HISTÓRIA DA MANUFATURA

Série MC: Brocas para furação de PRFC

Desafios na usinagem de novos materiais

Desde o lançamento do Boeing 787 em 2011, houve um aumento gradual das aplicações do PRFC como um novo material para fuselagens, asas principais e outros componentes aeroespaciais. Diferente dos metais, o PRFC é um material produzido a partir de fibras de carbono e resina. Portanto, novas abordagens tornam-se necessárias para a usinagem deste novo material. Entrevistamos a equipe do Gifu Aero Group que enfrentou este desafio.

Quais são os fenômenos característicos que ocorrem na furação de PRFC?

- Conte-nos sobre o pano de fundo por trás do desenvolvimento.

Yanagida: A Mitsubishi Materials fornece brocas para clientes que usinam peças aeroespaciais em PRFC há mais de 10 anos. Utilizando o know-how que adquirimos ao longo dos anos, aprimoramos a funcionalidade das brocas. Nosso foco era oferecer soluções abrangentes, capazes de atender diversos tipos de PRFC. Em geral, o PRFC é composto de camadas intercaladas de fibra de carbono e de resina com tratamento térmico. Comparado ao ferro, o PRFC tem cerca de um quarto do peso, mas é 10 vezes mais resistente. Também possui alta rigidez, resistência à corrosão e ao calor. A camada de fibra de carbono é dura, porém frágil. Já a camada de resina é tenaz, mas flexível.

Yamamoto: É por isso que a usinagem de PRFC produz fenômenos que são fundamentalmente diferentes da usinagem de metais. Os principais danos que ocorrem na furação de PRFC são a geração de fibras não cortadas, delaminação devido à estrutura em camadas e o "back counter" de laminados (materiais compósitos em camadas) de PRFC e metal. Neste projeto, começamos analisando estes fenômenos para explorar plenamente os mecanismos técnicos que geram os danos.

Yanagida: Existem dois tipos de PRFC usados em peças aeroespaciais: um deles contém resinas com propriedades termoendurecíveis e o outro é um material laminado com camadas de alumínio ou titânio. Quanto aos métodos de usinagem, existem dois tipos principais: a usinagem automatizada utilizando, por exemplo, um centro de usinagem; ou a furação usando ferramentas manuais. Devido a estes diferentes materiais e métodos de usinagem, é extremamente difícil criar um tipo de broca adequado para todos os processos. Portanto, neste projeto, desenvolvemos a Série MC com 7 brocas diferentes para atender diversos tipos de PRFC e eles foram lançados no mercado em abril de 2017.

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O formato do canal da broca MCA reduz o "back counter" na furação de materiais laminados

- Por favor, apresente alguns dos sete produtos.

Yanagida: Vamos apresentar dois tipos: o MCA e o MCC. O MCA é uma broca para PRFC e materiais laminados com alumínio. Como ponto de partida, consideramos as brocas para PRFC que já estavam disponíveis como produtos especiais nos últimos 10 anos e buscamos melhorar o seu desempenho. O compósito laminado com camadas de fibra de carbono e alumínio, embora seja constituído de materiais com usinabilidade completamente diferente, geralmente usamos uma única broca para usiná-lo. O principal problema neste caso é um fenômeno chamado "back counter". Isto ocorre quando a broca passa primeiro pela camada de PRFC e à medida que corta a camada de alumínio, os cavacos de alumínio acabam desgastando as paredes do furo quando passam pela camada de PRFC. Com isso, ocorre uma variação do diâmetro do furo entre as camadas de PRFC e de alumínio. Para evitar este dano, modificamos a geometria do canal da broca MCA.

Yamamoto: Nós nos concentramos na largura do canal. Geralmente a largura do canal é constante ao longo de todo o comprimento da broca. No entanto, o canal do MCA aumenta gradualmente da ponta da broca em direção à haste. Primeiro, projetamos canais mais estreitos para gerar cavacos compactos e, em seguida, ampliamos para facilitar a saída dos cavacos pelos canais sem interferência com a parede do furo.

