Раскрой и резка карбона — что для этого необходимо?

Как режут композитные материалы и что подразумевается под качеством обработки углепластиков?

Оценка качества обработки карбона — процесс непростой, поскольку:

• шероховатость не имеет большого значения;

• не всегда бывает заметно расслоение;

• отсутствует стружка, по которой можно оценить качество.

Конечно, сколы заметить проще, а вот разделение слоев (деламинация), возникающее вследствие большого приложения осевой силы, может быть вполне себе скрыто от невооруженного глаза.

Плохое же качество краев и отверстий всегда требует дополнительной обработки, что тоже нельзя назвать простым и дешевым процессом, и это значительно тормозит производительность.

Почему вообще эта тема так актуальна?

Сегодня материалы для создания изделий из углепластиков найти несложно, как и связующие вещества для них. Многие любители пытаются (и часто даже успешно) делать всё кустарным способом буквально у себя в гараже. Но одно дело, когда речь идет о простых деталях, используемых как декор, и совсем другая история — высоконагруженные части любых конструкций. Плохое качество резки и обработки снижает характеристики карбона гораздо более фатально, нежели подобные операции с деталями из металлов.

Безусловно, можно было бы позволить себе экспериментировать и оттачивать мастерство — если бы не высокая стоимость сырья. Именно поэтому для надежности лучше обратиться в Carbon Composites, где вам гарантируют высокое качество и резки, и обработки.

Общие трудности процесса обработки карбона

В первую очередь они заключаются в хрупкой структуре композитов. Именно поэтому легко вызвать деламинацию и получить края с рваными волокнами. Сами же волокна имеют высокую абразивность из-за своей твердости, что также накладывает на обработку определенные условия.

В связи с этим тут крайне важен правильный подход к выбору инструмента — из-за дороговизны повторных обработок. Также, чтобы сохранить все свойства углепластика, к выбору технологии резки тоже подходят очень внимательно и профессионально.

Современные технологии резки композитных материалов в общем
и карбона в частности. ЧПУ или вручную?

Несмотря на то, что станки с ЧПУ способны обеспечивать идеальную точность, доля ручного труда в этом нелегком процессе тоже присутствует. И можно догадаться, что это требует отличных навыков и опыта. Но чаще всего подобные операции всё же доверяют станкам, особенно когда речь идет о таких отраслях промышленности, как авиастроение, машиностроение, космическая отрасль и прочие подобные.

Однако это не говорит о том, что человеческий фактор в таких случаях не особо важен, поскольку именно профессионал:

• подберет технологию, параметры и инструмент с учетом особенностей материала;

• проконтролирует процесс и проследит за качеством.

Некоторые общие особенности процесса резки композитов

1) Анизотропные свойства материала, которые требуют многофакторного подхода к процессу резки.

В отличие от металлов, имеющих кристаллическое строение, композитные материалы с волокнистыми наполнителями разного состава обладают анизотропией свойств. Поэтому процесс резки металлов и углепластиков сильно различается.

2) Трудности с получением поверхности высокого качества.

Одним из главных условий является качество режущего инструмента. При несоблюдении этих требований с увеличением нагрузки при резке будут образовываться трещины между волокном и связующим, образуя слоистую структуру.

3) Малая теплопроводность композитов, которая создает трудности с отводом тепла во время резки.

С металлами в данном случае работать проще, так как во время резки металла лишь 10 % теплоты поглощается инструментом и деталью, тогда как остальное количество уходит со стружкой. У карбона всё как раз наоборот, да и стружки как таковой нет, и это накладывает определенные требования к отводу тепла в зоне резки.

4) Твердый наполнитель.

Определенные типы наполнителя могут иметь твердость, превосходящую твердость быстрорежущих сталей и сверхтвердых сплавов. По этой причине для резки, как правило, используют инструмент с алмазным покрытием режущих кромок.

5) Абразивность волокон.

Используемые в углепластиках волокна имеют высокую абразивность, что вызывает быстрый износ инструмента.

6) Деструкция связующего вещества во время резки.

Это происходит вследствие воздействия в местах резки высоких локальных напряжений и температуры, которая значительно превышает показатели теплостойкости полимера. Под таким воздействием массово начинается разрушение химических связей молекулярных цепочек полимеров, что ведет к образованию свободных макрорадикалов с избыточной энергией. Всё это чревато образованием (правда, в микрообъемах) вязко-текучего полимера, который, тем не менее, является поверхностно-активным веществом, мигрирующим по площади механически напряженного разрезающего клина инструмента, включая все его имеющиеся дефекты. Это ведет к снижению поверхностной энергии металла, упрощается отрыв макро- и микрочастиц от поверхности. Результат — характерный механо-химический адсорбционный износ режущего инструмента.

7) Малая теплостойкость композитных материалов, а именно связующих, которая, за некоторым исключением, находится в диапазоне 160-300 °С.

Когда во время резки температура начинает превышать установленный порог, запускается процесс выгорания связующего (термодеструкция), образуя на поверхности прижоги. Проблема может усложниться, если возникло недопустимое по технологии использование смазочно-охлаждающей жидкости. Известная способность углепластиков поглощать жидкости приводит к дополнительной технологической операции — сушке изделия, что может сказываться на удорожании.

8) И еще одна проблема резки карбона заключается в образующейся специфической стружке, которая имеет настолько мелкодисперсную структуру, что может стать серьезной угрозой здоровью человека. Это накладывает определенные требования и на методы ее удаления, и на технику безопасности для человека. Кроме этого во время резки выделяются мелкие частицы наполнителя со связующим веществом, а также летучие и часто токсичные вещества, что также должно учитываться правилами техники безопасности и санитарными требованиями на предприятии.

