“A alta relação resistência/peso da fibra de carbono a torna ideal para aplicações aeroespaciais e automotivas, mas sua dureza requer técnica de usinagem de precisão”
As fibras de carbono são compósitos leves conhecidos por sua alta resistência, baixo peso, durabilidade, resistência ao impacto e muitas outras propriedades benéficas para inúmeras aplicações industriais. Essas peças compostas são especialmente populares em artigos aeroespaciais, marítimos e esportivos. Entre diferentes processos, usinagem de fibra de carbono é um dos mais proeminentes na elaboração de componentes de vários formatos e tamanhos.
Os materiais de fibra de carbono podem ser processados por fresamento, torneamento, perfuração, rosqueamento e outras operações de usinagem. No entanto, é difícil devido à sua dureza, fragilidade e propriedades abrasivas. Muito material, geometria, parâmetros de corte e outras considerações são necessários para a usinagem de peças de fibra de carbono.
Ao final deste artigo abordaremos o que é fibra de carbono, suas propriedades, operações de usinagem e exemplos de aplicação;
O que é o composto de fibra de carbono?
Folhas de fibra de carbono
O compósito de fibra de carbono é a matriz de longas e estreitas cadeias de fibra de carbono interligadas, unidas por resinas. O diâmetro da fibra normalmente varia até 10 μm e pesa significativamente menos do que outros materiais de engenharia, como aço e titânio.
Uma substância como a poliacrilonitrila (PAN) fornece as fibras de carbono necessárias para fazer folhas compostas. Essas fibras são tecidas em tecidos ou dispostas e depois impregnadas com resina epóxi para formar pré-impregnado. Em seguida, a moldagem e a cura do material pré-impregnado sob calor e pressão para formar as folhas compostas.
Quais são as principais propriedades da fibra de carbono?
O material rígido de fibra de carbono oferece uma excelente relação resistência-peso, rigidez, resistência ao desgaste, resistência superior à corrosão e outras propriedades benéficas. Eles são essenciais para a fabricação, especialmente aeroespacial e aplicações similares de alta resistência e peso leve.
A lista de propriedades da fibra de carbono é a seguinte;
- Altas resistências mecânicas (tração e compressão)
- Expansão térmica mínima e pode suportar ambientes agressivos.
- Resistência e leveza
- Excelentes propriedades de amortecimento e autolubrificação
- Alta resistência à fadiga e durabilidade
- Acabamento suave e atraente
- Resistência à corrosão, desgaste, arranhões e abrasão.
Além disso, a fibra de carbono oferece cinco vezes mais resistência que o aço para o mesmo peso. Sua relevância em peças leves sem sacrificar a resistência pode ser constatada a partir deste fato.
Tabela: Propriedades da Fibra de Carbono (Cortesia: ResearchGate)
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Diâmetro da fibra | 5 hum |
| Resistência à tração/módulo | 5880 MPa/294 GPa |
| Peso em área da fibra | 268 g / m² |
| Densidade | 1.8 g / cm³ |
| Condutividade térmica: | 70 W / mK |
| Causar tensão em | 2% |
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Desafios na usinagem de fibra de carbono
A tenacidade, a natureza abrasiva e a estrutura compacta das fibras de carbono dificultam a usinagem com ferramentas e parâmetros simples, como na usinagem de metal. Portanto, existem alguns complexos e desafios na usinagem de fibra de carbono. No entanto, reconhecer os possíveis problemas e adotar medidas preventivas pode eliminar os desafios e defeitos de usinagem.
- Baixa condutividade térmica da fibra de carbono
A baixa condutividade térmica dos materiais é um dos desafios da usinagem, pois pode acumular calor nas áreas de usinagem e nas ferramentas de corte – uma pequena quantidade de calor flui através dos cavacos. Assim, pode degradar as propriedades ou delaminar a camada de fibra de carbono.
Prevenção: Use refrigerantes especializados, velocidades de corte controladas e revestimentos avançados de ferramentas.
- A natureza abrasiva da fibra de carbono
As peças de fibra de carbono são abrasivas e podem causar rápido desgaste da ferramenta e vibração no equipamento. Como resultado, o acabamento pode conter alto nível de rugosidade e irregularidades.
Prevenção: Use ferramentas com revestimento de diamante e configurações de usinagem estáveis para reduzir o desgaste e as vibrações da ferramenta.
- Formação de Poeira
A fibra de carbono produz mais partículas de poeira do que outros materiais de usinagem, o que não é apenas um problema de gerenciamento, mas também prejudicial à saúde humana.
Prevenção: São necessários sistemas de ventilação, extração de poeira, EPI e outras providências.
