Mengatasi Tantangan Pemotongan dengan Komposit Campuran Matriks dan Komposit Tebal Serat

Baru dengan material komposit mixed-matrix dan fiber-reinforced di penerbangan? Berikut adalah primer tentang cara bekerja dengan material komposit.

Seiring banyak industri termasuk penerbangan terus meminta komponen yang semakin ringan, Anda mungkin menemukan diri Anda berdiri di depan sebuah pusat pemesinan CNC suatu hari bertanya, "Apa ini yang saya potong?". Alat aus cepat, debu pergi ke mana-mana, dan permukaan yang diproses kasar, pecah dan seringkali retak.

Apa itu Material Komposit?

"Material komposit pada dasarnya adalah kombinasi dari dua atau lebih material yang berbeda yang digunakan bersama untuk menggabungkan properti terbaik, atau memberikan seperangkat karakteristik baru yang tidak bisa dicapai oleh salah satu material konstituen sendiri," tulis Dr. Rainer Groh, seorang peneliti asociat dalam struktur non-linear di University of Bristol di blog Aerospace Engineering-nya.

Pertama, ide bagus untuk memahami mengapa komposit digunakan: Itu karena mereka ringan dan kuat sekaligus. Cukup mudah untuk dipahami. Namun, iblis, saat memotong komposit, ada dalam detail.

"Matriks rentan terhadap oksidasi dan degradasi dari panas berlebihan, dan serat karbon tidak potong dengan baik karena mereka pecah alih-alih geser halus," catat American Machinist dalam artikel tentang polymer reinforced carbon fiber. "[T]he machining of composites results in a series of brittle carbon-fiber fractures producing dust-like chips that carry away very little of the heat generated by machining."

Komposit Tebal Serat vs. Komposit Matriks

Floor beams, stabilizer panels, flight control surfaces, doors dan bulkheads—ini hanya beberapa dari banyak bagian komposit atau laminat yang ditemukan dalam pesawat saat ini, sebagian besar dibuat dari komposit-metal-komposit multilayer atau bahan seperti saringan madu dengan eksterior yang kuat dan struktur seperti kertas di dalam.

Bagaimanapun konstruksinya, apa pun yang dilaminasi di penerbangan, ada tiga kelas komposit tebal serat yang ada, termasuk keramik, logam dan Kevlar. Sebagai contoh, ada tiga kelas komposit matriks: phenolic, polyester dan epoxy. Bahan-bahan ini dapat cukup sulit untuk diproses, tetapi dengan pengetahuan dasar dan sedikit investasi dalam peralatan dan alat, semuanya cukup dapat dikelola.

Anda mungkin telah mendengar komposit disebut sebagai CFRP (carbon fiber reinforced plastic), metal matrix composite (MMC), aramid (yang merupakan Kevlar), atau berbagai nama yang terdengar ilmiah lainnya. Kunci adalah dalam memahami perbedaan dari bekerja dengan logam.

"Peralihan dari konstruksi logam ke komposit secara alami telah mengubah metodologi desain komponen pesawat," catat Groh. "Harus diingat bahwa tidak hanya properti mekanik komposit yang berbeda dari logam, tetapi bahwa sejumlah properti fisik dan kimia juga berbeda."

Memotong Komposit: Debu, Debu Karbon dan Sistem Penyaringan

Mari kita mulai dengan debu yang berputar di sekitar kepala Anda. Anda tidak ingin menghirapnya. Untuk beberapa aplikasi, membanjiri mesin dengan fluida pemotongan dapat membuat lumpur abrasif yang dapat merusak mesin CNC mahal Anda. Beberapa komposit menyerap air seperti spons, jadi memberikan coolant sebenarnya dapat merusak workpiece jika Anda tidak memiliki peralatan yang tepat. Namun, dalam aplikasi komposit lainnya, coolant dapat menjadi metode yang sangat efektif untuk mengontrol debu, meningkatkan umur alat dan meningkatkan finishing komponen.

