aerospaziale
Se le caratteristiche intrinseche dei compositi conferiscono loro proprietà eccezionali, è importante notare che sono anche sinonimo di notti insonni per gli ingegneri dei materiali.
Al di là della complessità del lungo e costoso processo di fabbricazione, ciò che ci interessa in modo particolare sono le difficoltà poste dalla lavorazione dei pezzi finiti.
Sì, questi materiali rappresentano una vera e propria sfida per chi si impegna a lavorarli senza i metodi e gli strumenti adeguati.
Inoltre, vale la pena ricordare che la lavorazione aeronautica richiede una precisione estremamente elevata con margini di errore irrisori a causa della natura critica dei componenti coinvolti. Di conseguenza, la lavorazione dei materiali compositi per l'industria aerospaziale richiede attrezzature e processi specializzati per garantire la qualità dei pezzi con un alto grado di ripetibilità.
Quali sono le difficoltà legate alla lavorazione dei materiali compositi?
Struttura laminare e anisotropia costitutiva :
La natura anisotropa della loro struttura rappresenta una vera sfida per le macchine CNC e i loro utensili. I materiali compositi possono avere proprietà variabili a causa della dispersione e dell'orientamento delle fibre, nonché della loro qualità di produzione iniziale. Ciò rende più difficile la lavorazione dei compositi, non solo perché le proprietà del materiale variano da zona a zona, ma anche perché le forze di taglio generano forze di taglio e vibrazioni che possono portare alla delaminazione degli strati.
Per ovviare a questo fenomeno, è necessario adattare i parametri di lavorazione e controllare le vibrazioni.
Un centro di lavoro CNC progettato per lavorare con i compositi deve essere in grado di regolare con precisione la potenza del mandrino, la velocità di rotazione e l'avanzamento in modo dinamico per adattare la lavorazione alla resistenza del materiale. In questo modo si evitano problemi come l'usura eccessiva degli utensili o il danneggiamento del pezzo.
Deve inoltre essere dotata di un sistema avanzato di controllo delle vibrazioni per ridurre al minimo l'impatto negativo delle vibrazioni.
Alcuni esempi di progetti realizzati da e per clienti Mécanuméric nel settore aeronautico:
Natura fragile :
Se il carbonio che costituisce la fibra dei compositi è noto per la sua elevata resistenza alla compressione e all'allungamento, non è così quando si tratta di torsione. È quest'ultima sollecitazione che viene applicata alla parte del materiale a contatto con il mandrino.
Per evitare la delaminazione e affinare la rugosità della superficie, l'innesto dell'utensile di fresatura deve essere studiato attentamente. A questo scopo si utilizzano diverse tecniche, come la fresatura in salita e discesa e la lavorazione ad alta velocità.
Natura abrasiva :
Les fibres de carbone sont très résistantes et abrasives, ce qui peut entraîner une usure rapide des outils de coupe traditionnels. Des outils spéciaux en carbure de tungstène ou en diamant sont souvent nécessaires pour y résister.
De plus, les copeaux générés lors de l’usinage des composites peuvent être problématiques car, en plus d’être abrasifs, ils sont aussi collants et difficiles à évacuer. Ils peuvent endommager les surfaces usinées, obstruer les outils et entraîner des vibrations indésirables. Une machine CNC intégrant la gestion efficace des copeaux est essentielle pour maintenir la qualité de l’usinage.
Sensibilité à la chaleur des EPOXYDES :
Alcuni materiali compositi sono sensibili al calore generato durante la lavorazione. In genere, le resine non subiscono deformazioni prima dei 290°C. Tuttavia, alcune lavorazioni, come la fresatura, possono raggiungere temperature locali di circa 900°C se non si interviene per limitare l'aumento della temperatura. L'accumulo di calore può quindi portare a deformazioni, degrado o cambiamenti nelle proprietà del materiale.
