Usinage de matériaux composites

Nouvelles pistes pour l’usinage des composites
Rhenus Lub : « Au plus près de la perfection avec le lubrifiant réfrigérant spécial »

Grâce à leurs propriétés uniques, les matériaux composites comme le plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) ou le plastique renforcé de fibres de verre (PRFV) sont des matières premières importantes pour de nombreuses branches, mais restent toutefois difficiles à usiner. Les opérations de perçage et d’usinage se déroulent généralement à sec. Néanmoins, les pièces ne répondent souvent pas aux exigences qualité des responsables et entraînent de nombreuses mises au rebut. Le fabricant de lubrifiants réfrigérants Rhenus Lub s’engage en matière de PRFC dans une nouvelle voie orientée vers l’avenir pour faire face à ce problème : l’usinage à l’aide de lubrifiants réfrigérants spécialement développés.

Plus c’est léger, mieux c’est

De nombreux domaines, comme l’industrie automobile ou aérospatiale, utilisent des matériaux qui restent légers, tout en étant extrêmement résistants et durables. Les raisons sont évidentes : Lorsqu’accélération et vitesse entrent en jeu, la réduction du poids devient rapidement synonyme de réduction des coûts d’exploitation. Outre les métaux légers haute résistance, comme l’aluminium, le magnésium ou le titane, une place de plus en plus importante est maintenant accordée aux plastiques renforcés de fibres (PRF). Leur principal représentant : le plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC). Il dispose à la fois d’une extraordinaire légèreté et d’une remarquable stabilité.

L’usinage à sec mis à l’épreuve : les inconvénients dominent

Les matériaux composites sont donc très demandés ; l’usinage à sec encore largement répandu pour ce matériau innovant est pourtant très inefficace. Alors que les pièces en PRFC sont déjà fabriquées avec des contours proches de la spécification finale et que seules des opérations d’usinage en apparence simples, comme le perçage ou le fraisage, sont souvent nécessaires, l’usinage à sec peut malgré tout causer de graves problèmes. Ce n’est plus un secret pour beaucoup d’experts en matériaux. Toutefois, comme il n’existait pas de véritable solution de remplacement aux procédés à sec traditionnels, les problèmes et les surcoûts associés à ces procédés ont jusqu’à présent été plus ou moins acceptés.

Le point essentiel : la forte valeur ajoutée des pièces à usiner, c’est donc tout sauf un inconvénient mineur. En effet, les pièces sont souvent de qualité insuffisante à cause du décollement et de l’arrachement des fibres, bien que la vitesse d’avance soient très réduites pendant l’usinage. En outre, les outils sont fortement sollicités : les fibres présentes dans le matériau composite usent de façon extrêmement rapide les outils de perçage, de fraisage et de meulage et des changements d’outils sont fréquemment nécessaires. Pour contrer cette usure excessive, des outils de haute qualité en diamant polycristallin ou des revêtements de type diamant sont essentiellement utilisés. On se rend rapidement compte du montant élevé des coûts d’outillage, qui peuvent fortement porter atteinte à la compétitivité de ce matériau d’avenir.

Mais le processus d’usinage à sec du PRFC soulève également de nombreuses questions en matière de sécurité et de protection de la santé. La poussière fine libérée en particulier lors de l’usinage provoque de graves problèmes. Des quantités élevées de particules fines peuvent nuire à la santé des employés travaillant à l’usinage. Afin de ne pas mettre en danger les travailleurs, les entreprises doivent installer des systèmes d’évacuation d’air et des filtres dans la zone de travail, un équipement coûteux, mais nécessaire et obligatoire pour une protection adéquate contre la poussière de fibres.

Si l’on considère le coût considérable et le danger potentiel pour la santé, une question se pose : pourquoi procéder malgré tout à un usinage à sec du plastique renforcé de fibres ?

Une solution d’avenir Rhenus Lub

Comme l’usinage à sec de ces matériaux à haute résistance est une tâche difficile tant sur le plan économique que médical, des procédés de remplacement pourraient être la clé d’une amélioration. Pour le fabricant de lubrifiants Rhenus Lub, spécialiste des lubrifiants réfrigérants et des graisses haute performance, ces matériaux exceptionnellement difficiles à usiner et les défis qu’ils posent (importante usure de l’outil, qualité de la pièce moindre, risque pour la santé) ne sont pas une nouveauté. Pour l’usinage durable des plastiques renforcés de fibres, l’entreprise de Mönchengladbach présente une solution prometteuse : l’utilisation de lubrifiants réfrigérants spécialement développés à cet effet.

