Dwie wiodące metody cięcia twardych tworzyw sztucznych, które w przemyśle wielkoskalowym właściwie wyparły większość pozostałych, mniej wydajnych metod, to cięcie przy użyciu lasera CO₂oraz cięcie dzięki wykorzystaniu strugi wodnej o bardzo niewielkiej średnicy, wzbogaconej o ścierniwo wspomagające działanie sprężonej wody. Pozostałe techniki znajdują obecnie zastosowanie głównie w małej wytwórczości i rzemiośle, a śladowo i w przemyśle.

Lasery – więcej zalet niż wad

Urządzenia tnące laserem to zdecydowani liderzy w wyścigu o miano najlepszej maszyny do obróbki twardych tworzyw sztucznych. Gwarantują szybki proces i bezdotykową pracę przy wielu możliwościach zastosowania, nieograniczonych ani kształtem, ani powierzchnią obrabianego przedmiotu. Laser się nie zużywa i pozwala uzyskać stałą wysoką jakość powtarzalnych cięć. Ponadto dzięki bardzo wąskiemu obszarowi oddziaływania termicznego nie wpływa na strukturę i właściwości ciętego materiału. Jest tak precyzyjny, że wycięte elementy nie wymagają dalszej obróbki i są praktycznie gotowe do zastosowania.

Istotna zaleta tej technologii, doceniana w przemyśle, to łatwość wykonywania dokładnie tych samych powtarzalnych cięć w skali masowej, co pozwala myśleć o dużej produkcji, oraz szybkość ich wykonywania. Laser może przeciąć materiał o przekroju 2 mm w ciągu minuty na odcinku 10 m przy mocy 4-6 kW, jest zatem bardzo szybki. Jeśli dodać do tego łatwość wprowadzania danych do programu i łatwość regulowania całej maszyny, otrzymujemy urządzenie niemal perfekcyjne.

Kolejną zaletą tej technologii jest fakt, że głowica z optyką nie ma fizycznego kontaktu z ciętym materiałem, wskutek czego jej zużycie jest niemal zerowe. Warto też pamiętać, że laser nie generuje odpadów, a wynika to z sublimacji tej cząstki materiału, na którą padła wysoka dawka energii. Uderzenie jest tak mocne, że materiał wyparowuje i pozostaje równa krawędź, na którą wyemitowana dawka ciepła nie ma żadnego wpływu – nie pojawia się żadne nadtopienie.

Warto też wspomnieć o laserach nanosekundowych. To całkiem niedawno wprowadzone rozwiązanie z ultrakrótkimi, ale bardzo mocnymi impulsami, które przeprowadzają wydajną obróbkę na zimno. Technologia ta wykorzystuje wszystkie popularne długości fal (podczerwień, nadfiolet, zieleń) i świetnie nadaje się do szybkiej obróbki ubytkowej na dużych powierzchniach oraz do szybkiego cięcia z bardzo wysoką wydajnością. Oferuje płynną regulację częstotliwości impulsów przy jednoczesnym stałym czasie trwania pojedynczego impulsu.

Technologia cięcia laserem ma jednak pewną wadę: jej wydolność istotnie się obniża przy tworzywach (kompozytach) o grubości przewyższającej pół centymetra. W przypadku materiałów o przekroju zaledwie 7-9 mm należy już rozważyć wykorzystanie technologii cięcia ze strumieniem wodnym wzbogaconym o ścierniwo.

Skuteczna współpraca wody i ścierniwa

Abrasive Water Jet, czyli cięcie strugą wodną, to technologia alternatywna wobec lasera, również wykazująca wiele istotnych zalet. Choć na początku swojej kariery nie zdołała zawojować świata przemysłu, to w latach 80. ubiegłego wieku przeżyła renesans, który trwa do dziś. Stało się to dzięki wzbogaceniu strugi wodnej o ścierniwo, które umożliwiło precyzyjne cięcie wszelkich bardzo twardych materiałów o grubości sięgającej 10 cm, a w szczególnych przypadkach nawet 20 cm. Cięcie tzw. waterjetami polega na obróbce wodno-ścierne przy wykorzystaniu strumienia wody kierowanego precyzyjnie, pod ogromnym ciśnieniem, na materiał (przeciętnie 4-6 tysięcy barów), w którym znajduje się ścierniwo odpowiedzialne za wydajny proces ścierania materiału. Tam, gdzie mamy do czynienia z twardym tworzywem o dużym przekroju, laser staje się nieprzydatny, waterjet zaś – niezastąpiony. Należy pamiętać, że jakość takich cięć nieco ustępuje jakości osiąganej przy użyciu lasera, jednak w większości przypadków jest w pełni zadowalająca. Ponadto nie ma żadnego ryzyka, że wskutek nieumiejętnej obsługi urządzenia dojdzie do zniekształceń, jakie mogą się pojawić przy obróbce cieplnej. Brak tu też szkodliwych produktów spalania i parowania materiału (oparów), gdyż cięcie jest czysto mechaniczną obróbką ścierną.

