Corte CNC de placa de carbono: ferramentas, métodos, poeiras

Porque é que o corte de placa de carbono é diferente

Uma placa reforçada com fibra de carbono não é um material homogéneo como o metal ou a madeira; é constituída por fibras duras e frágeis numa resina comparativamente macia. Esta estrutura altera o comportamento no corte em vários aspetos (Teti, 2002; Sheikh-Ahmad, 2009):

• Abrasividade: a fibra de carbono embota rapidamente a aresta de corte da ferramenta. Uma ferramenta embotada esmaga o material em vez de o cortar, e a protrusão de fibras, o desfiamento e o calor na aresta aumentam.
• Forma da apara: não se forma uma apara contínua como nos metais. As fibras fraturam-se em poeira fina e fragmentos, o que afeta tanto a vida útil da ferramenta como a segurança no local de trabalho.
• Camadas superficiais: nos laminados, as camadas superior e inferior estão ligadas às camadas subjacentes apenas pela resina. As forças de corte podem levantar estas camadas e iniciar delaminação na aresta.
• Calor: a resina amolece a temperatura elevada. Se a temperatura na zona de corte se aproximar da temperatura de transição vítrea (Tg) da resina, a aresta apresenta resina fundida, marcas de queimadura e danos superficiais.
• Orientação das fibras: à medida que o ângulo entre a direção de corte e a direção das fibras muda, mudam também as forças de corte e a qualidade da aresta. Por isso, diferentes arestas da mesma peça podem apresentar qualidade de aresta diferente.

Métodos de corte

Fresagem CNC

É a forma mais comum de cortar peças a partir de placa de carbono. Contornos complexos, caixas e furos podem ser maquinados numa única fixação, com elevada precisão dimensional. O resultado depende da ferramenta correta, de parâmetros de corte adequados e de uma aspiração de poeiras eficaz.

Corte por jato de água abrasivo

Corta com água a alta pressão e partículas abrasivas; não há efeito térmico e é possível cortar placas espessas. Nos laminados, podem ocorrer danos interlaminares no ponto em que o jato perfura a placa pela primeira vez, pelo que o ponto de perfuração é frequentemente colocado fora da peça ou previamente furado. A aresta pode apresentar uma ligeira conicidade e as peças cortadas têm de ser secas.

Laser

Como a fibra e a resina têm propriedades térmicas muito diferentes, o corte a laser faz a resina recuar ao longo da aresta e deixa carbonização e uma zona afetada pelo calor. Por isso, não é, em geral, recomendado para peças estruturais.

Discos diamantados e ferramentas manuais

Podem ser utilizados em cortes retos e trabalhos de protótipo. A qualidade da aresta depende em grande medida do operador e a poeira é difícil de controlar.

Escolha da ferramenta

Material da ferramenta

• Metal duro integral: económico, mas embota rapidamente face à abrasividade da fibra de carbono. Adequado para pequenos lotes e cortes de ensaio.
• Metal duro revestido a diamante (CVD): um revestimento de diamante sobre um corpo de metal duro mantém a ferramenta afiada durante muito mais tempo. É a escolha mais comum na fresagem de compósitos.
• PCD (diamante policristalino): arestas de corte formadas por pastilhas de diamante; de longa duração e preferido na produção em série. As opções de geometria são mais limitadas.

Geometria da ferramenta

• Fresa de compressão: a parte inferior da ferramenta corta para cima e a parte superior para baixo. As duas zonas de hélice empurram as fibras para dentro da placa e deixam uma aresta limpa em ambas as faces. O ponto de transição tem de ficar dentro da espessura da placa, pelo que a profundidade é definida de acordo com a geometria da ferramenta.
• Fresa de dentado em diamante (diamond-cut, burr) para compósitos: muitos pequenos dentes de corte formados pelo cruzamento de canais helicoidais à esquerda e à direita. Distribui a força de corte e é amplamente utilizada na fresagem de compósitos.
• Fresa de corte ascendente (up-cut): evacua bem as aparas, mas pode levantar fibras na face superior.
• Fresa de corte descendente (down-cut): deixa a face superior limpa, mas pode provocar desfiamento na face inferior e compactar as aparas no canal de corte.

O diâmetro da ferramenta determina o menor raio de canto interior que é possível cortar: um canto interior com raio inferior ao raio da ferramenta não pode ser fresado. As ferramentas de pequeno diâmetro permitem detalhe fino, mas partem com mais facilidade e trabalham com menor avanço.

Parâmetros de corte

A velocidade de avanço, a velocidade do fuso e o avanço por dente relacionam-se da seguinte forma:

Velocidade de avanço (mm/min) = velocidade do fuso (rpm) × número de dentes × avanço por dente (mm)

Se o avanço por dente (carga por dente) for demasiado baixo, a ferramenta fricciona em vez de cortar; o calor aumenta e a ferramenta embota mais depressa. Se for demasiado alto, as forças de corte aumentam e a aresta desfia-se ou a ferramenta parte. Os valores iniciais obtêm-se das tabelas do fabricante da ferramenta para materiais compósitos e são depois ajustados com cortes de ensaio.

