Les matériaux composites transforment l'industrie, mais leur usinage reste très difficile. Même avec des machines avancées et des processus de contrôle, l'usinage des fibres et des résines représente un grand défi pour les ingénieurs et les opérateurs. Liam Haglington, chef de produit pour les fraises en carbure monobloc chez Sandvik Coromant, explique comment une conception d'outil avancée et une technologie des matériaux moderne aident les entreprises de fabrication à surmonter les limites de l'usinage des matériaux composites abrasifs.
Des matériaux composites légers et à haute résistance, tels que les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFK), offrent des performances inégalées et se distinguent par un excellent rapport rigidité/poids, ainsi que par leur résistance à la corrosion et leur flexibilité de conception. Tous ces facteurs sont cruciaux pour une construction légère réussie.
L'aérospatiale reste le domaine d'application le plus exigeant pour les matériaux composites. Des composants tels que la structure de fuselage, les ailes, les stabilisateurs, les longerons, les nervures et les poutres de fond sont essentiels pour l'intégrité structurelle - ils sont souvent usinés en grandes séries avec une grande précision. Les matériaux composites conviennent particulièrement bien ici, car ils offrent un rapport rigidité/poids élevé ainsi qu'une excellente résistance à la fatigue des matériaux. Grâce à l'orientation des fibres, ils peuvent être ajustés pour fournir de la résistance exactement là où elle est nécessaire. Toutes ces caractéristiques sont indispensables pour des composants d'avion légers et performants.
Mais d'autres secteurs en bénéficient également. Les fabricants automobiles utilisent les CFK pour réduire le poids et améliorer l'efficacité. Selon JEC, les matériaux composites sont "décisifs pour les applications où la réduction de poids est essentielle pour améliorer l'efficacité énergétique et limiter les émissions de gaz à effet de serre". Ils représentent désormais environ 17 % des matériaux utilisés dans l'aérospatiale et 8 % des matériaux utilisés dans le secteur des transports. Dans tous ces domaines, un contrôle de processus stable et des outils fiables conduisent directement à des économies de coûts et à une plus grande sécurité de production.
Pourquoi l'usinage des matériaux composites est-il si exigeant
L'usinage des matériaux composites diffère considérablement de celui des métaux, car il combine des fibres rigides et abrasives avec une matrice de résine plus douce. Même un léger changement dans l'orientation des fibres peut modifier de manière significative le comportement du matériau lors de l'usinage. Ce qui semble uniforme à la surface constitue pour l'outil un environnement en constante évolution.
Ce comportement changeant entraîne pour les entreprises de fabrication qui usinent des matériaux composites les défauts connus :
• Délamination : Les couches se séparent sous des forces excessives.
• Des fibres non coupées ou arrachées peuvent apparaître si l'outil ne peut pas couper proprement le renforcement.
• La qualité de surface peut devenir inégale si les fibres et la résine réagissent différemment à la chaleur et à la pression.
Tous ces problèmes ont la même cause sous-jacente. Le matériau ne se comporte pas de manière cohérente, ce qui rend ses possibilités de défaillance imprévisibles.
Les impacts sur la production peuvent être significatifs. En effet, les défauts entraînent des rebuts, plus de contrôles, des reprises et des arrêts de production - en particulier dans des environnements aérospatiaux de haute précision où les écarts ne sont pas acceptables.
À cela s'ajoute la sensibilité accrue à la chaleur, qui complique encore les choses. À des températures élevées, la résine devient molle, tandis que les fibres restent rigides. Cela augmente le risque de délamination ou d'effilochage. Si la coupe est trop froide, la résine reste cassante et l'usure de l'outil s'accélère. Les paramètres de coupe doivent donc être contrôlés avec une grande précision, mais les outils conventionnels ont souvent du mal à trouver le bon équilibre. Les conséquences sont une usure plus rapide, des temps de vie incertains et une qualité de pièce réduite.
Un usinage fiable dépend d'outils qui stabilisent le processus, contrôlent les vibrations et gèrent le développement de chaleur. Sans ce contrôle, l'usinage des matériaux composites reste une tâche difficile et imprévisible.
Solution : CoroMill Plura Composite 2P350
Pour répondre à ces exigences, un outil est nécessaire qui non seulement coupe le matériau, mais contrôle également comment les fibres se séparent et comment l'usure évolue avec le temps. Sur la base de ces critères, le CoroMill Plura Composite 2P350 a été développé.
