Cięcie materiałów kompozytowych za pomocą maszyn do cięcia CNC

Maszyny do cięcia CNC kojarzone są głównie z obróbką elementów metalowych, niekiedy także kamiennych. Jednak dwie z technologii cięcia - wodna oraz laserowa umożliwiają pracę z większą ilością materiałów. Ciekawym przykładem są zwłaszcza tworzywa sztuczne, wykorzystywane w przemyśle coraz częściej, głównie ze względu na swoje właściwości. Bardzo pożądane są na przykład materiały, które zachowują ogromną wytrzymałość, pozostając przy tym lekkimi i elastycznymi. Jakie są w obróbce? Czy wszystkie można ciąć w podobny sposób? Aby przedstawić problem w ciekawy sposób, przytoczone zostaną przypadki różnych materiałów kompozytowych.

Czym są materiały kompozytowe?

Warto szerzej zainteresować się tą tematyką, ponieważ w ostatniej dekadzie następuje stały wzrost ich wykorzystania w coraz nowszych zastosowaniach. Częstokroć pojęcie to kojarzone jest z budulcem samolotów, sprzętu wojskowego lub akcesoriów sportowych. Tymczasem pod tą nazwą kryje się cała grupa materiałów posiadających niejednorodną strukturę, która składa się z co najmniej dwóch komponentów. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, będące spoiwem dla całego materiału i zapewnia większość jego właściwości fizycznych. Cząsteczki komponentów mogą być ze sobą splecione lub ułożone warstwowo.

Powszechnym przykładem materiału kompozytowego, z którym mamy do czynienia na co dzień, jest żelbeton. Składa się on z bardzo odpornego na ściskanie betonu, uzbrojonego elementami metalowymi. W tym przypadku beton jest spoiwem, które nadaje żelbetonowi większość cech fizycznych, natomiast uzbrojenie stanowi element, który sprawia, że materiał jest o wiele bardziej wytrzymały.

Ogólnie kompozyty można podzielić na następujące grupy: laminaty, kompozyty strukturalne, mikrokompozyty i nanokompozyty. Ich właściwości decydują o stopniu trudności obróbki. Zwłaszcza, że mogą być twarde jak stal lub elastyczne jak guma, zachowując przy tym odporność na duże naprężenia.

Próbując cięcia materiałów kompozytowych nieodpowiednimi metodami można doprowadzić do rozwarstwienia struktury. Znacznie zmniejsza to możliwości użytkowe materiału, tym bardziej w takich dziedzinach, jak lotnictwo lub medycyna, gdzie najistotniejsze są szczegóły.

W jakich sytuacjach zalecane jest cięcie strumieniem wody?

W przypadku materiałów kruchych poleca się zastosowanie cięcia strumieniem wody. Głównym z powodów jest oczywiście ekologiczność metody, która powoduje, że za każdym razem jest ona najbardziej optymalna. Jeżeli jednak chodzi o specyfikę cięcia wodnego materiałów kompozytowych, niewątpliwą zaletą okazuje się wyjątkowo wysoka jakość cięcia, ponieważ cięcie nie powoduje powstawania zadziorów, które miałyby być później dodatkowo niwelowane. Nie występuje także wpływ wysokiej temperatury (z reguły nie przekracza ona 40°) lub substancji chemicznych, zatem materiał nie zmienia właściwości.

Przygotowanie do procesu jest w tym przypadku ograniczone do odpowiedniego zaprogramowania cięcia, co bardzo upraszcza proces. Samo cięcie przebiega natomiast bez zbędnych przestojów, na przykład na wymianę części eksploatacyjnych lub głowicy (do każdego materiału wykorzystuje się tę samą głowicę). Nie trzeba także ostrzyć narzędzia tnącego. Technologia ta ponadto nie wymaga wcześniejszego wykonywania nawierceń - materiał może być bezpośrednio przebijany. W zależności od potrzeby, istnieje możliwość regulacji mocy ciśnienia strumienia wody.

Ograniczeniem technologii cięcia wodnego są powierzchnie inne niż płaskie. Trudności mogą również wystąpić w przypadku materiałów, w których materiał bardzo miękki występuje w połączeniu z twardym. Jeśli istnieje taka możliwość, należy materiał układać twardszą warstwą u góry. W odwrotnej sytuacji strumień wody, przebiwszy miękką warstwę, odbija się od twardszej, uszczerbiając niepożądane partie materiału.

Wcześniej wspomniano, że cięcie technologią wodną polecane jest szczególnie dla materiałów kruchych. A jak to wygląda w pozostałych przypadkach? Istnieje możliwość uszkodzenia przez ścierniwo krawędzi cięcia lub zawilgocenia jej. Podczas cięcia kompozytów z włóknem węglowym, istnieje możliwość oderwania włókien od matrycy.

Kiedy zdecydować się na cięcie laserem?

W celu uniknięcia tego typu problemów, warto zdecydować się na cięcie laserowe. Jego główną zaletą jest możliwość dotarcia do trudno dostępnych obszarów materiału. Poza tym cięcie laserowe nie jest ograniczane ze względu na powierzchnię i kształt elementu. Należy jednak pamiętać, że technologia ta sprawdza się jedynie dla materiałów o grubości 1 - 8 mm.

Istnieje spore prawdopodobieństwo, że w najbliższym czasie technologia laserowa zostanie uznana jako standardowe narzędzie do cięcia większości materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknem. Argumenty za tym przemawiające nie różnią się od tych, używanych w przypadku obróbki blach. Najbardziej zachęcającymi czynnikami są: szybkość procesu, niewystępowanie tarcia oraz bezdotykowa praca. Ceniony jest także brak ograniczenia ze względu na geometrię oraz powierzchnię elementu.

W ramach podsumowania tematu przedstawione zostało zestawienie zawierające informacje na temat aspektów cięcia kompozytów w trzech technologiach: wodnej, laserowej oraz plazmowej.

ParametrCięcie wodneLaserPlazma
Materiały niemetaliczne+--
Cięcie wielowarstwowe+--
Materiały zespolone+--
Utwardzanie materiału-++
Tworzenie się zadziorów-++
Obróbka dodatkowa-++
Tworzenie się trujących oparów-++
Odkształcenie materiału-++

Według powyższej tabeli cięcie strumieniem wody jest najoptymalniejszą technologią. Jeżeli tylko wpływ wody nie działa destrukcyjnie na właściwości ciętego materiału kompozytowego, najlepiej zastosować cięcie wodne. Warto śledzić coraz nowsze zastosowania kompozytów oraz ich cechy. Może okazać się to intratnym sposobem na wykorzystanie posiadanych maszyn do cięcia CNC.