Ingen overraskelser ved bearbejdning af kompositmaterialer
Hulfremstilling er i dag en af de mest almindelige bearbejdningsprocesser til bearbejdning af kompositmaterialer. Bearbejdning af kompositmaterialer, der kombinerer to eller flere materialer med forskellige fysiske og kemiske egenskaber, betyder, at materialets fibre skæres over eller gennembrydes. Hvis det gøres forkert, vil lagene i kompositmaterialet nærmest blive skrællet af. Det kaldes delaminering, og det er ifølge Sandvik Coromants kunder den mest begrænsende faktor i deres produktion.
Delaminering påvirker hulkvaliteten og gentagelsesnøjagtigheden samt slutproduktets kvalitet og integritet, og i sidste ende producentens indtjening. Her nævnes også integriteten, fordi bedre hulkvalitet er afgørende for at forhindre komponentsvigt, og hulkvaliteten afhænger i allerhøjeste grad af de produktionsprocesser, der anvendes til bearbejdning og sletbearbejdning af hullerne.
Ved bearbejdning af kompositmaterialer genereres der også betydelige mængder varme. Materialets ringe varmeledende evner og fraværet af spåner udgør en risiko for den harpiks, der holder materialets fibre sammen. Med andre ord kaster bearbejdning af kompositmaterialer lys over den svaghed i bearbejdningsprocessen, der ellers ville blive overset.
Disse svagheder understreges af det stadig større udvalg og uforudsigeligheden af de kompositmaterialer, der findes på markedet. Det gør konkurrencedygtig bearbejdning til en udfordring.
I dag, i en tid med Covid-19, er hulkvalitet nok vigtigere end nogensinde før. Ifølge en undersøgelse foretaget af Euromonitor International har omkring 50 procent af virksomhederne planer om at opgradere deres digitale strategier. En tredjedel af svarpersonerne i Euromonitors undersøgelse Voice af Industry fra 2020 sagde, at de vil fremskynde investeringer i automatiseringsværktøjer – så hullerne skal kunne fremstilles korrekt ved ubemandet, fuldautomatisk produktion.
Derfor er producenterne nødt til hele tiden at overveje, hvordan de borer i kompositmaterialer.
Forudsigeligt slid
Sandvik Coromant har konstateret, at producenterne inden for aerospace-industrien har stort fokus på hullernes overfladeintegritet. Men hvordan kan værktøjer være med til at løse disse problemer, og hvordan kan et bedre bor være til fordel for en automatiseringsstrategi?
Lad os først se på det ideal, producenterne forsøger at opnå. De vil have huller, der er af god kvalitet, konsistente og repeterbare. Naturligvis vil ethvert værktøj efterhånden blive slidt, men sliddet skal være konsistent og forudsigeligt fra værktøj til værktøj.
Normalt bliver en CNC-maskine programmeret til at tage et værktøj ud af produktionen lige før det forventede tidspunkt, hvor det vil svigte. Når borets livscyklus så ikke er konsistent, vil du helt realistisk i værste fald reducere værktøjslevetiden af de fleste af de produkter, I køber, med 50 procent.
Bedre baseret på design
Derfor har Sandvik Coromant udviklet CoroDrill 863-O højtydende bor til kompositmaterialer, herunder også kulfiberstærkede (CFRP) og glasfiberforstærkede (GFRP) materialer. Boret er designet med fokus på brancher, der ofte bruger kompositmaterialer og kræver flere meter boret materiale per værktøj, som eksempelvis aerospace-industrien, der bruger kompositmaterialer i produktionen af steldele og andre dele til fly.
Da CoroDrill 863-O, hvor O'et står for Only, det vil sige kun bearbejdning af kompositmaterialer, blev udviklet, startede Sandvik Coromant med at anvende værktøjet til det materiale fra aerospace-industrien, der har mest tendens til delaminering. Helt konkret er det unidirektionelt laminat uden afrivningslag eller vævet bagside, der normalt anvendes til flyvinger og fuselage. Man kortlagde delamineringen digitalt for at finde ud af helt nøjagtigt, hvor meget delaminering vi oplevede i løbet af værktøjernes levetid.
