Tworzywa sztuczne i kompozyty cieszą się coraz większą popularnością w wielu gałęziach przemysłu. Ich udział jest największy oczywiście w przemyśle opakowaniowym, jednak także w budownictwie znajdują szerokie zastosowanie przy izolacjach czy rurach instalacyjnych. Rośnie zainteresowanie nimi również w tych branżach, w których masa komponentu przekłada się na efekt ekonomiczny. Należą do nich np. sektor lotniczy i motoryzacyjny, gdzie wykorzystanie kompozytów pozwala chociażby na obniżenie kosztów eksploatacji i energii. Komponenty kompozytowe, zwłaszcza z włókna węglowego, stosowane są m.in. w konstrukcjach wewnętrznych i zewnętrznych samolotów – ich niewielka masa, a jednocześnie ogromna wytrzymałość pozwala uzyskać znaczne oszczędności paliwa i lepsze osiągi. Kolejne obszary wykorzystania tych materiałów to chociażby produkcja sprzętu sportowego oraz części maszyn i urządzeń.

Za wzrastającym użyciem tworzyw sztucznych i kompozytów muszą podążać metody ich obróbki. Do ich cięcia wykorzystywane są i techniki tradycyjne, i nowsze rozwiązania, do których należą technologie laserowe, hydroabrazywne i plazmowe.

Tradycyjnie

Cięcie pilarką, wyrzynarką brzeszczotową, piłą tarczową lub łańcuchową, wykorzystanie do tego celu nożyc bądź specjalnych noży termicznych, wreszcie frezowanie – to klasyczne metody cięcia tworzyw sztucznych i kompozytów, które wciąż mogą sprawdzić się w sytuacjach uzasadniających ich zastosowanie.

Cięcie ręczne – z wykorzystaniem np. strugów, nożyc, obcinarek lub pił – stosuje się dziś głównie do obróbki pojedynczych elementów. Choć pozwalają one na przycinanie z dość dużą dokładnością, to jednak są to metody pracochłonne i powolne, a poza tym uzyskany efekt zazwyczaj wymaga dodatkowej obróbki. Do tego dochodzi duża ilość generowanego pyłu i spory hałas w przypadku użycia np. piły tarczowej.

Na uzyskanie znacznej precyzji wykonania pozwala np. cięcie nożem termicznym. Dzięki temu, że można wymieniać jego ostrza i ustawiać różną moc pracy, metoda ta pozwala na cięcie elementów o różnorodnych kształtach i grubości. Trzeba jednak pamiętać, że wymaga ona wysokiej temperatury, która może spowodować uszkodzenia ciętej powierzchni.

Także tradycyjna obróbka wiórowa ma swoje wady – przede wszystkim może powodować odkształcenia na krawędziach ciętych elementów z tworzyw (są one bowiem bardziej podatne na ugięcie niż metale). Aby proces taki był maksymalnie skuteczny, wymaga bardzo dużej ostrości narzędzia tnącego, dużej prędkości obróbki i szybkiego posuwu. Niezbędne jest też stałe kontrolowanie stanu narzędzia przez operatora, jak również sprawne usuwanie powstających w trakcie procesu wiórów i pyłów, aby nie doszło do zaklejenia narzędzia i wystąpienia narostów na powierzchni natarcia ostrza skrawającego.

Optymalniej

Alternatywą dla cięcia ręcznego są cuttery (plotery tnące). To uniwersalne, sterowane komputerowo maszyny z systemem wymiennych narzędzi służące do wycinania zaprogramowanych kształtów. Ostrze plotera przemieszcza się nad powierzchnią materiału i przecina go w miejscach przewidzianych w projekcie.

Są to maszyny łatwe w obsłudze – wymagają głównie wprowadzenia materiału, odpowiedniego doboru parametrów cięcia i kontroli pracy. Do ich zalet należą również niskie koszty eksploatacji i pełna automatyzacja ułatwiająca ustawianie noży, frezów i bigowników. Oferowane są także maszyny o funkcjach kombinowanych: urządzenia frezujące wyposażone w opcję głowicy tnącej bądź też plotery, w których funkcją podstawową jest cięcie, a dodatkową frezowanie. W zaawansowanych modelach głowicę oscylacyjną można zamienić na bigującą lub piszącą, dzięki czemu plotery tnące znajdą szerokie zastosowanie, wykraczające poza operacje cięcia.

Wysokiej jakości cuttery umożliwiają precyzyjny rozkrój przygotowanych elementów i zapewniają powtarzalność ich kształtu. Maszyny tego typu wymagają jednak częstej wymiany tępiących się noży.