Princípios gerais:

• Manter a ferramenta parada no mesmo ponto acumula calor e deixa marcas de queimadura; o tempo de permanência nos cantos e nos pontos de entrada deve ser mínimo.
• A entrada em rampa ou helicoidal é preferível à penetração vertical direta.
• A fresagem concordante e a fresagem discordante afetam a qualidade da aresta de forma diferente; os dois sentidos devem ser comparados num corte de ensaio. Onde a precisão dimensional é importante, a passagem de desbaste é seguida de uma passagem de acabamento ligeira.
• O corte a seco com uma aspiração de poeiras potente é prática corrente. Um jato de ar arrefece a ferramenta e remove as aparas da zona de corte.

Fixação

A placa tem de estar plana e totalmente apoiada; a vibração degrada diretamente a qualidade da aresta. Uma solução comum é uma placa de sacrifício sobre uma mesa de vácuo. Nos cortes em toda a espessura, a ferramenta penetra ligeiramente na placa de sacrifício.

As peças pequenas podem soltar-se no final do corte, embater na ferramenta ou escapar ao vácuo. Para o evitar, deixam-se pequenas patilhas de fixação no contorno, ou deixa-se uma película fina na última passagem e a peça é separada posteriormente. As marcas das patilhas são removidas por lixagem ou por uma passagem ligeira de fresa.

Furação

A furação é a operação em que a delaminação ocorre com maior frequência nas peças em compósito. Na face de entrada, a broca puxa as camadas superiores para cima ao longo dos canais e descasca-as; na face de saída, a força axial afasta as últimas camadas. A delaminação à saída inicia-se quando a força axial excede um valor crítico, pelo que qualquer medida que reduza a força axial reduz os danos (Hocheng e Tsao, 2005; Liu et al., 2012).

• Utilizar brocas afiadas concebidas para compósitos (por exemplo, geometrias de ponta de centragem (brad-point) ou de ponta de duplo ângulo).
• Colocar uma placa de apoio rígida no lado de saída.
• Reduzir o avanço quando a broca se aproxima da saída.
• Para furos grandes ou precisos, utilizar interpolação helicoidal com uma fresa; a força axial é baixa e o diâmetro pode ser definido no CNC.

Nas placas tecidas em 3D, os fios de ligação prendem as camadas superficiais às camadas subjacentes, o que reduz a sua tendência para se separarem. Ainda assim, a placa de apoio e o avanço controlado continuam a ser boas práticas.

Preparação do ficheiro DXF

• Guardar o desenho à escala 1:1 e em milímetros.
• Desenhar o contorno exterior e os furos como polilinhas fechadas ou círculos. Eliminar extremidades abertas, linhas sobrepostas e linhas duplicadas.
• Dar aos cantos interiores um raio igual ou superior ao raio da ferramenta. Onde for necessário um canto interior vivo, acrescentar no canto um alívio com o diâmetro da ferramenta (dog-bone).
• Os furos a fresar têm de ser maiores do que o diâmetro da ferramenta; os furos mais pequenos são feitos com broca.
• Indicar as tolerâncias dimensionais e as expectativas de qualidade da aresta no desenho ou na nota da encomenda.
• Posicionar as peças dentro dos limites da placa e deixar uma margem de maquinagem no bordo da placa.

Segurança e poeira de carbono

A poeira resultante da maquinagem de placa de carbono comporta dois riscos distintos. O primeiro é elétrico: a poeira de carbono conduz eletricidade e pode provocar curto-circuitos quando atinge a eletrónica da máquina, os variadores ou as tomadas. O segundo está relacionado com a saúde: a poeira fina pode ser respirável e pode irritar a pele e os olhos.

• Aspirar a poeira na fonte, com uma boca de aspiração próxima da ferramenta e um coletor com filtro que retenha a poeira fina.
• Sempre que possível, cortar dentro de uma cabine fechada.
• Os operadores utilizam proteção respiratória contra partículas de classe adequada (FFP2 ou FFP3), óculos de proteção e luvas.
• Limpar a máquina e a zona envolvente com um aspirador com filtro em vez de ar comprimido, que volta a levantar a poeira para o ar.

Devem cumprir-se as regras de segurança e saúde no trabalho relativas à exposição a poeiras aplicáveis em cada país; na Türkiye, estas regras constam do Regulamento de Controlo de Poeiras (Tozla Mücadele Yönetmeliği) e da legislação conexa.

Inspeção após o corte

Ao longo das arestas da peça cortada, verifica-se a existência de fibras salientes, desfiamento, marcas de queimadura e levantamento das camadas superficiais. As dimensões são confirmadas com paquímetro ou com uma máquina de medição por coordenadas. As arestas vivas podem ser ligeiramente lixadas; nas peças que vão trabalhar em ambiente húmido, a selagem das arestas com resina reduz a entrada de humidade. Na preparação de provetes de ensaio, podem seguir-se os princípios de preparação de provetes da norma ASTM D5687.

Na prática

A placa de carbono OWC mede 500 × 250 × 6,5 mm e a temperatura de transição vítrea (Tg) da sua resina é de 140 °C; a temperatura da aresta durante o corte tem de se manter abaixo deste valor. Pode maquinar a placa no seu próprio equipamento ou carregar o ficheiro DXF no serviço de corte CNC para ver o preço; as peças são cortadas a partir da placa e enviadas.

Perguntas frequentes

Referências

• 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 (Regulamento de Controlo de Poeiras, Türkiye). Resmî Gazete, 5 de novembro de 2013, n.º 28812.