Per preservare l'integrità strutturale del materiale sono necessarie tecniche speciali, come l'uso di refrigeranti o la lavorazione a secco ad alta velocità, e sensori di temperatura.
Lo sviluppo di metodi di lavorazione per i materiali compositi
Spinta dall'elevato potenziale di questi materiali, la lavorazione dei compositi ha subito importanti cambiamenti nel corso degli anni.
Fresatura di materiali compositi
Mentre i metodi di lavorazione tradizionali, come la foratura e la fresatura, producono cricche e danni nelle parti in composito, un'azienda innovativa nel settore della lavorazione CNC, come MÉCANUMÉRIC, ha sviluppato macchine e metodi per affrontare la sfida della lavorazione di questa famiglia di materiali, rispettando i requisiti del settore aerospaziale.
La macchina di taglio e fresatura a 3 assi MECAPRO NL, progettata per un uso industriale intensivo, ne è un esempio perfetto. Con dimensioni "da catalogo" fino a 7.610 x 2.600 mm di corsa utile (o più in caso di progettazione personalizzata), incorpora le funzioni avanzate necessarie per la lavorazione dei compositi:
- lavorazione ad alta velocità
- lubrificazione,
- naso di aspirazione per la gestione dei trucioli,
- tavola a vuoto per il contenimento dei pezzi
- controllo della potenza del mandrino e della velocità di avanzamento
- Sensori di urti e vibrazioni con allarmi,
- sensori di temperatura con allarmi.
Taglio a getto d'acqua di materiali compositi
Allo stesso tempo, le nuove tecnologie di taglio, come le macchine a getto d'acqua, hanno permesso di sviluppare processi di lavorazione privi di vibrazioni che producono risultati di alta qualità.
La gamma di macchine CNC per il taglio a getto d'acqua ad alta pressione di MECANUMERIC può essere utilizzata per lavorare parti tecniche composite altamente resistenti. Utilizzando acqua pura, o miscelata con abrasivo per i pezzi più duri, il getto d'acqua preciso e potente esegue un taglio di alta precisione, anche per forme complesse, preservando completamente la struttura molecolare del materiale da tagliare. È la soluzione ideale per le applicazioni che richiedono tolleranze rigorose e una finitura superficiale di alta qualità.
Oltre a rispondere ai problemi posti dalla lavorazione dei materiali compositi (anisotropia, durezza e abrasività), una macchina come MECAJET ha il pregio di essere estremamente versatile. Può tagliare un'ampia gamma di materiali, dai più morbidi ai più rigidi, mantenendo una precisione micrometrica.
Grazie all'esperienza tecnologica di MÉCANUMÉRIC, i materiali compositi sono ora più accessibili ai produttori, con tempi di lavorazione più rapidi e maggiore ripetibilità.
MÉCANUMÉRIC: una soluzione di lavorazione CNC per ogni applicazione
Va notato che i requisiti specifici variano a seconda del tipo di materiale composito, della geometria del pezzo e delle condizioni di lavorazione.
Di conseguenza, è importante scegliere un centro di lavoro CNC e parametri di lavorazione che soddisfino le esigenze specifiche dei materiali compositi da lavorare.
MÉCANUMÉRIC si impegna particolarmente a consigliare i propri clienti e li mette a disposizione del servizio CARE. Composto da oltre 20 persone che possono essere coinvolte fin dalla fase di progettazione, garantisce la trasmissione dell'esperienza e del know-how di MÉCANUMÉRIC, in modo che ogni utente possa trarre il meglio dalle proprie macchine CNC.
L'unità di prova, che supporta i produttori che desiderano lavorare con nuovi materiali o migliorare la qualità/il tempo di lavorazione dei loro pezzi, è particolarmente apprezzata per le applicazioni più complesse.
MECANUMERIC padroneggia diverse tecnologie di taglio e lavorazione. Scoprite una presentazione del nostro know-how e della nostra esperienza inFresatura, Water jet
