Cet article a testé un type de disque diamanté électrodéposé de conception dispersée, en l'utilisant pour couper et meuler des matériaux en fibre de carbone. Grâce à l'analyse des données et à la comparaison des coûts, il a été constaté que cette lame de scie diamantée électrodéposée présentait un rapport coût-efficacité élevé lors du traitement de pièces en fibre de carbone.
1. Difficultés de découpe de la fibre de carbone
Dans la fabrication moderne haut de gamme, les composites à base de fibres de carbone et de verre sont devenus des matériaux essentiels dans des domaines tels que l'aérospatiale, les véhicules à énergie nouvelle et la production d'énergie éolienne, grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et à leurs caractéristiques de légèreté.
Toutefois, la grande dureté, la résistance élevée à l'usure et les caractéristiques de la structure en couches de ces matériaux posent des défis importants aux processus de coupe traditionnels. Le polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) est sujet à la déchirure des fibres, à la délamination et aux dommages thermiques pendant la coupe, tandis que le plastique renforcé de fibres de verre (PRV), en raison de sa dureté et de sa fragilité élevées, entraîne une usure importante de l'outil et des difficultés à garantir la précision de l'usinage.
2 Comparaison de trois méthodes de découpe de la fibre de carbone
2.1 Limites de l'usinage traditionnel : forte usure, faible efficacité et détérioration facile
Les composites à base de fibres de carbone sont composés de fibres de carbone à haut module et de matrices de résine polymère, présentant une anisotropie et une dureté élevée, ce qui pose des problèmes aux méthodes d'usinage traditionnelles. La méthode de coupe des métaux, représentée par des outils en carbure cémenté ou en céramique, était l'approche de traitement la plus couramment utilisée dans le passé, et elle a été largement adoptée, en particulier dans l'industrie automobile et dans les premières applications de la fabrication des pales d'éoliennes. Toutefois, ce type de méthode présente trois problèmes majeurs :
Usure rapide de l'outil : L'abrasivité élevée des fibres de carbone consomme rapidement les matériaux de l'outil. La durée de vie de l'outil est fortement limitée, en particulier dans le cas d'une coupe à grande vitesse.
Graves problèmes de délamination et de bavures : En raison de la nature anisotrope du PRFC, des défauts structurels tels que le décollement, la délamination et l'écaillage des bords sont susceptibles de se produire au cours du traitement.
Impact thermique incontrôlable : La chaleur générée par la coupe à grande vitesse ramollit ou ablate facilement la matrice de résine, ce qui réduit les performances structurelles.
Ces questions sont devenues de plus en plus importantes au fur et à mesure que la fabrication haut de gamme augmente les exigences en matière de précision et d'intégrité structurelle. Les améliorations apportées aux outils de coupe, telles que l'adoption d'outils revêtus de diamant, d'outils PCD (diamant polycristallin) et de lames de diamant électrodéposées, peuvent prolonger la durée de vie dans une certaine mesure et améliorer la qualité de la coupe.
2.2 Technologie de traitement au laser : le nouveau protagoniste du traitement sans contact et sans bavure
Parmi les technologies d'usinage sans contact, la découpe laser est en train de devenir une alternative courante pour le traitement des fibres de carbone, grâce à ses avantages tels que la haute précision, la forte contrôlabilité et l'adaptation aux structures géométriques complexes.
Les systèmes d'usinage laser de précision réalisent une découpe précise, sans outil et sans contrainte mécanique en utilisant un faisceau laser de balayage à grande vitesse pour chauffer et vaporiser localement la fibre de carbone. La précision d'usinage atteint 10μm, ce qui les rend particulièrement adaptés aux matériaux en feuilles minces d'une épaisseur inférieure à 3 mm. Ces systèmes ont fait l'objet d'une vérification d'application pratique dans les composants structurels en fibre de carbone de l'aérospatiale, fournissant des bords de coupe sans délamination, bavures ou dommages au matériau de base, tout en réduisant les coûts de traitement d'environ 40%.