Эти основные особенности вносят много дополнительных технологических требований в отличие от похожего процесса резки металлов.

Методы резки

К механической (лезвийной) обработке карбона относят фрезеровку, сверление, строгание, точение и прочие типы воздействия инструментами, но мы рассмотрим только самые основные: фрезеровку и сверление.

Фрезеровка углепластиков

Данная технология немного выходит за рамки только резки. Под фрезеровкой подразумевают также придание детали некоторых функциональных характеристик.

Осуществляется такая резка при помощи станка с ЧПУ, обеспечивающего высочайшую точность. А непосредственно от мастера зависит выбор фрезы, ввод правильных параметров и, конечно, контроль за процессом.

Преимущество технологии фрезеровки композитов — в отсутствии острых заусенцев, нагара и возможности для дальнейшей шлифовки, создания фактуры и гравировки. Кроме того, она позволяет создавать детали из очень тонких заготовок — буквально не более 1 мм.

Виды фрезерования:

• фасонное, используемое для создания фигурных деталей;

• торцевое, применяемое в качестве предварительного этапа фигурной фрезеровки;

• концевое, которое применяется в случаях, когда требуется получить объемные выступы, углубления и т. п. элементы.

Для чего используются технологии фрезерования?

Полный список изделий, для деталей которых используют фрезерование, составить невозможно, поскольку он слишком велик. Автотюнинг, спортивный инвентарь, снаряжение для рыбалки и альпинизма, архитектура, реклама и прочие области народного хозяйства, куда карбон уже активно и надолго внедрился, — лишь основной перечень, причем без подробностей.

Сверление отверстий

Казалось бы, современные электрофизико-химические и прочие прогрессивные методы обработки материалов должны бы уже отправить в историю классическую механическую обработку. Однако, что касается композитов, а точнее, их свойств, следует сказать, что не все современные методы подходят для его резки и обработки. По этой причине всё внимание и было направлено на создание идеальных инструментов.

Тем не менее, на сегодняшний день нет одного универсального инструмента на все случаи жизни, да и быть не может, поскольку уж слишком много для этого вариантов и составов композитных материалов.

Это — еще одна причина обратиться за услугой создания и обработки деталей из углепластика к профессионалам из Carbon Composites, поскольку они оперируют научно обоснованным подходом к выбору инструмента и способны разработать алгоритмы для решения самых разных технологических задач.

Преимущества любой лезвийной обработки (и фрезеровки, и сверления, и других) заключаются в достаточно высокой точности обработки и достижении низкой шероховатости поверхностей.

Недостатки метода — в крайне низкой стойкости режущих инструментов. Любой их дефект (даже незначительный) чреват расслоением карбона, вырыванием волокон, увеличением температуры в области резки, приводящим к деструкции матрицы материала.

Гидроабразивная обработка

Суть технологии — в воздействии посредством струи воды, смешанной с абразивным материалом, которая подается под высоким давлением с большой скоростью. Применяется метод, как правило, для прочных, трудно разрезаемых материалов, куда входят и композитные. Данный метод не вызывает повышение температуры в зоне реза, поэтому не приводит к оплавлению краев.

Технология дает возможность производить детали сложных форм из многослойных композитов и является безопасной для здоровья человека и окружающей среды.

Преимущества гидроабразивной резки — в большой производительности и возможностях резки материала большой толщины до 20–30 см в зависимости от плотности. Кроме этого, технология не приводит к повышению температуры и деструкции матрицы.

Недостатки связаны с высоким водопоглощением, что ведет к удорожанию технологического процесса, поскольку требуется сушка деталей. Кроме этого, метод характерен большой шероховатостью поверхности.

Лазерная резка

Лазерные технологии позволяют проводить большой список технологических операций по обработке углепластиков и других композитных материалов — и это не только резка деталей со сложными контурами. Также лазерные технологии позволяют качественно сверлить отверстия, сваривать, а также проводить операции по гравировке, наплавке и закалке.

С помощью лазерного программно управляемого луча в месте разреза концентрируется высокая энергия, способная сделать разрез материала практически любой толщины, независимо от состава. Поэтому (и не только) данная технология раскроя является наиболее прогрессивной, особенно когда речь идет о серийном производстве.

Гравировка с помощью данной технологии тоже позволяет очень точно сфокусировать луч, задав определенную глубину.

Преимущества технологии в том, что она обеспечивает наиболее высокую точность обработки без каких-либо ограничений по форме и размерам.

Недостатки сводятся к деструкции матрицы вследствие высокой температуры и к выделению в процессе резки пыли и дыма в окружающую атмосферу.

Ультразвуковая обработка

Вообще технология ультразвуковой резки применяется к целому ряду специфических материалов, придавая им сложные формы с точными срезами и практически без сколов или других дефектов. Такому типу резки подвергаются как твердые, так и очень хрупкие детали, включая такие труднообрабатываемые, как композитные материалы.

Также технология не создает шума, не оставляет стружки и оплавленных краев, не сопровождается выделением дыма или ядовитого газа, а также не связана с влагой, что бывает принципиально при резке карбона. А по стоимости данный метод составляет неплохую альтернативу гидроабразивной и лазерной резке.

Резка происходит под воздействием ультразвуковых вибраций на режущий наконечник, что до минимума снижает силу трения. Но в зависимости от рабочей частоты может возникнуть необходимость в оборудовании звукоизоляции.

Преимущества метода заключаются в точности обработки, малых показателях шероховатости и расслоения.

К недостаткам относят малую производительность и быстрый износ режущего инструмента.

За более подробными разъяснениями относительно каждого из методов резки, а также общих свойств углепластиков вы всегда можете обратиться к нам в Carbon Composites.