Małe i średnie przedsiębiorstwa trudniące się obróbką metalowych komponentów w procesach toczenia lub frezowania na ogół nie mają problemów z dostosowaniem narzędzi i parametrów do specyfiki obrabianych detali. Nie zawsze jednak zamawiane części wykonane są z metali. Jeśli klient sobie tego życzy, a zapowiedziane zyski kompensują ponoszone ryzyko, doświadczeni praktycy podejmują się niekiedy także obróbki mechanicznej komponentów z tworzyw sztucznych, drewna czy nietypowych stopów metalicznych. Nie zawsze jednak zwracają przy tym uwagę, czy zastosowana w procesie maszyna, wiertło bądź frez są przeznaczone do takiego nietypowego zadania. Z reguły taka okazjonalna „wycieczka do świata egzotycznych materiałów” jest niegroźna, a nierzadko umożliwia też poszerzenie horyzontów poznawczych, co z kolei może zapewnić firmie dodatkowe udziały w rynku. Jeśli jednak przedsiębiorstwo decyduje się rozpocząć obróbkę tworzyw wzmacnianych np. włóknem węglowym na skalę przemysłową, wykorzystując fakt, że dziedzina ta – jako bardzo popytowa – może zapewnić mu dodatkowe, wysokie zyski, to nieprofesjonalne obchodzenie się z „karbonem” może szybko przynieść mu wielkie rozczarowanie, a nawet stać się finansową katastrofą.

Krok 1: Specjalne narzędzie obróbcze

Jeśli wiertło lub frez nie są przeznaczone do obróbki CFRP bądź innych kompozytów, prawdopodobnie nie poradzą sobie z formowaniem tych wyjątkowo twardych materiałów. W rezultacie frezowane krawędzie lub brzegi wierconych otworów – na skutek procesu delaminacji, tj. rozwarstwienia włókien w efekcie wyrwania ich z matrycy na granicy strefy obróbczej – wykazują nieregularności wykluczające dopuszczenie ich do użytku. Z reguły konwencjonalne narzędzia obróbcze nie są też na tyle trwałe i stabilne pod względem materiałowym, aby zapewnić stabilną, powtarzalną obróbkę CFRP. W efekcie w trakcie przejścia narzędzie traci na precyzji, a obrabiany detal – na jakości, co stanowi kolejny powód uznania go za brak. Ponadto zwykłe frezy czy wiertła zużywają się zdecydowanie szybciej niż narzędzia dedykowane, co wymusza konieczność ich częstej wymiany lub naprawy.

Przykładem systemu narzędziowego stworzonego z myślą o obróbce CFRP, który sprawdził się w seryjnej produkcji pojazdów, może być rozwiązanie opracowane przez niemiecką firmę Hufschmied Zerspanungssysteme. Jak wyjaśniają jej projektanci, koncepcja narzędzi z serii T-Rex bazuje na zmiennej geometrii ostrza. Dzięki temu łączą one w sobie zalety geometrii frezarki górnowrzecionowej z doskonałymi właściwościami tnącymi frezu trzpieniowego z przeciwstawnymi ostrzami. W zakresie żywotności i prędkości obróbki narzędzia T-Rex są porównywalne z tymi do obróbki stali.

Jak wykazały eksperymenty przeprowadzone na różnych typach wierteł, o poziomie opłacalności obróbki kompozytów decyduje też sam kształt narzędzi. Okazało się, że wiertła o dużym kącie skrętu linii śrubowej i długich krawędziach tnących (małym kącie wierzchołkowym) pozwalają na uzyskanie wyjątkowo dobrych rezultatów obróbki CFRP, ponieważ zapewniają czyste cięcie włókien węglowych bez rozwarstwień. Specjalne narzędzia do obróbki kompozytów warstwowych i materiałów powstałych z połączenia kompozytów z metalami (np. typowych dla samolotów par CFRP-tytan i CFRP-aluminium) opracowała także firma Kennametal. Największym wyzwaniem było w tym przypadku umożliwienie obróbki detalu w jednym przejściu za pomocą jednego narzędzia mimo zmiany obrabianego surowca w trakcie przebijania materiału. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie narzędzi z węglika wolframu z powłoką diamentową. Stworzona w ten sposób linia narzędzi KCN05 obejmuje frezy i wiertła o bardzo szerokim zakresie zastosowań.