Le département de recherche hautement spécialisé teste depuis longtemps l’usinage de PRFC avec des lubrifiants réfrigérants et s’est associé dès le début du projet de recherche à des partenaires solides qui génèrent des synergies pour ce projet novateur. Pour le test des lubrifiants réfrigérants nouvellement mis au point, l’entreprise de Mönchengladbach se tient ainsi aux côtés du Centre de recherche et de transfert (FTZ) de l’Université de Zwickau, en Saxe de l’Ouest, qui contrôle l’usure des outils et la qualité d’usinage des pièces lors de tests d’aptitude similaires à la production. Il existe en outre une collaboration étroite avec le Centre aérospatial allemand (DLR) dans le cadre de laquelle des contrôles des matériaux et des tests de compatibilité sont réalisés sur des plastiques renforcés de fibres.

Évolution logique

La solution prometteuse pour remplacer les méthodes d’usinage traditionnelles peut surprendre les autres acteurs du marché. Cependant, il s’agit d’une évolution logique pour Rhenus Lub grâce à sa vaste connaissance du marché, ses nombreuses années d’expertise en recherche et son savoir-faire chimique, comme l’explique Hans Jürgen Schlindwein, directeur R & D, contrôle qualité des lubrifiants réfrigérants chez Rhenus Lub : « Avec notre gamme de produits et services, nous cherchons toujours pour nos clients à rendre les différentes opérations de fabrication les plus proches possible de la perfection et avec l’utilisation de lubrifiants réfrigérants spéciaux nous pouvons parfaitement y arriver pour l’usinage de PRFC, comme l’ont confirmé nos tests pratiques à grande échelle. Continuer dans la même voie que par le passé serait alors un vrai frein à l’innovation. » Les premiers produits pleinement développés sont les deux lubrifiants réfrigérants spéciaux rhenus XY 190 FC et rhenus XT 46 FC. « Ils sont adaptés à l’usinage de matières plastiques renforcées de fibres, comme les fibres de carbone ou de verre, et font plus que remettre en question les performances des procédés d’usinage à sec dans certaines conditions », a déclaré M. Schlindwein.

Des résultats pratiques convaincants

Des essais industriels réalisés sur le terrain avec des clients sélectionnés de l’industrie automobile indiquent que l’utilisation de lubrifiants réfrigérants spéciaux pour l’usinage de PRFV et de PRFC a eu un effet positif immédiat sur la qualité de la coupe et du perçage, le coût par trou, les coûts de processus et de mise au rebut, ainsi que sur d’autres indicateurs de performance des processus.

La comparaison directe lors de l’essai industriel sur le terrain (1) démontre les avantages de l’usinage du PRFC avec des lubrifiants réfrigérants, contrairement à un usinage à sec classique : Une durée de vie des outils jusqu’à quatre fois plus longue a été obtenue avec le lubrifiant réfrigérant lors des essais réalisés. Les temps de production ont pu être considérablement raccourcis grâce à des vitesses d’avance plus élevées (jusqu’à 60 % plus rapides). L’importante dissipation de chaleur et l’excellent pouvoir lubrifiant du lubrifiant réfrigérant spécial permettent des valeurs de coupes impensables avec un usinage à sec.

Outil Données de coupe sans lubrifiant réfrigérant Données de coupe avec lubrifiant réfrigérant Sans lubrifiant réfrigérant Avec lubrifiant réfrigérant spécial
Fraise en carbure, à dents pyramidales, Ø6 8 500 1/min
1 200 mm/min
13 500 1/min
2 000 mm/min
6 pièces
= 42 m
40 pièces
= 150 m
Fraise en carbure, Ø4,8 7 600 1/min
700 mm/min
7 600 1/min
700 mm/min
10 pièces
= 1,7 m
40 pièces
= 6,8 m

(1) Données de coupe comparées (sans lubrifiant réfrigérant et avec lubrifiant réfrigérant spécial)

La précision d’usinage et la stabilité dimensionnelle sont également améliorées par l’utilisation de lubrifiants réfrigérants spéciaux, comme l’indiquent les figures (2) et (3). Avec les lubrifiants réfrigérants rhenus XY 190 FC et rhenus XT 46 FC, les outils travaillent de façon plus précise que lors de l’usinage à sec et se trouvent nettement plus souvent dans la zone de tolérance définie en ce qui concerne la stabilité dimensionnelle.