Yanagida: No desenho do canal para furação de laminados, nós aplicamos a tecnologia da broca MWS para furação profunda da Mitsubishi Materials. Aumentar a eficiência na expulsão de cavacos para melhorar a qualidade da parede do furo era um problema comum na usinagem de materiais laminados e na furação profunda. Além disso, para o desenvolvimento da broca MCA, também utilizamos a tecnologia da nossa broca MHE, específica para usinagem de furos para parafuso do cubo de roda automotivo. O cubo de roda é uma peça que exige alta precisão do diâmetro do furo e alta qualidade superficial em torno do furo. Portanto, é preciso evitar que os cavacos gerados no início da usinagem danifiquem a superfície da peça. A MHE soluciona este problema devido aos canais mais estreitos que as brocas convencionais.

Yamamoto: Assim, a MCA incorpora os recursos e o know-how das brocas MWS e MHE. Portanto, no início da furação, a broca MCA gera cavacos pequenos que passam pela parte estreita do canal. Depois os cavacos fluem para a parte mais ampla do canal até a saída do furo, sem danificar a parede do furo.

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Aresta positiva da broca MCC com foco na agudez

- Conte-nos sobre o desenvolvimento da broca MCC.

Yamamoto: A MCC é uma broca para usinagem de PRFC puro. Para os componentes aeroespaciais, é usado tanto o PRFC puro quanto os materiais laminados. Já nas indústrias automobilística e de energia eólica, o PRFC puro é predominate. Dentre os nossos clientes, a usinagem do PRFC puro é mais comum, sendo geralmente operações de furação de chapas finas.

Yanagida: Reduzir a delaminação na saída do furo era o maior desafio na furação do PRFC puro. Diferente dos materiais laminados, o PRFC puro não sofre "back counter", já que não possui camada de metal na saída do furo. Por outro lado, a camada metálica sustenta o esforço de corte enquanto a broca atravessa a camada de PRFC. Portanto, sem a camada metálica, a camada superficial do PRFC acaba se levantando e causando a delaminação.

Yamamoto: Para evitar a delaminação, foi aplicada à broca MCC uma geometria de alta agudez que facilita o corte das fibras de carbono e controla o esforço de corte. Nosso foco era a geometria da aresta de corte. As brocas convencionais apresentam ângulo de saída negativo na quina da broca para priorizar a resistência à fratura e prolongar a vida útil da ferramenta. Mas o ângulo negativo não é tão eficiente para o corte das camadas duras de fibra de carbono. Como a broca MCC é fabricada em um material de alta resistência à fratura, conseguimos aplicar um ângulo de saída positivo na quina da broca, tornando a geometria bem aguda. Com isso, a broca MCC proporciona um corte eficiente das fibras de carbono do PRFC, reduzindo a ocorrência de delaminação e de fibras não cortadas na saída do furo. Além disso, o ângulo de ponta de 90 graus reduz o empuxo no início da furação, o que também contribui para reduzir a delaminação.

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- Quais são as características da cobertura?

Yamamoto: A broca de metal duro sem cobertura sofre desgaste logo no início da furação devido às propriedades mecânicas do PRFC. Por isso, aplicamos a cobertura CVD de diamante nas brocas MCA e MCC para aumentar a resistência ao desgaste.

Yanagida: Para obter a máxima agudez da aresta de corte, precisamos considerar não apenas a geometria da aresta de corte, mas também o tamanho das partículas de diamante da cobertura. A nova cobertura CVD de diamante da Mitsubishi Materials possui partículas extremamente finas, o que aumenta significativamente a força de adesão da cobertura ao substrato. Assim, conseguimos aumentar em cerca de 10 vezes a vida útil da ferramenta em comparação às coberturas convencionais.

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- Como foi possível melhorar a agudez?

Yamamoto: Aumentar a agudez era a nossa prioridade. Para isso, buscamos o melhor método de preparação de aresta e também a maximização dos ângulos de hélice, de saída e de folga, que são partes essenciais da broca. Testamos diferentes combinações de ângulos para reduzir os danos à broca. Em geral, quanto maiores são esses ângulos, maior é a agudez da broca. Porém, o metal duro é um material frágil, com limitada resistência à fratura. O desempenho de uma broca é determinado pela combinação dos efeitos de cada parte da broca, somado ao material da broca. Por isso, precisávamos testar as brocas para avaliar o seu desempenho. Como já mencionei antes, a preparação de aresta é muito importante para aumentar a agudez. As nossas brocas convencionais apresentavam pequenas variações na aresta devido ao processo de pré-cobertura. No entanto, para a broca MCC, aplicamos um novo método de preparação de aresta, completamente diferente das brocas convencionais, o que nos permitiu obter uma aresta bem aguda e uniforme. Com isso, conseguimos equilibrar a agudez e a resistência, resultando em maior vida útil da ferramenta e melhor qualidade do furo.