Masalah lain yang perlu diperhatikan: Debu serat karbon dikenal dapat terbakar dalam keadaan tertentu. Meski peringatan serius, solusinya cukup sederhana—setiap bengkel yang rutin memotong komposit harus berinvestasi dalam sistem penyaringan, yang sesuai dengan jenis material yang diproses. Enclosure yang cukup airtight juga adalah ide yang baik, namun selama cukup banyak vacuum untuk menarik debu ke atas dan keluar dari area kerja, seharusnya tidak ada masalah. Debu yang tersisa dapat dibersihkan dengan Shop-Vac (pastikan filter dalam kondisi baik). Berikut beberapa praktik terbaik untuk menyaring debu komposit:

• Periksa dengan dealer mesin Anda tentang kebutuhan akan positive pressure spindle seperti yang ditemukan di mesin pemotong graphite
• Periksa dengan pemasok material tentang ukuran dan jenis penyaringan yang dibutuhkan (ada banyak variasi)
• Dan periksa dengan pelanggan tentang persyaratan kebersihan bagian—produsen pesawat biasanya sangat cermat tentang kehadiran debu dan objek asing (FOD) pada bagian yang diproses

Alat untuk Memotong Material Komposit: Simpan HSS

Seperti yang terkait dengan alat pemotongan, Anda bisa lupakan high speed steel. Komposit umumnya cukup abrasif, dan sementara HSS tahan, ia tidak dapat menahan penyalahgunaan memotong material seperti kertas sandpaper. Jika Anda hanya memiliki beberapa bagian untuk diproses, solid carbide akan bekerja, tetapi Anda memerlukan tepi yang sangat tajam (ini berarti kemungkinan besar lapisan tidak dipertimbangkan, berkat pembulatan tepi mikroskopis yang datang dengan semua lapisan CVD dan bahkan sebagian besar PVD).

Geometri juga penting. Sudut heliks yang relatif curam pada end mill dan bor untuk pemotongan logam cenderung menyebabkan delaminasi pada sebagian besar komposit, yang menarik lapisan dan merusak integritas material, mirip dengan apa yang terjadi saat Anda membuat lubang di lembaran fiberglass (bahkan jika Anda mungkin tidak dapat melihatnya dengan mata telanjang). Pilihan terbaik adalah alat pemotongan heliks netral atau terbalik seperti router bit untuk pemesinan kayu atau plastik, atau cutter yang telah digiling khusus untuk pekerjaan komposit.

Jadi untuk bor bit, gunakan titik sudut ganda (mereka terlihat seperti Batman, dengan telinga runcing di kedua sisi ujung bor) yang mengurangi gaya saat breakthrough dan menghilangkan peluruhan—untuk mencegah delaminasi pada permukaan keluar. Opsi lain adalah brad-point bor, yang akrab bagi penggeraji kayu. Anda juga dapat menginterpolasi lubang ke ukuran dengan end mill rake netral atau router bit.

Memotong Material Komposit: Diamond adalah Sahabat Pemasin Terbaik

Untuk kuantitas produksi yang lebih tinggi, atau di mana kualitas tepi krusial (yang biasanya kasus), alat dengan ujung kristal poli dan alat yang dilapisi diamond adalah pilihan terbaik. Alat brazed atau indexable paling banyak tersedia dan akan melakukan pekerjaan yang baik, tetapi di sini lagi, beberapa produsen alat pemotongan menawarkan produk yang dirancang khusus untuk CFRP dan komposit lain. Evaluasi jenis alat pemotongan spesifik ini di mana kinerja maksimum diperlukan.

Manapun pendekatan yang Anda ambil dengan alat pemotongan, feeds dan speeds akan menjadi wilayah yang belum terjelajahi. Untuk hasil terbaik, hubungi pemasok alat Anda dan produsen material untuk saran, sisihkan waktu untuk pengujian dan dokumentasikan segala sesuatu yang Anda lakukan.

Tips Tambahan untuk Bekerja dan Memotong Material Komposit

Memegang bagian komposit yang rapuh dapat menantang, jadi lihat vacuum workholding atau light-activated adhesives. Jika panas menjadi masalah, coba arahkan cold air gun ke zona kerja.

Berikut beberapa pointer komposit tambahan untuk membantu Anda bergerak ke arah yang benar:

• Waspada terhadap arah grain komposit yang mendasari dan struktur, karena mungkin harus diorientasikan dengan cara tertentu untuk mencapai hasil pemesinan yang diinginkan
• Material sandwiched mungkin melarang penggunaan PCD untuk mendukung karbida
• Komposit saringan madu, yang populer dalam struktur badan pesawat, juga tunduk pada buku permainan yang berbeda—di sini, climb milling adalah pendekatan yang disukai (sesuatu yang sering tidak terjadi dengan komposit)

Ide bagus untuk mengikuti motto Boy Scout dan siap-siap: Pemesinan komposit sedang menuju ke arah Anda.

Bagaimana Anda bekerja dengan komposit di bengkel Anda? Ceritakan kisah horor pemotongan Anda.