- Cortes de camadas inconsistentes
Os compósitos de fibra de carbono são frequentemente revestidos com diferentes materiais ou orientações para melhorar propriedades mecânicas específicas. Essas variações podem afetar a forma como cada camada reage à usinagem, levando a uma qualidade de corte inconsistente, espessuras variadas e integridade estrutural enfraquecida.
Prevenção: Ajuste de parâmetros com feedback em tempo real, simulação do caminho da ferramenta e fixação firme da peça composta.
Ferramentas de usinagem CNC para material de fibra de carbono
Ferramentas de usinagem de fibra de carbono
Ferramentas revestidas com material duro são preferidas para usinagem de fibra de carbono para equilibrar a tenacidade. Diamante, metal duro e diamante policristalino são algumas opções de revestimento. A tabela abaixo mostra as opções de ferramentas comuns com seus prós e contras;
Tabela: Tolling para Usinagem CNC de Fibra de Carbono
| Tipo de ferramenta | Vantagens | Desvantagens |
| Ferramentas diamantadas | Extremamente duro, durável e excelente condutividade térmica | Muito caro, não para materiais ferrosos |
| Ferramentas de metal duro | Acessível, prontamente disponível | Desgaste rápido, vida útil curta da ferramenta |
| Ferramentas PCD | Dura até 25x mais, operação em alta velocidade | Alto custo inicial, não para materiais ferrosos |
| Fresas de topo de metal duro | Alta rigidez, remoção eficiente de cavacos | Vida útil moderada da ferramenta |
| Serras copo com grão de diamante | Cortes limpos, delaminação mínima | Custo mais alto do que serras copo padrão |
| Ferramentas HSS com revestimento de diamante | Bom desempenho, vida útil prolongada da ferramenta | Menos durável que ferramentas sólidas de PCD |
| Bits de roteador especializados | Bordas suaves, cortes precisos | Específico para corte de bordas |
Além disso, a velocidade de usinagem e a taxa de avanço são duas outras considerações importantes além das ferramentas para evitar danos e desgaste da ferramenta. Use uma taxa de avanço de 0.02-0.05 mm/rot, velocidades do fuso de 5,000-7,000 RPM e velocidades de corte de cerca de 200 m/min.
Processos de usinagem de fibra de carbono
A fibra de carbono pode ser usinada no formato desejado com vários processos de usinagem, fresamento, torneamento, furação, etc. Cada um desses processos utiliza diferentes ferramentas de usinagem e oferece recursos exclusivos.
Processo de usinagem de fibra de carbono
- fresagem
O processo de fresamento utiliza ferramentas de corte rotativas para remover material e criar formas complexas com dimensões precisas. As ferramentas preferidas para este processo são fresas de topo com revestimento de diamante ou diamante policristalino (PCD). Eles são altamente resistentes à natureza abrasiva da fibra de carbono. Para fresamento de fibra de carbono, velocidades de fuso de 5,000 a 7,000 RPM e taxas de avanço de 0.02 a 0.05 mm/rot são ideais.
- Passando
No torneamento, a peça gira enquanto uma ferramenta de corte estacionária remove o material alimentando-a em direção à peça. É predominantemente usado para fabricar peças cilíndricas de fibra de carbono. Enquanto isso, ferramentas de torno com revestimento de diamante ou PCD são ideais para torneamento. Posteriormente, são necessárias velocidades moderadas do fuso e taxas de alimentação controladas para evitar a delaminação das camadas de fibra de carbono.
- Perfuração
A broca gira para dentro a partir da superfície da peça e remove o material para criar furos com o mesmo diâmetro da broca. A perfuração de fibra de carbono é particularmente desafiadora devido à tendência do material a desfiar e delaminar. Brocas especializadas com ângulo de inclinação negativo e altas velocidades do fuso são preferidas para minimizar esses problemas.
- Tocar
O rosqueamento forma roscas dentro de furos perfurados, normalmente para fixadores em componentes de fibra de carbono. O rosqueamento requer precisão e cuidado para evitar danos à estrutura do compósito na usinagem de fibra de carbono. Machos especializados projetados para materiais compósitos (geralmente revestidos com titânio ou diamante) podem melhorar o desempenho de perfuração.
- Corte a jato de água
Um cortador a jato de água usa um jato de água de alta pressão, geralmente misturado com partículas abrasivas, para cortar materiais em formas ou padrões projetados. Este processo é altamente eficaz para chapas de fibra de carbono porque produz estresse térmico mínimo e evita delaminação. Posteriormente, o jato de água permite formas e recursos complexos.