Computersystemet var indstillet med meget snævre tolerancer, det vil sige hvor meget delaminering man vil acceptere i et givet hul. Ud fra de data, man fik af forsøgene, kunne Sandvik Coromant optimere væsentlige dele af borets design, som vinklen på borets spiralspor. En højere spiralvinkel giver bedre spånafgang og kan således være med til at reducere delamineringstendensen på udgangssiden. Men en for høj spiralvinkel kan skille kompositmaterialets lag ad på indgangssiden. Begge ting kan altså medføre, at der hænger lag eller fibre ind over hullet.
Hos CoroDrill 863-O er profilen og kvaliteten desuden også afgørende. Kompositmaterialer er ikke ensartede, og når der indføres et nyt materiale i en produktionscyklus, har det sine helt egne udfordringer: tykkelse, sammensætning og så videre. CoroDrill 863-O's egenskaber er designet til brug i alle materialer.
Så er der det med kvaliteten. Hårdmetalbor er velegnede til bearbejdning af komponenter i aerospace-industrien, fordi hårdmetallet styrker værktøjets skærgeometri og skaft. Det optimerer spåntagningen og maksimerer frigangen og spånafgangen. Men fordi kompositmaterialer er abrasive, vil hårdmetallet også slides hurtigt. Det er problematisk, især i automatiseret produktion.
For at løse det problem er CoroDrill 863-O fremstillet med CVD-teknologi. CVD er et meget hårdt værktøjsmateriale, der er velegnet til bearbejdning af kompositmaterialer og stakmaterialer. Anvendelse af CVD-lag gennem hele skærkanten kan give en meget længere værktøjslevetid, og da CVD har lav friktionskoefficient og høj varmeledningsevne, har værktøjets skærkanter mindre tendens til løsægsdannelse. Da CVD-kvaliteten bevarer skarpheden, fjerner det varmen, har lav friktion og minimerer tendensen til problemer i hullerne.
CVD-kvaliteten er dermed at foretrække til produktion af mange huller, hvor der er krav om højere produktivitet.
Veludstyrede robotter og praktiske test
Det store CoroDrill 863-sortiment er allerede en fordel i producenternes automatiserede produktion, både i CNC-maskiner og robotter. Da boret fås i hårdmetal, polykrystallinsk diamant (PCD) og CVD-belagte varianter, kan det bruges til at bearbejde alle slags vanskeligt bearbejdelige materialer – kompositmaterialer, aluminium, titan, varmebestandige superlegeringer og rustfri stål – i ubemandede eller fuldautomatiske processer.
Da Sandvik Coromant var færdige i laboratoriet, blev CoroDrill 863-O's performance testet ved boring af huller i et kulfiberemne. Kulfiber er et populært materialevalg i aerospace-industrien, hvor ingeniørerne arbejder for at gøre flyene lettere ved at udnytte dette materiales overlegne kombination af styrke og lav vægt.
Der blev boret i en komponent med en gennemsnitlig tykkelse på 0,25 tommer ad to omgange med en CoroDrill 863-O geometri, der bruger Sandvik Coromants egen CVD-variant kaldet O1AD med forbedret slidstyrke i kompositmaterialer. Først blev emnet bearbejdet med et 863-O bor med en skærediameter (DC) på 6,37 mm (0,25 tommer). Derefter med en DC på 4,85 mm (0,191 tommer).
I begge omgange og med alle værktøjer gav 863-O fremragende resultater. Der blev boret 400 huller i kulfibermaterialet med en DC på 6,37 mm (0,25 tommer) og 560 huller med en DC på 4,85 mm (0,191 tommer), og selvom borene stadig var på et tidligt stade af deres værktøjslevetid, svarede resultaterne i høj grad til laboratorietestene.
Artiklen er en del af temaet Maskinfokus.