Szybki i wydajny laser

Do nowoczesnych metod cięcia tworzyw sztucznych i kompozytów należy technologia laserowa. Zyskuje ona na popularności, ponieważ ma wiele zalet – to przede wszystkim szybkość procesu, bezdotykowa praca, wysoka jakość powtarzalnych cięć i brak wpływu na strukturę i właściwości materiału. Lasery można wykorzystać do cięcia elementów o dowolnym kształcie i powierzchni. Wiązka laserowa gwarantuje bardzo wąski obszar oddziaływania termicznego, co pozwala zachować nienaruszoną strukturę materiału (w przypadku większości tworzyw i kompozytów) i powoduje, że cięte elementy nie muszą być poddawane dalszej obróbce.

Technologia laserowa doskonale sprawdzi się przy produkcji masowej dzięki temu, że zapewnia stałe, powtarzalne cięcia, wykonywane z bardzo dużą prędkością. Korzystne są również parametry trwałości maszyny – ponieważ głowica lasera nie styka się z ciętym materiałem, praktycznie w ogóle się nie zużywa. Ta zaleta może w długiej perspektywie czasowej zniwelować wadę technologii laserowej, jaką jest koszt nabycia maszyny.

Ograniczeniem tej metody jest także jej wydajność związana z grubością materiału – w miarę jego zwiększania się prędkość lasera znacząco spada. Cięcie laserowe zalecane jest więc dla materiałów nieprzekraczających grubości ok. 7 mm.

Skuteczny strumień wody

Metodą alternatywną wobec lasera jest cięcie strugą wodną ze ścierniwem (abrasive waterjet). Sprawdza się przy obróbce tworzyw i kompozytów o większej grubości (nawet do 20 cm), a także znacznej twardości. To metoda precyzyjna i dająca wystarczająco dobry efekt. Może jakość wykonanego cięcia nie jest tak wysoka jak po laserze, ale zazwyczaj spełnia założone wymagania. Ponieważ waterjet to obróbka na zimno, nie występuje tu ryzyko zniekształceń ciętej krawędzi.

W procesie cięcia strumieniem wody nie ma potrzeby wymiany głowic tnących, gdy np. modyfikowane jest ciśnienie strumienia, co pozwala zyskać na czasie pracy. Największą zaletą obróbki wodno-ściernej jest możliwość cięcia tworzyw praktycznie bez ograniczeń co do ich grubości i rodzaju. Ograniczeniem jest jednak powierzchnia ciętego materiału, która musi być płaska. W przypadku kompozytów problem może też stanowić połączenie materiałów o różnej twardości – strumień strugi wodnej, który przebije się przez miękką warstwę materiału, może „odbić się” od kolejnej warstwy twardszej i spowodować szkody w materiale.

Nowocześnie i ekologicznie

Rynek stawia coraz większe wymagania, jeśli chodzi o prace obróbcze – ich precyzję, opłacalność i wydajność. W cenie są rozwiązania nowoczesne, ułatwiające obróbkę, a także dające możliwość integracji z innymi procesami i rozwiązaniami sieciowymi. Dlatego w przemyśle większość tradycyjnych metod cięcia wyparta została przez dwie dziś dominujące: cięcie przy wykorzystaniu lasera CO2 i wzbogaconej ścierniwem strugi wodnej. Sterowane numerycznie wycinarki laserowe lub waterjety pozwalają znacząco skrócić czas cięcia, co obniża koszty wykonania zadania. Szybsze jest przygotowanie materiału do cięcia, do tego dochodzą wysokie prędkości procesu i brak obróbki wykańczającej.

Nowoczesne maszyny oferują szereg przydatnych funkcji usprawniających proces cięcia materiałów kompozytowych. To na przykład funkcja pozycjonowania wielopunktowego, umożliwiająca określenie położenia surowca na polu pracy, kamery na głowicy ułatwiające operacje związane z pozycjonowaniem czy możliwość cyfrowego wprowadzenia poprawek do ułożenia materiału. Coraz częściej też w obrębie jednego procesu technologicznego łączone są różne specjalizacje.

Poza samą maszyną coraz większe znaczenie w procesie wytwarzania ma także jej integracja z całą siecią produkcyjną w zakładzie. Automatyzacja minimalizuje ryzyko wystąpienia błędów, zapewnia odpowiednią kontrolę nad procesem cięcia, szybszą reakcję na ewentualne usterki, jak i raportowanie przebiegu procesu – także na potrzeby systemów klasy ERP w celu dalszego zwiększania wydajności. Do tego potrzebne jest odpowiednie oprogramowanie, które producenci maszyn do cięcia tworzyw sztucznych i kompozytów stale rozwijają.

Coraz większą wartością jest też ekologiczność rozwiązań. Na przykład laser ceniony jest także za to, że nie generuje odpadów – cząstka materiału, na którą padła wysoka dawka energii, po prostu wyparowuje pod wpływem mocnego uderzenia wiązki laserowej. Także w technologii cięcia strugą wodną wzmocnioną ścierniwem nie powstają szkodliwe produkty spalania – w tym wypadku nie ma też efektu w postaci wymagających filtrowania oparów, ponieważ jest to obróbka czysto mechaniczna.