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Aplicações de usinagem CNC de fibra de carbono
Tornos CNC, fresadoras, centros de torneamento e todos os equipamentos utilizam Controle Numérico Computadorizado para executar a remoção de material. Posteriormente, eles podem acomodar diferentes tipos de ferramentas com base nos requisitos de usinagem. Esses dois e muitos outros recursos das máquinas CNC as tornam ideais para transformar fibras de carbono em componentes funcionais para diversos setores, como aeroespacial, automotivo, eletrônico, etc.
Peças de usinagem de fibra de carbono personalizadas
Indústria aeroespacial
A aplicação de fibra de carbono tem um papel significativo na indústria aeroespacial, desde aeronaves comerciais até drones, foguetes e satélites. Existem duas razões principais para isso: força e peso. Além disso, a usinagem CNC pode lidar com tolerâncias e complexidades restritas.
Exemplos;
- Asas de aeronaves, barbatanas traseiras, portas do trem de pouso e seções da fuselagem.
- Quadros de satélite
- Veículos aéreos não tripulados (UAVs)
- Pás de rotor de helicóptero
- Lâminas de hélice
- Carcaças de mísseis
- Painéis estruturais de naves espaciais
Itens esportivos
O baixo peso da fibra de carbono também suporta vários itens esportivos, como bicicletas e esquis. Aqui, o peso reduzido e a resistência superior melhoram o seu desempenho.
Exemplos;
- Eixos de taco de golfe
- Arcos de tiro com arco
- Varas de hóquei
- Surfboards
- Remo de caiaque
- Raquetes de tênis
Produtos para uso Médico
A fibra de carbono é adequada para alguns implantes médicos e vários componentes de equipamentos médicos devido à alta resistência à corrosão e ao desgaste. Além disso, é biocompatível e apresenta módulo de elasticidade próximo ao dos ossos humanos.
Exemplos;
- Próteses
- Instrumentos cirúrgicos
- Aparelhos ortopédicos
- Macas para transporte de pacientes
- Implantes médicos
- Estruturas de cadeira de rodas
- Mesas operacionais
Defesa e Militar
A fibra de carbono melhora o desempenho e a eficiência em equipamentos e veículos, oferecendo proteção balística superior e maior eficiência de combustível. Entretanto, mantém a integridade estrutural do sistema de peças do veículo sob condições extremas.
Exemplos;
- Armadura corporal
- Capacetes
- Painéis de blindagem de veículos
- Carcaças de mísseis
- Abrigos portáteis
- radomes
- Estruturas de antena
- Saias regata
Outras indústrias
Energia, construção, construção naval e outras indústrias também utilizam usinagem de fibra de carbono para diferentes peças.
Exemplos;
- Pás de turbinas eólicas, estruturas de painéis solares, componentes de plataformas petrolíferas, carcaças de baterias
- Reforços de casco, eixos de hélice, estruturas de convés
- Painéis da carroceria de carros esportivos
- Rolos industriais e peças de instrumentos musicais
Resumo
Em geral, a fibra de carbono é o material de engenharia ideal onde é necessária uma alta relação resistência-peso, resistência superior à corrosão e ao desgaste e tenacidade. Um exemplo de prevenção são os componentes aeroespaciais, que discutimos neste artigo. Enquanto isso, a consideração das variáveis de ferramentas e usinagem é crítica na usinagem de peças de fibra de carbono. Revestimentos de materiais duros são normalmente usados para lidar com essas propriedades e possíveis desafios.
Na Boda, usamos uma abordagem de ferramentas personalizadas para lidar com a usinagem de fibra de carbono. Nossos engenheiros simulam o caminho da ferramenta e as operações de usinagem para otimizar os parâmetros de usinagem como velocidade do fuso, avanço, velocidade de corte, etc. Portanto, se você precisar de algum componente ou protótipo relacionado, solicite um orçamento!
Perguntas Frequentes
As peças de usinagem de fibra de carbono são caras?
As peças usinadas em fibra de carbono são geralmente mais caras devido ao alto custo das matérias-primas do que as peças metálicas. No entanto, os seus benefícios a longo prazo, como redução de peso e durabilidade, podem justificar o investimento.
A fibra de carbono é mais robusta que as ligas de aço?
A fibra de carbono não é necessariamente mais robusta do que as ligas de aço em termos de resistência total, mas oferece uma relação resistência-peso superior. Isso significa que tem resistência comparável e é significativamente mais leve.
Que tipos de ferramentas são adequadas para usinagem de fibra de carbono?
Ferramentas especializadas com pontas de diamante ou metal duro são adequadas para usinagem de fibra de carbono para resistir à natureza abrasiva das fibras de carbono e reduzir o desgaste.
Quais são os desafios na usinagem de fibras de carbono?
Alguns desafios incluem abrasividade, risco de delaminação e geração de calor.