Yanagida: Para ajudar no desenvolvimento da série MC, realizamos uma pesquisa conjunta com a Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien), da Áustria. Quando precisávamos fazer testes de usinagem para analisar os protótipos com diferentes espessuras de cobertura, geometrias de aresta e ângulos de saída, pedíamos cooperação à Universidade de Tecnologia de Viena. Assim, conseguimos obter dados essenciais com maior precisão, o que certamente contribuiu para o sucesso deste projeto.

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Dificuldades e conquistas no desenvolvimento de novos materiais

- Quais foram as dificuldades encontradas no desenvolvimento da broca MCC?

Yamamoto: Enfrentamos muitas dificuldades, pois o mecanismo de usinagem do PRFC é bem diferente dos metais em geral, mas também foi muito gratificante. Fui transferido para o Gifu Aero Group do Departamento Aeroespacial em outubro de 2016, quando o departamento foi criado, e participei do desenvolvimento da broca MCC. Eu já tinha experiência no desenvolvimento de brocas para metais, mas esta foi minha primeira experiência com um material como o PRFC.

Yanagida: No nosso departamento, os próprios desenvolvedores, inclusive o Yamamoto, criam os protótipos. Nós cultivamos as habilidades práticas essenciais para um técnico. Para isso, produzimos continuamente os nossos próprios protótipos, operando as máquinas retificadoras de ferramentas, escolhendo as melhores condições para retífica, como os ângulos de corte e velocidade, tipos de rebolos, etc.

Yamamoto: Para o protótipo da MCC, nosso foco era garantir a agudez. Então, revisamos os parâmetros de retífica muitas vezes até obter uma aresta bem aguda. Selecionamos os melhores protótipos para que fossem avaliados pelos nossos clientes. Ficamos muito felizes em ouvir do cliente que "a nossa broca conseguiu melhorar a qualidade do furo".

Yanagida: Como são os próprios desenvolvedores que realizam todo o processo desde o projeto, a produção do protótipo e o teste de usinagem, eles conseguem perceber até as variações mínimas no desempenho. O fato de ter criado os protótipos da broca MCC, permitiu ao próprio Yamamoto identificar os pontos potenciais de melhoria e aperfeiçoar continuamente até desenvolver um produto que pudesse fornecer com confiança.

- Quais são os planos futuros de desenvolvimentos na furação de PRFC?

Yanagida: A principal exigência na fabricação de peças aeroespaciais é a segurança. Embora o aumento da vida útil da ferramenta seja um critério importante, a qualidade do furo é fundamental. Vamos persistir no desenvolvimento de ferramentas capazes de atender ambos os requisitos. Além disso, os materiais devem se tornar cada vez mais difíceis de usinar, imaginando que o PRFC pode se tornar ainda mais resistente, ou que podem surgir novos materiais laminados com aço inoxidável, por exemplo. A Mitsubishi Materials realiza pesquisas conjuntas com fabricantes de fibra de carbono, além de desenvolver parcerias com universidades que realizam pesquisas avançadas. Portanto, continuaremos aprofundando nossos conhecimentos relacionados à usinagem de PRFC, aumentando nossa capacidade de resposta às necessidades do mercado em constante mudança.

- Para finalizar, por favor, deixem uma mensagem aos seus clientes.

Yanagida: As normas como JIS e ISO ainda não estabeleceram uma classificação do PRFC, pois existem muitos tipos de resinas, com diferentes espessuras de fibra de carbono e métodos de composição da trama, sendo que as propriedades de cada material variam significativamente. As brocas também devem ser adaptadas de acordo com o material da ferramenta e a qualidadade desejada do furo. Estamos prontos para oferecer um atendimento adequado aos requisitos dos clientes. Portanto, por favor, não hesitem em entrar em contato conosco.

Yamamoto: A série de brocas MC consta no nosso catálogo como produto standard. No entanto, acredito que esta é uma linha de produtos que deve ser adaptada às necessidades específicas de cada cliente. Nós nos esforçamos para atender o cliente de forma rápida e eficaz. Por isso, sintam-se à vontade para nos consultar.

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