La nouvelle technique de régulation des groupes chimiques sur les surfaces de PRFC par laser a amélioré l'affinité de surface des matériaux, ce qui peut directement renforcer la force d'adhérence entre les matériaux composites. Ceci est d'une grande importance pour l'amélioration de la performance de l'interface des composants structurels multicouches.
2.3 Découpe au jet d'eau : la force stabilisatrice de la technologie de l'usinage à froid
La découpe au jet d'eau est une méthode de traitement mécanique à froid, extrêmement respectueuse des matériaux sensibles à la chaleur tels que les composites à base de fibres de carbone. Son principe consiste à former un jet de liquide à grande vitesse à travers une buse à micro-trous sous une pression extrêmement élevée et, à l'aide d'abrasifs de type carborundum, il permet de découper efficacement les matériaux composites.
Les principaux avantages de la technologie du jet d'eau résident dans trois aspects : elle ne génère pas de zone affectée par la chaleur, évitant ainsi les fissures thermiques et l'ablation ; elle convient aux composants en PRFC plus épais ou multicouches (tels que les structures sandwich en nid d'abeille) ; et elle ne produit pas d'électricité statique et n'affecte pas les propriétés électromagnétiques des matériaux.
Toutefois, l'usinage par jet d'eau présente des limites telles qu'une précision restreinte, des bords de coupe légèrement rugueux et des exigences élevées en matière de post-traitement, de sorte qu'il est principalement utilisé comme méthode d'usinage grossier ou comme solution de prédécoupage pour les composants complexes. Par exemple, dans la fabrication de composants structurels en fibre de carbone pour le transport ferroviaire, l'usinage par jet d'eau est souvent utilisé pour la découpe primaire des contours, suivie d'une finition au laser ou avec des outils mécaniques.
Boeing utilise aussi largement les jets d'eau à haute pression pour couper et découper le PRFC dans les grands composants structurels des avions tels que les Boeing 787 et 777X, notamment les longerons, les caissons d'ailes et les couvertures d'ailes, afin de réduire les problèmes de délamination et de bavure causés par les outils mécaniques.
Lors de la découpe de cette pièce, nous avons tiré les conclusions suivantes :
Les méthodes de découpe traditionnelles ont chacune leurs limites : la découpe au laser, par exemple, permet d'obtenir une précision relativement élevée mais souffre d'une zone affectée par la chaleur importante ; la découpe au jet d'eau, bien qu'exempte de dommages thermiques, présente des goulets d'étranglement au niveau de l'efficacité de la découpe et du traitement des tôles épaisses, et entraîne également des coûts d'équipement élevés.
Dans ce contexte, la lame de coupe diamantée électrodéposée en forme de parapluie, avec ses propriétés matérielles uniques et ses avantages en termes de processus, est devenue une solution idéale pour relever les défis posés par le traitement des matériaux composites durs et cassants.
4 Pourquoi choisir les lames diamantées électrodéposées pour couper la fibre de carbone ?
Ensuite, nous développerons les raisons du choix de la lame diamantée électroplaquée en forme de parapluie pour la coupe de produits en fibre de carbone et en fibre de verre en quatre dimensions.
4.1 Caractéristiques du disque diamanté électrodéposé
Forte adhérence du diamant et grande durabilité : Les particules de diamant sont étroitement liées à la surface du substrat par un processus de galvanoplastie, et le revêtement métallique a une force de rétention abrasive bien supérieure à celle des liants en résine. Lors de la coupe, les diamants ne se détachent pas facilement ; même lorsqu'il s'agit de matériaux durs et cassants tels que le granit et le carbure de tungstène, la lame diamantée électrodéposée peut maintenir une force de coupe stable. Leur durée de vie est de 5 à 10 fois supérieure à celle des disques de meulage en résine ordinaires, ce qui réduit les problèmes de remplacement fréquent.
Efficacité de meulage élevée et consommation d'énergie réduite : Les grains de diamant ont une hauteur de saillie modérée et une distribution uniforme, avec des arêtes de coupe tranchantes, ce qui se traduit par une faible résistance au frottement lorsqu'ils sont en contact avec les pièces à usiner. Dans des scénarios tels que le chanfreinage du verre, le polissage de la pierre et le traitement des moules, la vitesse de coupe des disques diamantés électrodéposés est supérieure de plus de 30% à celle des disques de meulage traditionnels. De plus, aucune application de pression continue n'est nécessaire, ce qui réduit la consommation d'énergie de l'équipement et l'intensité opérationnelle.
