Corte CNC de placa de carbono: herramientas, métodos, polvo

Por qué el corte de placa de carbono es diferente

Una placa reforzada con fibra de carbono no es un material homogéneo como el metal o la madera; está formada por fibras duras y frágiles en una resina comparativamente blanda. Esa estructura modifica el comportamiento en el corte de varias maneras (Teti, 2002; Sheikh-Ahmad, 2009):

• Abrasividad: la fibra de carbono desafila rápidamente el filo de la herramienta. Una herramienta desafilada aplasta el material en lugar de cortarlo, y aumentan las fibras sobresalientes, el deshilachado y el calor en el borde.
• Forma de la viruta: no se forma una viruta continua como en los metales. Las fibras se fracturan en polvo fino y fragmentos, lo que afecta tanto a la vida de la herramienta como a la seguridad en el lugar de trabajo.
• Capas superficiales: en los laminados, las capas superior e inferior solo están unidas a las capas subyacentes por resina. Las fuerzas de corte pueden levantar estas capas e iniciar una delaminación en el borde.
• Calor: la resina se reblandece a alta temperatura. Si la temperatura en la zona de corte se aproxima a la temperatura de transición vítrea (Tg) de la resina, el borde presenta resina fundida, marcas de quemadura y daños superficiales.
• Orientación de las fibras: al variar el ángulo entre la dirección de corte y la dirección de las fibras, varían también las fuerzas de corte y la calidad del borde. Por ello, distintos bordes de una misma pieza pueden presentar una calidad de borde diferente.

Métodos de corte

Fresado CNC

Es la forma más habitual de cortar piezas de placa de carbono. Los contornos complejos, los cajeados y los taladros pueden mecanizarse en una sola sujeción con gran precisión dimensional. El resultado depende de la herramienta adecuada, de unos parámetros de corte apropiados y de una aspiración de polvo eficaz.

Chorro de agua abrasivo

Corta con agua a alta presión y partículas abrasivas; no hay efecto térmico y se pueden cortar placas gruesas. En los laminados puede producirse daño interlaminar en el punto en que el chorro perfora la placa por primera vez, por lo que el punto de perforación suele situarse fuera de la pieza o taladrarse previamente. El borde puede presentar una ligera conicidad, y las piezas cortadas requieren secado.

Láser

Como la fibra y la resina tienen propiedades térmicas muy diferentes, el corte por láser hace retroceder la resina a lo largo del borde y deja carbonización y una zona afectada térmicamente. Por ello, no suele recomendarse para piezas estructurales.

Discos de diamante y herramientas manuales

Pueden utilizarse para cortes rectos y trabajos de prototipo. La calidad del borde depende en gran medida del operario, y el polvo es difícil de controlar.

Elección de la herramienta

Material de la herramienta

• Metal duro integral: económico, pero se desafila rápidamente frente a la fibra de carbono abrasiva. Adecuado para series cortas y cortes de prueba.
• Metal duro con recubrimiento de diamante (CVD): un recubrimiento de diamante sobre un cuerpo de metal duro mantiene la herramienta afilada durante mucho más tiempo. Es la opción más habitual para el fresado de materiales compuestos.
• PCD (diamante policristalino): filos formados por plaquitas de diamante; de larga duración y preferidos en la producción en serie. Las opciones de geometría son más limitadas.

Geometría de la herramienta

• Fresa de compresión: la parte inferior de la herramienta corta hacia arriba y la parte superior hacia abajo. Las dos zonas helicoidales empujan las fibras hacia el interior de la placa y dejan un borde limpio en ambas caras. El punto de transición debe quedar dentro del espesor de la placa, por lo que la profundidad se ajusta según la geometría de la herramienta.
• Fresa para materiales compuestos de dentado diamante (tipo lima): numerosos pequeños dientes de corte formados por el cruce de ranuras helicoidales a izquierdas y a derechas. Reparte la fuerza de corte y se utiliza ampliamente en el fresado de materiales compuestos.
• Fresa de corte ascendente: evacúa bien la viruta, pero puede levantar fibras en la cara superior.
• Fresa de corte descendente: deja limpia la cara superior, pero puede provocar deshilachado en la cara inferior y compactar la viruta en la ranura de corte.

El diámetro de la herramienta determina el radio mínimo de esquina interior que se puede cortar: una esquina interior menor que el radio de la herramienta no puede fresarse. Las herramientas de diámetro pequeño permiten un detalle fino, pero se rompen con más facilidad y trabajan con menor avance.

Parámetros de corte

La velocidad de avance, la velocidad del husillo y el avance por diente se relacionan del siguiente modo:

Velocidad de avance (mm/min) = velocidad del husillo (rpm) × número de filos × avance por diente (mm)

Si el avance por diente (carga de viruta) es demasiado bajo, la herramienta roza en lugar de cortar; el calor aumenta y la herramienta se desafila antes. Si es demasiado alto, las fuerzas de corte crecen y el borde se deshilacha o la herramienta se rompe. Los valores iniciales se toman de las tablas del fabricante de la herramienta para materiales compuestos y después se ajustan con cortes de prueba.

Principios generales:

• Dejar la herramienta detenida en un punto acumula calor y deja marcas de quemadura; reduzca al mínimo el tiempo de permanencia en esquinas y puntos de entrada.
• Prefiera la entrada en rampa o helicoidal a la penetración vertical.
• El fresado en concordancia y en oposición afectan de forma distinta a la calidad del borde; compare ambos sentidos en un corte de prueba. Cuando la precisión dimensional sea importante, realice tras el desbaste una pasada ligera de acabado.
• El corte en seco con una aspiración de polvo potente es la práctica habitual. Un chorro de aire refrigera la herramienta y retira la viruta de la zona de corte.