Z reguły wiodący producenci narzędzi, tacy jak Mapal (Optimill) czy Sandvik Coromant, mają w swej ofercie także pełen asortyment narzędzi do frezowania i wiercenia CFRP o jakości i trwałości pozwalającej na precyzyjną obróbkę bez rozwarstwień, zadziorów lub pozostałości włókien. Sandvik wprowadził ostatnio na rynek nowe narzędzia do frezowania o nazwie Coromill Plura. Stworzony specjalnie z myślą o obróbce detali z CFRP frez trzpieniowy cechuje się dużą liczbą zębów i specjalną powłoką zapewniającą wysoką prędkość i niezawodną ochronę przed wysokimi temperaturami. Ponadto producent oferuje możliwość wyboru między lewo- a prawoskrętną linią śrubową, co pozwala na kompensację drgań spowodowanych niestabilnym mocowaniem lub zmianą materiału. W efekcie narzędzie sprawdzi się także w obróbce relatywnie cienkich elementów kompozytowych.

Krok 2: Efektywna filtracja zanieczyszczeń

Jeśli parametry obróbki i zalecenia klienta na to pozwalają, należy wybrać narzędzia z chłodzeniem wewnętrznym. Doprowadzany do nich środek smarno-chłodzący nie tylko przedłuży żywotność narzędzia, ale też zwiąże powstające w procesach obróbki CFRP pyły i odprowadzi je ze strefy obróbczej maszyny.

– Brak środka smarno-chłodzącego powoduje, że powstający w procesie obróbki drobny pył o właściwościach abrazyjnych stanowi poważne zagrożenie dla narażonych na jego ekspozycję operatorów maszyn, samej obrabiarki i jakości procesu obróbczego – podkreśla Andreas Gebhardt, kierownik grupy Technologie obróbki i lekkich konstrukcji w Instytucie Technologii Produkcji i Automatyzacji im. Fraunhofera (IPA).

Jak wyjaśnia ekspert, pył ten przenika do pęcherzyków płucnych, a także osiada na ruchomych komponentach maszyn, np. łożyskach wrzeciona czy silnikach elektrycznych, doprowadzając w krótkim czasie do ich uszkodzenia. Dlatego w przypadku obróbki CFRP szczególną uwagę należy zwrócić na efektywną filtrację zanieczyszczeń.

– Filtracja taka przebiega najskuteczniej, gdy maszyna jest w pełni zabudowana, pył zasysany jest przez system filtracji w przestrzeni roboczej obrabiarki, a powstające wióry odprowadzane są przez odciąg zlokalizowany jak najbliżej narzędzia roboczego. Rozwiązanie takie ma jednak tę wadę, że możliwość jego zastosowania jest warunkowana odpowiednią ilością wolnej przestrzeni w strefie roboczej maszyny – wyjaśnia Andreas Gebhardt.

Alternatywą może być filtracja zanieczyszczeń przez kanał biegnący we wnętrzu narzędzia. Takie rozwiązanie jest co prawda wyjątkowo efektywne, ale ze względu na wysokie koszty wdrożenia okazuje się ekonomicznie uzasadnione jedynie w przypadku zastosowań specjalnych. Przy obróbce dużych serii detali z CFRP ciekawą opcją może okazać się również odciąg zamontowany w uchwycie mocującym. Każda z tych metod ma jednak swoje wady, które w mniejszym lub większym stopniu obniżają efektywność procesu filtracji. Dlatego naukowcy z IPA pracują nad nową technologią.