Adaptabilité des conditions de travail : Il peut être adapté à des spécifications spéciales telles que les pièces ultra-minces (à partir de 0,1 mm d'épaisseur) et les pièces de petit diamètre, et il est compatible avec des équipements tels que les meuleuses portatives et les meuleuses de précision de bureau. Elle peut non seulement répondre aux besoins d'ébarbage des matériaux en pierre de grande taille, mais aussi traiter le meulage de pièces minuscules de composants électroniques, ce qui la rend adaptée à des domaines tels que la décoration d'intérieur et la fabrication de précision.
Un rapport coût-efficacité exceptionnel : Bien que le coût d'approvisionnement par pièce soit légèrement supérieur à celui des disques de meulage ordinaires, le coût de traitement unitaire est réduit de plus de 40% en raison de sa longue durée de vie et de sa grande efficacité. En outre, le processus de galvanoplastie ne comporte pas de lien de frittage à haute température, de sorte que le coût de la personnalisation des petits lots est contrôlable, ce qui rend le disque diamanté galvanisé adapté aux besoins de production des petites et moyennes entreprises.
4-2 conception en forme de parapluie de la lame diamantée électrodéposée
Le corps de la lame diamantée électrodéposée est en forme de parapluie ou de corne, s'étendant vers l'extérieur à partir de l'axe central. Cette conception offre une plus grande surface de contact et un meilleur espace d'évacuation des copeaux.
La surface de travail de la lame diamantée électrodéposée (généralement sur le bord extérieur et/ou la face d'extrémité) comporte des grains abrasifs diamantés uniformément et fermement enduits sur le substrat métallique grâce à un processus spécial qui garantit l'uniformité et la netteté des arêtes de coupe.
4.3 Conception structurelle importante de la lame diamantée électrodéposée
Il existe des différences structurelles significatives entre les lames de coupe diamantées électrodéposées et les fraises. Pour assurer une évacuation efficace des copeaux, les fraises sont généralement spécialement conçues avec des goujures en spirale ou droites, qui sont des éléments structurels importants.
Les disques diamantés électrodéposés sont toutefois différents. Leur conception est axée sur les performances de coupe des diamants et elles n'ont généralement pas de goujures dédiées aux copeaux. La surface de leur substrat (principalement du métal) est uniformément recouverte d'une couche de grains abrasifs diamantés par un processus de galvanoplastie, qui constitue presque la principale zone de coupe de la lame diamantée électrodéposée. Que ce soit sur la surface circonférentielle ou sur la face frontale, les parties revêtues de diamants se chargent de la tâche de coupe. Cette structure est également compatible avec ses scénarios d'application, qui impliquent principalement la coupe à grande vitesse de matériaux durs et cassants.
4.4 Fonctionnement du disque diamanté électrodéposé
La lame diamantée électrodéposée tourne à grande vitesse, son bord extérieur en forme de parapluie entrant en contact avec la pièce à usiner.
Les grains abrasifs diamantés, durs et tranchants, éliminent les matériaux par micro-coupage, grattage et broyage. La structure en forme de parapluie permet de guider les copeaux vers le haut ou vers l'extérieur, réduisant ainsi le colmatage et l'accumulation de chaleur.
4 Lame diamantée électrodéposée Vs autres outils de coupe
Dans la dernière partie de l'article, nous aimerions présenter un ensemble de données expérimentales de clients. Cette expérience compare les performances de différents types de produits diamantés dans la coupe de la fibre de carbone ，pour votre référence.
Résumé
Pour un usinage de haute qualité, efficace et peu dommageable, en particulier dans le cadre d'une production en grande série, les lames de coupe diamantées en forme de parapluie constituent souvent un choix judicieux.
Notre société propose également des disques à tronçonner diamantés frittés au bronze et à la résine (inclus), ainsi que des lames diamantées de plus haute précision (inclus). Nous sommes également un fabricant de meules CBN et diamantées (inclus).
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