Graphique précision

(2) Précision d’usinage lors du perçage de PRFC

Graphique stabilité dimensionnelle

(3) Stabilité dimensionnelle lors du perçage de PRFC

Outil :

Foret non revêtu en
carbure 6,0h7
Vc = 120 m/min
fu = 0,06 mm
280 trous
Prix/pièce : < 10 €

PRFC :

10 mm d’épaisseur
Canevas 0/90°
Fibres HTA

La meilleure qualité des trous réalisés avec le lubrifiant réfrigérant spécial était déjà nettement visible à l’œil nu au cours du test : (4), (5), (6) et (7).

Durée de vie total

(4) L’essai industriel sur le terrain prouve que l’usinage avec lubrifiant réfrigérant spécial obtient de meilleurs résultats qualitatifs

Délaminations

(5) Entrées et sorties du perçage : moins de délaminations avec le lubrifiant réfrigérant spécial

Finition de surface lors du fraisage

(7) Finition de surface lors du fraisage : meilleurs résultats avec le lubrifiant réfrigérant spécial 

Paroi du perçage

(6) Paroi du perçage lisse et brillante lors de l’usinage avec lubrifiant réfrigérant

Des déviations moindres et une plus grande stabilité dimensionnelle garantissent non seulement une réduction de la mise au rebut, mais assurent aussi une qualité accrue des composants. La délamination est évitée et moins de pièces doivent être réusinées.

Malgré l’avance plus importante, la vitesse de coupe améliorée et un usinage plus précis, des outils, les forets et les fraises ont été davantage ménagés pendant l’essai sur le terrain (8). Conséquence positive : une durée de vie plus longue et des coûts moindres en raison de l’usure réduite des outils.

Sans lubrifiant réfrigérant

Avec lubrifiant réfrigérant spécial

À l’aide du Centre aérospatial allemand (DLR), les interactions entre le lubrifiant réfrigérant et le PRFC ont également été examinées lors de série de tests dans les conditions les plus défavorables (conservation du PRFC dans le lubrifiant réfrigérant pendant une semaine à 60 °C, essais jusqu’à -50 °C). Le bilan est ici positif : le court temps d’exposition au lubrifiant réfrigérant lors de l’usinage ne modifie pas les caractéristiques matérielles du PRFC et aucune pénétration du lubrifiant réfrigérant dans le matériau composite n’a été observée.

Grâce à l’utilisation des lubrifiants réfrigérants, la poussière est retenue de façon optimale, ce qui contribue à une meilleure protection de la santé. Ce procédé est donc très bien accueilli par les responsables de processus et les opérateurs de machines. Dans le même temps, les salles des machines restent davantage propres grâce aux bonnes capacités de nettoyage des lubrifiants réfrigérants spéciaux.

Pionnier dans l’usinage PRFV avec les lubrifiants réfrigérants spéciaux

Meinhard Kiehl, ingénieur diplômé, directeur marketing, gestion des produits chez Rhenus Lub, considère son entreprise comme une pionnière grâce à ce procédé innovant et les lubrifiants réfrigérants hautes performances qui y sont associés : « Grâce à notre avancée, la possibilité d’usiner du carbone et d’autres matériaux composites avec des lubrifiants réfrigérants spécialement conçus, nous sonnons l’entrée dans une nouvelle ère. Cela n’intéresse pas seulement les responsables de processus qui étaient alors régulièrement confrontés aux résultats parfois très insatisfaisants de l’usinage à sec du carbone. Désormais, même les entreprises qui jusqu’ici utilisaient des lubrifiants réfrigérants, mais n’usinaient pas de carbone peuvent aussi usiner facilement des matériaux très résistants avec leurs machines existantes, à l’aide de nos lubrifiants réfrigérants spécialement conçus pour les matériaux composites à base de fibres, et ainsi élargir leur portefeuille de services. Cela représente un fort potentiel pour des activités supplémentaires. » Pour un usinage économique, respectueux de la santé, des plastiques renforcés de fibres ainsi qu’une compétitivité durable de ces matériaux d’avenir, il faut partir du principe que, sur le long terme, on ne saurait se passer des lubrifiants réfrigérants.

Hans Juergen SchlindweinDr. Hans Jürgen Schlindwein
directeur R et D, département contrôle
de la qualité des lubrifiants réfrigérants

Téléphone +49 2161 5869-249

schlindwein@rhenusweb.de