Zespół Andreasa Gebhardta odkrył, że odprowadzanie wiórów i filtracja pyłów procesowych okazują się szczególnie efektywne, gdy maszyna jest w pełni zabudowana, a ruch cząsteczek inicjowany jest i ukierunkowywany przez boczny nadmuch powietrza o objętości 7000 m3/h (ilustracja na stronie obok). Zainstalowany po przeciwnej stronie system odciągowy o wydajności ok. 10 000 m3/h wychwytuje nadlatujące wióry i cząsteczki pyłu ze strefy obróbczej i kieruje je na filtr wstępny. Przefiltrowane wstępnie powietrze procesowe o objętości 3000 m3/h jest następnie transportowane na filtr dokładny i wyprowadzane z układu. Jego część zaś – o objętości 7000 m3/h – trafia ponownie do obiegu jako powietrze nadmuchowe. Powstająca przy tym różnica objętości (między 3000 a 7000 m3/h) jest wyrównywana dzięki doprowadzeniu czystego powietrza z hali. Do zalet tej innowacyjnej strategii należy z jednej strony duża skuteczność ochrony wrażliwych komponentów maszyn, a z drugiej – mniejsze zapotrzebowanie na energię w porównaniu z tradycyjnymi metodami filtracji.

– Testy przeprowadzone na instalacji pilotażowej wykazały, że technologia ta pozwala na uzyskanie ponad 90-procentowej skuteczności filtracji wiórów i pyłu CFRP przy mniejszym o 20% zużyciu energii – mówi Andreas Gebhardt.

Krok 3: Ochrona wrażliwej elektroniki

Źródłem zagrożeń dla człowieka i maszyn jest jednak nie tylko powstający w trakcie obróbki CFRP pył. Jak ostrzegają specjaliści zajmujący się budową szaf sterowniczych i elektroniki, nieuwaga i brak zdefiniowanych warunków brzegowych stabilnej obróbki CFRP mogą prowadzić także do powstania pożarów i dodatkowych kosztów związanych z wymianą urządzeń elektronicznych. Należy o tym pamiętać zwłaszcza wtedy, gdy przetwarzanie CFRP obejmuje nie tylko mechaniczną obróbkę wykończeniową, ale też wytwarzanie gotowych detali z kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym. Cieniutkie, niemal niewidoczne gołym okiem włókna mogą unosić się w halach produkcyjnych jeszcze przez kilka dni, a nawet tygodni po zakończeniu obróbki. Jeśli w tym czasie zostaną wchłonięte do wnętrza systemu przez wentylator komputera lub szafy sterowniczej, mogą wywołać potężne zwarcie, które zniszczy części danego urządzenia czy szafy, a ponadto może spowodować pożar całej instalacji. Jeśli dojdzie do niego pod nieobecność pracowników, np. podczas weekendowej zmiany, jego skutki mogą być katastrofalne.

Według ekspertów zdarzenia takie mają miejsce dosyć często, a ich koszty – choć nieujawniane – są bardzo wysokie. Dlatego przed rozpoczęciem obróbki materiału zawierającego włókna węglowe należy dokładnie zabezpieczyć znajdujące się w pobliżu silniki, sterowniki PLC, elementy układów sterowania, komputery oraz panele HMI i falowniki. Pomóc w tym mogą specjaliści zajmujący się zawodowo tą tematyką, którzy ocenią sytuację na miejscu, doradzą, jakie środki należy podjąć, aby zapewnić maksymalną ochronę urządzeń pracujących w zakładzie, a także pomogą przedsiębiorstwu w tworzeniu strategii ochrony wrażliwych komponentów. Powinna ona uwzględniać dobór odpowiednio zabezpieczonych urządzeń elektronicznych, np. falowników o maksymalnym poziomie ochrony, ekranowanie i specjalne konstrukcje uszczelniające.

Przykładowo firma Siemens oferuje możliwość zabezpieczenia w ten sposób całych szaf sterowniczych już na etapie projektowania urządzenia. Wciąż jednak zabezpieczenia takie nie zostały usystematyzowane, opatentowane ani ustandaryzowane, co wymusza konieczność opracowywania każdorazowo indywidualnych rozwiązań.

Dlatego znawcy tematu radzą, aby dobrze zastanowić się nad zasadnością ponoszonych nakładów finansowych. Koszt inwestycji może bowiem okazać się większy, niż wymagałoby tego zaistniałe ryzyko.

Jeśli jednak zainwestowaliśmy już w dodatkowe zabezpieczenia, musimy pamiętać, aby pod żadnym pozorem nie otwierać szafy sterowniczej w trakcie obróbki niebezpiecznych materiałów. W takim bowiem przypadku nawet najlepsze systemy odciągowe i środki uszczelniające na niewiele się zdadzą.