W ostatnich dekadach tworzywa sztuczne stały się pełnoprawnym materiałem konstrukcyjnym w wielu branżach – od motoryzacji i elektroniki, po medycynę i wiele więcej.
Ich rosnąca popularność wynika z połączenia niskiej masy, odporności chemicznej i szerokiego wachlarza właściwości mechanicznych, które można dostosowywać do konkretnego zastosowania.
Jednocześnie obróbka CNC tworzyw sztucznych znacząco różni się od skrawania metali. Polimery mają zupełnie inne zachowanie pod wpływem ciepła, wilgoci i naprężeń wewnętrznych. To wymusza inne podejście do projektowania, doboru narzędzi oraz strategii produkcyjnych.
W tym artykule przyjrzymy się specyfice obróbki CNC tworzyw sztucznych – omówimy najczęstsze wyzwania technologiczne, różnice w podejściu w porównaniu do metali oraz kluczowe czynniki, które decydują o jakości i powtarzalności produkcji.
Spis treści
Dlaczego obróbka CNC tworzyw różni się od metali?
Tworzywa sztuczne zachowują się w procesie obróbczym inaczej niż metale, głównie ze względu na ich właściwości fizyczne i strukturalne. Trzy czynniki odgrywają tu największą rolę:
- Ciepło – polimery mają niski współczynnik przewodzenia ciepła. Energia wytwarzana w trakcie skrawania koncentruje się w miejscu kontaktu z narzędziem. Rezultatem może być topienie krawędzi, powstawanie zadziorów, a nawet trwałe odkształcenia detalu. Skuteczną metodą kontroli jest stosowanie bardzo ostrych narzędzi i intensywnego odprowadzania wiórów – najczęściej sprężonym powietrzem lub mgłą olejową (MQL).
- Naprężenia wewnętrzne – powstają na etapie wytłaczania lub formowania półfabrykatów i mogą się uwolnić w trakcie skrawania. W efekcie detal potrafi się odkształcić już po zdjęciu z maszyny, mimo że tuż po obróbce wygląda stabilnie.
- Wilgoć – niektóre tworzywa (np. nylon PA) są silnie higroskopijne i mogą wchłaniać wodę w ilości kilku procent masy własnej. Powoduje to pęcznienie i zmiany wymiarów, a w konsekwencji trudności w utrzymaniu tolerancji.
Podsumowując, w przypadku polimerów kluczowe jest kontrolowanie temperatury, uwzględnianie naprężeń wewnętrznych oraz stabilności wymiarowej związanej z wilgocią.
Właściwości wybranych materiałów w obróbce CNC tworzyw sztucznych
Różnorodność tworzyw sztucznych sprawia, że trudno mówić o jednej uniwersalnej metodzie obróbki. Każdy polimer zachowuje się inaczej pod wpływem temperatury, wilgoci czy obciążeń mechanicznych.
POM (acetal) – najbardziej przewidywalny polimer techniczny
POM uchodzi za najłatwiejsze w obróbce tworzywo konstrukcyjne. Charakteryzuje się niską absorpcją wilgoci, stabilnością wymiarową i dobrą jakością powierzchni po skrawaniu. Dlatego często jest pierwszym wyborem przy produkcji precyzyjnych części mechanicznych wymagających powtarzalności wymiarowej.
PA (nylon) – materiał wymagający kontroli wilgoci
Nylon wyróżnia się dużą wytrzymałością mechaniczną, ale jego wadą jest silna higroskopijność. Absorbowana woda zmienia nie tylko wymiary, ale też twardość i sprężystość materiału. Z tego względu wiele zakładów stosuje suszenie półfabrykatów przed obróbką, a także wyżarzanie odprężające przed skrawaniem. (proces obróbki cieplnej polegający na podgrzaniu materiału, utrzymaniu w danej temperaturze i powolnym chłodzeniu w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych)
PC (poliwęglan) – mocny, ale podatny na pękanie naprężeniowe
Poliwęglan jest ceniony za wyjątkową odporność udarową. Niestety, jednocześnie wykazuje skłonność do mikropęknięć pod wpływem naprężeń wewnętrznych oraz w kontakcie z niektórymi chłodziwami i rozpuszczalnikami. Aby ograniczyć ryzyko, stosuje się ostre narzędzia, chłodzenie neutralnymi mediami i proces wyżarzania przy elementach krytycznych.