Waterjety świetnie sprawdzają się przy bardzo twardych i zarazem kruchych tworzywach sztucznych, pod warunkiem że umiejętny operator przeprowadzi wstępny proces przebicia przy niskim ciśnieniu (maksymalnie do 1000 barów), dzięki czemu nie dojdzie do odłupania czy pęknięcia materiału. Trzeba też mieć na uwadze odległość głowicy od powierzchni ciętego tworzywa, która optymalnie nie powinna wychodzić poza zakres 1,0-1,5 mm. Dziś z reguły czuwa nad tym specjalne oprogramowanie, ale dawniej robiło się to „na oko” i często zbyt duże oddalenie głowicy od ciętego tworzywa generowało szereg problemów: niespójny strumień, niewłaściwie wyprofilowaną krawędź cięcia czy wzrost kosztów całej obróbki przez zbyt długi proces cięcia i zbyt duże zużycie wody i ścierniwa.

Wymagające metody tradycyjne

Zanim masowe cięcie twardych tworzyw sztucznych stało się domeną ww. technologii, odbywało się przy użyciu zupełnie innych narzędzi i w toku innych procesów. Mowa o obróbce wiórowej, która zasadniczo jest łatwa w przypadku tworzyw sztucznych, lecz wymaga uwzględnienia faktu, że tworzywa te są bardziej podatne na ugięcie niż metale (dlatego krawędzie skrawające muszą być maksymalnie ostre) oraz że duże zapylenie może zaklejać narzędzie tnące i powodować pojawienie się narostów na powierzchni natarcia ostrza skrawającego. Aby takich problemów uniknąć, należy przy obróbce tworzyw sztucznych metodą wiórową skutecznie usuwać wióry i pyły (strumień sprężonego powietrza) oraz prowadzić obróbkę na dużych prędkościach i przy szybkim posuwie.

Frezowanie jest ryzykowne w przypadku twardych tworzyw sztucznych, bo może uszkodzić strukturę materiału i spowodować szybkie zużycie narzędzi, z czym wiążą się częste przestoje i rosnące koszty. Ponadto operator musi przez cały czas kontrolować stan narzędzi. Mimo to frezowanie jest formą – ułomnej, ale jednak – alternatywy dla opisanych dwóch wiodących technologii. Istnieje grupa frezów zaprojektowanych bezpośrednio do cięcia twardych płyt pod określonym kątem, przy czym może to być nie tylko kąt 90°, ale równie dobrze 45°, co oznacza, że uzyskana krawędź jest skośna. Obróbka taka wymaga stałej kontroli zużywającego się narzędzia. Dziś jednak coraz częściej frezy do bardzo twardych tworzyw sztucznych wykazują całkiem niezłą żywotność dzięki właściwej mikrogeometrii (obróbka zgrubna lub wykończeniowa) oraz powłokom regulującym strukturę powierzchni freza w skali nano, co wpływa na wolne zużycie jego tnących krawędzi i optymalną przewodność cieplną.

Skuteczną metodą jest cięcie pilarką tarczową pod warunkiem użycia tarczy z węglików spiekanych lub tarczy diamentowej o dość drobnym uzębieniu. Pilarkę należy prowadzić wzdłuż listwy – tzw. prowadnicy równoległej – która musi być sztywno zamocowana do ciętego materiału. Większość pilarek jest w nią wyposażona standardowo. Praca pilarką to dość szybka metoda cięcia tworzyw sztucznych, wymaga jednak dużo miejsca i skutecznego systemu odsysania wiórów.

Kolejna metoda – cięcie wyrzynarką brzeszczotową – kojarzy się z materiałami drewnopochodnymi, a nie z twardymi tworzywami sztucznymi, jednak oferta brzeszczotów obejmuje również takie, które nadają się do obróbki tworzyw sztucznych zawierających wypełniacze włókniste (włókna węglowe lub szklane). Dla takich materiałów producenci osprzętu tnącego opracowali całe programy brzeszczotów węglikowych, brzeszczotów z azotkiem boru (cBN) czy też brzeszczotów z diamentem przemysłowym. Trzeba pamiętać, że dużo większe problemy sprawia obróbka tą metodą duroplastów niż tworzyw termoplastycznych. Duroplasty są kruche i bardzo podatne na pęknięcia, powodują nadmierne zużycie ściernego ostrza skrawającego i zbyt duży wzrost temperatury skrawania, co może doprowadzić do uszkodzenia wewnętrznych wiązań poprzecznych tworzywa.

Dlatego optymalne parametry cięcia duroplastów przy użyciu wyrzynarek brzeszczotowych to duża prędkość skrawania (najlepiej około 500 m/min), średnia prędkość posuwu i właściwy materiał narzędzia tnącego (ostrza węglikowe lub diamentowe).

Obróbka 5D

Obróbka twardych tworzyw była prawdziwym wyzwaniem do czasu zastosowania nowych, rewolucyjnych wręcz dla przemysłu metod cięcia strugą wodną i cięcia laserem. Całkowicie zmieniły one sytuację wytwórców masowo obrabiających duroplasty i supertwarde kompozyty. Obie metody sterowane są dziś komputerowo, co pozwala na natychmiastowe implementowanie nowych programów i projektów. Ponadto obie technologie przechodzą na etap obróbki 5D, a to stwarza kolejne ciekawe możliwości.