Le cœur du 2P350 est son mécanisme de double coupe unique. Contrairement aux fraises à tige conventionnelles, il coupe proprement les fibres au lieu de les déchirer. Le mécanisme fonctionne selon le principe du cisaillement : deux arêtes de coupe sont rapprochées pour soulever et couper les fibres de manière contrôlée. Une arête guide les fibres tandis que l'autre les coupe. Cela maintient le stratifié stable et prévient la délamination. Grâce à ce mouvement coordonné, la charge de coupe est également équilibrée, ce qui réduit les vibrations et permet un processus d'usinage plus uniforme et prévisible.
La géométrie de l'outil est conçue pour une haute productivité. De grands canaux d'évacuation assurent une aspiration efficace de la poussière et des fibres libres générées pendant le processus d'usinage. En éliminant rapidement ces éléments, le risque de reprise est réduit et la coupe reste stable et propre. Que ce soit pour le fraisage de rainures, l'usinage en biais ou le fraisage de bords - le 2P350 exécute toutes les étapes de travail, du brut au fin, en une seule fixation. Moins de vibrations et une coupe uniforme contribuent également à un environnement de travail plus calme et agréable dans la fabrication.
Le CoroMill Plura Composite 2P350 maintient son comportement de coupe dans une variété de conditions. Cela permet aux entreprises de fabrication d'assurer une qualité constante, indépendamment des variations dans les pièces ou les porte-outils. Le mécanisme de coupe contrôlé améliore également les performances lors d'usinages complexes. Cela est particulièrement important dans la fabrication non supervisée ou automatisée, où aucune intervention manuelle n'est possible. Le comportement prévisible de l'outil et les vibrations réduites diminuent la probabilité d'une usure soudaine de l'outil, permettant une production continue et réduisant la dépendance à l'expérience de l'opérateur.
La capacité de l'O2AD
Dans les applications avec des matériaux composites abrasifs, la géométrie seule n'est cependant pas suffisante. Les arêtes de coupe doivent également résister à l'action constante des fibres de renforcement, pour lesquelles le type O2AD est idéal.
Le type O2AD combine une technologie des matériaux avancée avec un revêtement CVD épais et fortement adhérent. Le substrat sur mesure garantit une connexion optimale entre la couche de diamant et le corps de l'outil, empêchant le décollement prématuré du revêtement et prolongeant ainsi la durée de vie de l'outil.
Des tests ont déjà montré que la durée de vie par rapport à l'ancienne sorte O12M est environ doublée. Dans un cas d'application concret dans l'industrie aéronautique, où une pièce d'aile d'avion a été usinée à sec sous vide sur une machine à portique à 5 axes, une augmentation de la durée de vie de 100 % par rapport à O12M a été obtenue avec la sorte O2AD dans les mêmes conditions de coupe. Le comportement d'usure est prévisible et se déroule progressivement, ce qui accroît la confiance pour augmenter les paramètres de coupe tout en réduisant les rebuts et en diminuant le nombre de changements d'outils. Cela entraîne des économies de coûts sensibles grâce à des fenêtres de traitement plus longues, un stock d'outils réduit et moins de temps d'arrêt.
La sorte O2AD combine la résistance du revêtement en diamant avec un substrat stable. Cela répond directement aux principaux défis du fraisage des matériaux composites. Une qualité constante des arêtes de coupe assure des forces de coupe constantes, réduit les vibrations et permet une meilleure prévisibilité du processus d'usinage. Les entreprises de fabrication peuvent ainsi réaliser des coupes plus propres, une durée de vie plus uniforme et des résultats plus fiables avec des matériaux composites abrasifs.
Conclusion
Le CoroMill Plura Composite 2P350 avec la sorte O2AD gère l'usure abrasive, le risque de délaminage, la sensibilité à la chaleur ainsi que les vibrations. Il permet ainsi la fabrication de pièces de haute qualité avec des performances constantes, indépendamment de leur complexité ou variabilité. Le 2P350 aide les entreprises des secteurs aéronautique, automobile ainsi que dans les domaines de la défense, de l'espace et des applications maritimes à augmenter leur productivité, à protéger l'intégrité des pièces et à contrôler leurs coûts. Il ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine du fraisage haute performance fiable des matériaux composites pour tous ceux qui sont confrontés à la difficulté de l'usinabilité.
Dans un contexte plus large, ces avancées montrent comment les développements en géométrie et en ingénierie des matériaux redéfinissent les possibilités de l'usinage des matériaux composites. Le délaminage, la variabilité des fibres et la sensibilité à la chaleur sont des facteurs à prendre en compte lors du travail avec ces matériaux, mais la bonne technologie peut surmonter ces défis et garantir un fonctionnement stable et prévisible.
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