Om composietmaterialen te verspanen, kunnen ultrasone trillingen een hulpmiddel zijn. Deze trillingen zorgen ervoor dat de ruwheid, braamvorming en proceskrachten aanmerkelijk kleiner zijn.

Het nabewerken van composietmaterialen zorgt voor heel wat problemen en uitdagingen. Composietmaterialen zijn meestal gemaakt uit een hard, stevig kernelement (vezels of partikels) en een zacht, schokbestendig matrixmateriaal. Een van de meest voorkomende composietmaterialen zijn glas- of koolstofvezelversterkte polymeermaterialen. Deze worden steeds vaker ingezet waar lichtgewicht en sterke materialen vereist zijn, zoals bijv. in de luchtvaartindustrie.

Nabewerking van composietmateriaal

Veel vormgevingstechnieken voor composieten zijn near-netshape-technieken, waarbij de uiteindelijk gewenste vorm bijna bereikt wordt. Vaak zijn er dan nog een aantal nabewerkingstechnieken nodig, zoals frezen, draaien of boren, om nog enkele veranderingen aan te brengen en het stuk tot op zijn juiste maat te bewerken. Bij het verspanen ondergaan gereedschappen zware krachten en ontstaan problemen, aangezien het vezelelement uiterst sterk is. Dit zorgt voor grote slijtage en een dure operatiekost. Allerlei leveranciers en onderzoekers werken al jaren om de gebruikte gereedschappen te optimaliseren en te verbeteren, zodat hier winsten geboekt kunnen worden.

Ultrasone trilling bij draaien

Ook andere processen kunnen ingezet worden. Het ultrasoon ondersteund bewerken is de laatste jaren in volle ontwikkeling. Door een trilling aan het gereedschap op te leggen verbeterde de performantie op het vlak van snijkrachten, braamvorming en oppervlakteruwheid. Door aan een beitel in de snijrichting een trilling op te leggen gedraagt het verspaningsproces zich anders dan bij het klassieke bewerken. Huidig onderzoek spitst zich vooral toe op keramische materialen, maar ook bij composieten kan dit tot verbeteringen leiden. Om een invloed te bekomen moet de snijsnelheid kleiner zijn dan een kritische waarde. Deze waarde is in principe kleiner dan de snelheid die door de trilling gegenereerd wordt. Als dit niet zo is, blijft het gereedschap voortdurend in contact en dooft het effect van de trilling uit.

Ultrasoon ondersteund draaien bij composieten

Bij composieten is er een tweede voorwaarde waaraan voldaan moet zijn om tot goede resultaten te komen: de amplitude van de trilling moet kleiner zijn dan de vezeldiameter. Bij het klassieke bewerken is het grootste probleem dat de vezels samen met de matrix gesneden worden. Dit maakt dat de vezels weggerukt worden uit de matrix en vezel en matrix gaan schuiven ten opzichte van elkaar. Dit leidt tot braamvorming en slechte oppervlakken. Door kleine (maar hoogfrequente) trillingen op te leggen kunnen matrix en vezel apart gesneden worden, wat een verbeterde ruwheid tot gevolg heeft.

50 procent betere ruwheid

Bij het opleggen van een ultrasone trilling werden ruwheidsverbeteringen tot bijna 50 procent bereikt. De grootste verbeteringen werden bereikt bij een snijrichting die loodrecht lag op de vezelrichting. Dit was, zoals eerder aangegeven, enkel bij een amplitude die niet te groot was. Bij amplitudes die groter waren dan de vezeldiameters, bleek er geen effect te zijn van de trilling.

Lagere krachten

Ook de krachten waren merkelijk kleiner. Zowel de hoofdsnijkracht als de terugdrukkracht was nog maar een fractie van die bij het proces zonder ultrasone trilling.

Het gebruik van ultrasone trillingen bij klassieke processen om composieten te verspanen kan dus tot gevoelige verbeteringen leiden, zij het onder de juiste omstandigheden. Bij Sirris zijn er diverse onderzoeksprojecten rond het ultrasoon bewerken van materialen en bewerkingstechnologieën voor composietmaterialen.

Tom Jacobs, Sirris

Telefoon: 0032 498 919378

E-mail: Dit e-mailadres is beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien.

Bron

Machining of composite materials, R. Teti, University of Naples Frederico II, Italy