Sujeción de la pieza

La placa debe estar plana y totalmente apoyada; las vibraciones empeoran directamente la calidad del borde. Una solución habitual es un tablero de sacrificio sobre una mesa de vacío. En los cortes de profundidad completa, la herramienta penetra ligeramente en el tablero de sacrificio.

Las piezas pequeñas pueden soltarse al final de un corte, golpear la herramienta o escapar del vacío. Para evitarlo, se dejan pequeños puentes de sujeción en el contorno, o se deja una piel fina en la última pasada y la pieza se separa después. Las marcas de los puentes se eliminan mediante lijado o una pasada ligera de fresa.

Taladrado

El taladrado es la operación en la que con más frecuencia se produce delaminación en piezas de material compuesto. En la cara de entrada, la broca arrastra las capas superiores hacia arriba a lo largo de sus ranuras y las despega; en la cara de salida, la fuerza de empuje separa las últimas capas. La delaminación a la salida se inicia cuando la fuerza de empuje supera un valor crítico, por lo que cualquier medida que reduzca el empuje reduce el daño (Hocheng y Tsao, 2005; Liu et al., 2012).

• Utilice brocas afiladas diseñadas para materiales compuestos (por ejemplo, geometrías de punta de centrado o de doble ángulo).
• Coloque un tablero de apoyo rígido en la cara de salida.
• Reduzca el avance cuando la broca se acerque a la salida.
• Para taladros grandes o precisos, utilice interpolación helicoidal con una fresa de mango; el empuje es bajo y el diámetro puede ajustarse en la CNC.

En las placas tejidas en 3D, los hilos aglutinantes unen las capas superficiales a las capas subyacentes, lo que reduce su tendencia a separarse. Aun así, el tablero de apoyo y el avance controlado siguen siendo una buena práctica.

Preparación del archivo DXF

• Guarde el dibujo a escala 1:1 en milímetros.
• Dibuje el contorno exterior y los taladros como polilíneas cerradas o círculos. Elimine los extremos abiertos, las líneas superpuestas y las líneas duplicadas.
• Dé a las esquinas interiores un radio al menos igual al radio de la herramienta. Cuando se necesite una esquina interior viva, añada en la esquina un alivio del diámetro de la herramienta (dog-bone).
• Los taladros que se vayan a fresar deben ser mayores que el diámetro de la herramienta; los más pequeños se taladran.
• Indique las tolerancias dimensionales y la calidad de borde esperada en el dibujo o en la nota del pedido.
• Sitúe las piezas dentro de los límites de la placa y deje un margen de mecanizado en el borde de la placa.

Seguridad y polvo de carbono

El polvo generado al mecanizar placa de carbono conlleva dos riesgos distintos. El primero es eléctrico: el polvo de carbono conduce la electricidad y puede provocar cortocircuitos cuando llega a la electrónica, los accionamientos o los enchufes de la máquina. El segundo es sanitario: el polvo fino puede ser respirable y puede irritar la piel y los ojos.

• Aspire el polvo en origen con una campana próxima a la herramienta y un colector con filtro que retenga el polvo fino.
• Siempre que sea posible, corte dentro de un cerramiento.
• Los operarios utilizan protección respiratoria contra partículas de la clase adecuada (FFP2 o FFP3), gafas de seguridad y guantes.
• Limpie la máquina y su entorno con un aspirador con filtro en lugar de aire comprimido, que vuelve a poner el polvo en suspensión.

Cumpla la normativa de seguridad y salud en el trabajo sobre exposición al polvo aplicable en su país; en Turquía, esta se establece en el Reglamento de Control del Polvo (Tozla Mücadele Yönetmeliği) y en la legislación relacionada.

Inspección tras el corte

Revise los bordes de la pieza cortada en busca de fibras sobresalientes, deshilachado, marcas de quemadura y levantamiento de las capas superficiales. Verifique las dimensiones con un calibre o una máquina de medición por coordenadas. Los bordes vivos pueden lijarse ligeramente; en las piezas que vayan a trabajar en condiciones húmedas, sellar los bordes con resina reduce la entrada de humedad. Para preparar probetas de ensayo, pueden seguirse los principios de preparación de probetas de ASTM D5687.

En la práctica

La placa de carbono OWC mide 500 × 250 × 6,5 mm y la temperatura de transición vítrea (Tg) de su resina es de 140 °C; la temperatura del borde durante el corte debe mantenerse por debajo de este valor. Puede mecanizar la placa con sus propios equipos o subir su archivo DXF al servicio de corte CNC para ver el precio; las piezas se cortan de la placa y se envían.

Preguntas frecuentes

Referencias

• Sheikh-Ahmad, J. Y. (2009). Machining of Polymer Composites. Springer.
• Teti, R. (2002). Machining of composite materials. CIRP Annals, 51(2), 611–634.
• Hocheng, H., Tsao, C. C. (2005). The path towards delamination-free drilling of composite materials. Journal of Materials Processing Technology, 167(2–3), 251–264.
• Liu, D., Tang, Y., Cong, W. L. (2012). A review of mechanical drilling for composite laminates. Composite Structures, 94(4), 1265–1279.
• Davim, J. P. (ed.) (2010). Machining Composite Materials. ISTE / Wiley.
• ASTM D5687/D5687M. Standard Guide for Preparation of Flat Composite Panels with Processing Guidelines for Specimen Preparation. ASTM International.
• Tozla Mücadele Yönetmeliği (Reglamento de Control del Polvo, Turquía). Resmî Gazete, 5 de noviembre de 2013, n.º 28812.