La influencia de la perforación secuencial y los parámetros de mecanizado en la formación de fibras no cortadas y el daño por delaminación en composites reforzados con fibra

Por qué los agujeros pequeños importan en estructuras grandes

Los aviones, automóviles y aerogeneradores modernos dependen de plásticos reforzados con fibra: materiales ligeros formados por fibras de vidrio o carbono unidas con resina. Estos materiales son resistentes, pero también sensibles a la hora de hacer orificios para pernos y fijaciones. Un simple paso de perforación puede separar las capas o dejar hebras de fibra colgando dentro del orificio, debilitando silenciosamente una pieza crítica. Este estudio explora cómo perforar agujeros más limpios y más resistentes en placas de fibra de vidrio mediante la selección cuidadosa del diámetro de la broca, la secuencia de perforación y los ajustes de la máquina.

Capas, fibras y daños indeseados

Los composites reforzados con fibra se construyen como una pila de finas láminas de tejido empapadas en adhesivo. Cuando una broca giratoria atraviesa esta pila, puede abrir las capas, un problema llamado delaminación, y también puede dejar haces de fibras sin cortar dentro del orificio. Ambos tipos de daño reducen la carga que una pieza puede soportar antes de romperse. Los autores se centraron en un laminado común de fibra de vidrio formado por siete capas tejidas unidas con epoxi. Fabricaron paneles planos grandes, los cortaron en tiras de ensayo y luego perforaron agujeros bajo numerosas condiciones diferentes, imitando la manera en que se fabrican las piezas en la industria.

Probando un enfoque de perforación paso a paso

La primera pregunta fue si la perforación "secuencial"—usar una serie de brocas pequeñas, luego medianas y finalmente del tamaño definitivo—podría reducir el daño en comparación con perforar al tamaño final en una sola pasada. Usando una fresadora controlada por ordenador, el equipo perforó agujeros de 7 y 10,1 milímetros de diámetro con una, dos o tres brocas en secuencia, manteniendo constante la velocidad de avance y la velocidad de rotación. Después fotografiaron el frente y la parte trasera de cada orificio y utilizaron software de análisis de imagen para medir cuánto del área circundante se había despegado y cuánto de la superficie del orificio estaba cubierta por fibras no cortadas.

Cómo la velocidad y el empuje cambian la calidad del orificio

A continuación, los investigadores variaron los parámetros clave de la máquina: la velocidad de avance (qué tan rápido se empuja la broca en el material) y la velocidad del husillo (qué tan rápido gira). Probaron tres niveles de avance, desde muy lento hasta bastante rápido, y tres velocidades de rotación, de baja a alta, para ambos tamaños de orificio. Para cada combinación, volvieron a medir la delaminación y las fibras no cortadas en la entrada y la salida del orificio. También realizaron ensayos de flexión en tres puntos—apoyando cada tira por sus extremos y empujando hacia abajo en el centro—para ver cuánta fuerza podían soportar las piezas perforadas antes de romperse y cómo esto se relacionaba con el daño alrededor del orificio.

Lo que revelaron las imágenes y las pruebas de flexión

Las medidas visuales mostraron un patrón claro. Perforar por pasos con varias brocas de tamaño creciente redujo la delaminación tanto en la cara de entrada como en la de salida de la placa. Sin embargo, esta estrategia tendió a aumentar la cantidad de fibras no cortadas en la entrada, donde el extraer repetidamente la herramienta parecía tirar de las fibras hacia arriba y dejarlas sin soporte. En el lado de salida, el mismo enfoque paso a paso ayudó a eliminar las fibras de forma más completa y redujo el daño por fibras no cortadas. Por otro lado, velocidades de avance más altas—empujar la broca más rápido—empeoraron de forma consistente tanto la delaminación como las fibras no cortadas, mientras que velocidades de husillo más altas—hacer girar la broca más rápido—redujeron ambos tipos de daño. Cuando el equipo comparó estas medidas con las pruebas de flexión, las muestras con menos daño alrededor de los orificios soportaron cargas mayores, con la fuerza de fractura mejorando hasta aproximadamente un 18% bajo condiciones de perforación mejores.

Lecciones prácticas para piezas más seguras y ligeras

En términos prácticos, el estudio muestra que la forma de perforar un agujero en una pieza de fibra de vidrio afecta fuertemente la resistencia de esa pieza. Usar varias brocas en secuencia puede proteger la estructura laminada de desprenderse, especialmente en la cara de salida, aunque puede dejar más fibras sueltas en la entrada. Empujar la broca con demasiada fuerza (alto avance) es perjudicial, mientras que dejarla girar más rápido tiende a ser más suave con el material. Combinando una estrategia de perforación paso a paso con velocidades de avance moderadas y mayores velocidades de rotación, los fabricantes pueden obtener orificios más limpios que preserven más la resistencia del composite—una ganancia importante para aeronaves, vehículos y otras estructuras donde cada gramo y cada margen de seguridad cuentan.

Cita: Izadi, S.M.H., Mozaffari, A. The influence of sequential drilling and machining parameters on uncut fiber formation and delamination damage in fiber-reinforced composites. Sci Rep 16, 10132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40786-y

Palabras clave: perforación de composites, laminados de fibra de vidrio, daño por delaminación, parámetros de mecanizado, fibras no cortadas