Análisis, evaluación y propuestas de mejora del rendimiento del proceso de taladrado de cfrp

Resumen

En la actualidad, uno de los sectores industriales con mayor índice de implicación en el desarrollo de nuevas tecnologías y búsqueda de materiales estratégicos es el sector aeroespacial que, en algunas zonas del país ha llegado a convertirse en el motor industrial de las mismas, y sustituir a sectores que, por tradición y estrategia geográfica, habían venido ocupando este lugar. En este sentido, la industria aeronáutica española se ha posicionado como una de las grandes potencias europeas, tanto en empleo como en facturación. El desarrollo de nuevas tecnologías y la búsqueda de nuevos materiales, es una preocupación continua en la industria aeronáutica, donde la reducción del peso estructural de una aeronave, permite la posibilidad de incorporar mayor carga sin necesidad de aumentar el consumo energético para su desplazamiento, colaborando de esta manera en el aumento del rendimiento del proceso y la minoración del impacto del entorno medioambiental. En este sentido, el avance en el estudio y desarrollo de los materiales compuestos y sus tecnologías de producción, fabricación y mecanizado, han sido de los más importantes en la historia de los materiales en las últimas décadas, donde sus propiedades cubren el rango de mejoras de los materiales convencionales. Debido a las excelentes relaciones específicas entre peso /características mecánicas, los materiales compuestos de matriz epoxy reforzados por fibra de carbono (CFRP) se usan cada vez más en diferentes sectores estratégicos y tecnológicos como son el aeroespacial, aeronáutico, automoción, naval, equipamiento deportivo, biomedicina y energías renovables, entre otros. En la mayoría de los casos, estos materiales deben ser sometidos a diferentes procesos de mecanizado, bien para obtener su forma definitiva, bien para cumplir con las exigencias o requisitos técnicos, geométricos o dimensionales para su ensamblaje estructural, siendo los materiales compuestos de resina polimérica reforzados con fibra de carbono (CFRP) los más utilizados en el sector aeronáutico. En la actualidad, los montajes estructurales aeronáuticos se realizan mediante uniones mecánicas (tornillos, bulones, remaches), donde previamente de deben realizar una gran cantidad de agujeros, estando considerado el proceso de taladrado como el más crítico en esta fase final de ensamblaje, dependiendo el mismo de un elevado número de parámetros y variables, por un lado, debido a la caracterización del propio material, tipos de constituyentes (matriz y refuerzo) y tipo de arquitectura/secuencia de apilamiento, por otro lado, todo lo referente al material y a la geometría de la herramienta y, por último, a las condiciones y estrategia de mecanizado, así como los parámetros tecnológicos (velocidad de corte, velocidad de avance y profundidad de corte) empleados. Debido a las características intrínsecas de los materiales CFRP, su mecanizado suele ser complejo y muy distinto al mecanizado de materiales metálicos, soliendo aparecer durante el proceso diferentes tipos de defectologías como puede ser la delaminación, pelusa, fibras sin cortar, daños térmicos, reblandecimiento de la matriz, mala calidad superficial y diversos errores de forma. Con objeto de obtener montajes que aseguren la calidad y la seguridad de su comportamiento en servicio, estos defectos deben estar cuantificados por debajo de unos máximos, siendo lo ideal la eliminación de los mismos durante los diferentes procesos de mecanizado a los que son sometidos. Sobre la base de lo comentado anteriormente, el aumento o mejora del rendimiento de un determinado proceso de mecanizado, implica la mejora de cada uno de los factores considerados. Si, además, se consideran condiciones agresivas de mecanizado, como es el mecanizado en seco o la utilización de mínima cantidad de lubricante (MQL), la elección de la herramienta y de los parámetros tecnológicos de mecanizado, juegan aún un papel más importante. El objetivo general del trabajo de investigación desarrollado en la presente Tesis Doctoral, se centra en el Análisis, Evaluación y Propuestas de Mejora del Rendimiento del Proceso de Taladrado de Materiales Compuestos de Matriz Orgánica Reforzados con Fibra de Carbono (CFRP) utilizados en el sector aeronáutico. En esta Tesis Doctoral, se realiza un estudio exhaustivo sobre el proceso de taladrado de CFRP particularizado al sector aeronáutico, se realiza un ambicioso diseño experimental, donde se utilizan diferentes tipos de brocas en cuanto a geometría y recubrimientos, así como una amplia selección de parámetros de mecanizado (velocidad de corte y velocidad de avance). Con cada una de las herramientas utilizadas, se realizan diferentes tandas de ensayos modificando la combinación de los parámetros de mecanizado seleccionados, adquiriendo en cada caso, mediante sistemas de monitorización On-Line instalados en el equipo CNC utilizado, diferentes datos de funcionamiento del proceso como son, las fuerzas de corte, vibraciones y consumo energético del cabezal. Posteriormente, se realizan mediciones Off-Line de los indicadores de calidad utilizados, micro y macrogeométricos. Tras el análisis y tratamiento de los valores On-Line y Off-Line adquiridos, se trata de buscar la correlación existente entre los mismos, de manera que esto pueda servir como modelo de predicción del comportamiento del proceso de taladrado, utilizándolo como herramienta que ayude a buscar la mejor opción entre la herramienta y la selección de parámetros tecnológicos que sirvan para mejorar y aumentar el rendimiento del proceso de taladrado.