PMMA (akryl) – tworzywo dla zastosowań optycznych
Akryl jest materiałem chętnie wybieranym tam, gdzie wymagana jest przezroczystość i wysoka estetyka powierzchni. Jednak aby uzyskać stabilność wymiarową, niezbędne jest wyżarzanie zarówno przed, jak i po obróbce.
W aplikacjach optycznych stosuje się dodatkowo polerowanie płomieniowe lub chemiczne, aby usunąć mikropęknięcia i poprawić przejrzystość.
PTFE (teflon) – problem z płynięciem materiału
PTFE to polimer o bardzo niskim współczynniku tarcia i znakomitej odporności chemicznej. Jego wadą jest miękkość i tendencja do tzw. creep’u – czyli powolnego odkształcania pod wpływem obciążenia.
Obróbka CNC wymaga tu szczególnie sztywnych mocowań i ostrej geometrii narzędzi.
PEEK – polimer wysokowydajny
PEEK jest jednym z najdroższych i najbardziej zaawansowanych polimerów konstrukcyjnych. Odznacza się wysoką odpornością cieplną i mechaniczną. Jego obróbka CNC jest stosunkowo przewidywalna, pod warunkiem że materiał został wcześniej poddany procesowi wyżarzania.
W przypadku kompozytów wzmacnianych włóknem szklanym lub węglowym zaleca się narzędzia PCD lub diamentowe.
Stabilność wymiarowa i tolerancje przy obróbce CNC tworzyw sztucznych
Jednym z kluczowych zagadnień w obróbce CNC tworzyw sztucznych jest stabilność wymiarowa detali. Zależy ona nie tylko od dokładności obrabiarki, ale też od historii materiału.
- Elementy obrabiane zaraz po wytłaczaniu mogą ulec późniejszym deformacjom,
- materiały higroskopijne zmieniają swoje wymiary wraz z wilgotnością otoczenia,
- półkrystaliczne polimery (np. POM, PEEK) mogą wymagać wyżarzania odprężającego, aby osiągnąć docelowe tolerancje.
Według naszego doświadczenia w sprzyjających warunkach możliwe jest osiągnięcie tolerancji rzędu ±0,0005 cala, jednak tylko w przypadku materiałów stabilnych (np. POM, PEEK) i przy odpowiedniej kontroli środowiska.
Znaczenie projektowania pod tworzywa
Projektowanie części z tworzyw sztucznych wymaga innego podejścia niż w przypadku metali. Polimery są bardziej podatne na koncentrację naprężeń, odkształcenia czy zamykanie się otworów po obróbce. Dlatego już na etapie konstrukcji należy uwzględniać właściwości materiału.
W praktyce oznacza to m.in. unikanie ostrych kątów wewnętrznych (które inicjują pęknięcia), stosowanie promieni w narożach, dobór odpowiednich grubości ścianek i preferowanie wkładek gwintowych zamiast gwintów wykonywanych bezpośrednio w masie tworzywa.
Podsumowanie
Obróbka CNC tworzyw sztucznych to obszar, który wymaga doświadczenia i zrozumienia specyfiki materiałowej. W przeciwieństwie do metali, gdzie ciepło i naprężenia są łatwiejsze do kontrolowania, polimery wymagają indywidualnego podejścia.
- POM i PEEK oferują stabilność i wysoką precyzję,
- PA wymaga kontroli wilgoci,
- PC i PMMA wymagają wyżarzania i ostrożnego doboru chłodziw,
- PTFE jest materiałem szczególnie trudnym z uwagi na swoją miękkość i podatność na deformacje.
Dzięki znajomości tych zależności możliwe jest osiąganie wysokiej jakości powierzchni i stabilnych wymiarów, co czyni z tworzyw sztucznych pełnoprawny materiał w nowoczesnym przemyśle.