Nie tylko branża lotnicza, przemysł samochodowy czy transport kołowy i szynowy w zaawansowanym stopniu korzystają dziś z kompozytów – korzyści z ich stosowania odkryła też m.in. branża zbrojeniowa (osłony balistyczne, pociski), sportowa (łodzie, narty, rowery itd.), medyczna i budownictwo. Nieprzypadkowo kompozyty określa się mianem „materiałów przyszłości”. Co roku na targach Kompozyt Expo wystawcy z całego świata prezentują innowacyjne wykorzystanie tych tworzyw w wielu sektorach. W ubiegłym roku były to m.in. węglowe kule ortopedyczne, umywalka z syntetycznego granitu oraz łopata wiatraka. W tym roku w centrum uwagi jest sprzęt sportowy, do którego produkcji użyto właśnie materiałów kompozytowych. W ostatniej dekadzie obserwowany jest stabilny wzrost ich zastosowania w Europie – szczególnie podkreśla się ich rolę w rozwoju motoryzacji, budownictwa, przemysłu lotniczego, sportowego i rekreacyjnego oraz w produktach elektronicznych.

Kompozyt składa się z dwóch lub większej liczby komponentów, co pozwala uzyskać materiał o nowych – lepszych w stosunku do każdego komponentu z osobna – właściwościach i parametrach: m.in. niskiej wadze struktury, wysokich współczynnikach rozciągania, odporności na udary czy sztywności konstrukcji.

Wyróżnia się kilka rodzajów kompozytów, w tym np. strukturalne (m.in. sklejka i żelbet), laminaty (np. pykret), mikrokompozyty i nanokompozyty. Właściwości tych tworzyw nierzadko utrudniają ich obróbkę. Niektóre kompozyty są twarde i sztywne jak stal, inne elastyczne jak guma, zachowujące odporność na duże naprężenia. Ich cięcie zatem, szczególnie przy użyciu konwencjonalnych metod, wymaga innego podejścia niż np. cięcie ceramiki lub metalu. Ręczne strugi z diamentów bądź węglików spiekanych, piły taśmowe i tarcze ścierne powodują bowiem uszkodzenie materiału na skutek rozgrzania albo postrzępienie bądź rozwarstwienie krawędzi. W dodatku proces ten jest bardzo powolny i kosztowny. Techniki używane do cięcia granitu i tytanu mogą z kolei zmniejszyć wytrzymałość kompozytu, a nawet spowodować jego rozwarstwienie. Do cięcia materiałów kompozytowych należy więc stosować specjalne maszyny, które pozwalają uzyskać większą dokładność.

Precyzyjne i ekologiczne cięcie wodą
W przypadku materiałów kruchych szczególnie polecane jest cięcie strumieniem wody, które umożliwia pracę na elementach o grubości nawet do 300 mm. Metoda ta jest bezpieczna dla środowiska, nie powoduje bowiem powstawania szkodliwych pyłów i oparów. Do minimum zmniejszona jest też ilość odpadów, ponadto zużyte ścierniwo i drobinki ciętego materiału zbierają się na dnie zbiornika z wodą, co ułatwia ich wywóz na wysypisko komunalne. Wykorzystana woda trafia natomiast do kanalizacji lub może być odzyskana (dzięki stosowaniu obiegu zamkniętego).

Obrabiane materiały cechują się tu wyjątkowo wysoką jakością. Cięcie wodą jest bowiem bardzo precyzyjne i nie pozostawia nierównych krawędzi i zadziorów, które wymagałyby dodatkowej obróbki. Wycinanie strumieniem wody nie naraża też kompozytu na działanie wysokiej temperatury (wynosi ona tylko 40˚C), nacisk mechaniczny czy wpływ substancji chemicznych. Wycinany materiał nie zmienia więc w toku procesu swoich właściwości.

Dzięki prostemu i inteligentnemu oprogramowaniu proces cięcia automatycznego wymaga tylko minimalnego przygotowania, podobnie zredukowane są przestoje w celu wymiany uszczelnienia. Co ważne, także głowice tnące nie wymagają wymiany podczas produkcji, do wszystkich bowiem zastosowań wykorzystuje się tę samą głowicę. Nie ma tu również potrzeby ostrzenia narzędzi i można bezpośrednio przebijać materiał, bez wstępnego nawiercania. Technologia waterjet w połączeniu z oprogramowaniem CNC umożliwia realizację zarówno jednostkowych zamówień, jak i w skali makro.

Wadą technologii cięcia wodą jest to, że wykorzystuje się ją jedynie do obróbki płaskich powierzchni materiałów, co wynika z konstrukcji maszyny i stołu roboczego. Nie ma też możliwości skorygowania cięcia, ponieważ wykonywane jest ono przez całą grubość materiału. Trudno też ciąć wodą kompozyty, w których bardzo miękkie warstwy połączone są z twardymi. W takim przypadku materiał należy położyć twardszą warstwą do góry, ponieważ w odwrotnej sytuacji po przejściu przez górną, miękką warstwę strumień może odbić się od twardszego materiału, penetrując materiał nad nim.

Laser nigdy się nie zużywa
Kompozyty z włóknem węglowym, cenione za wytrzymałość i niewielki ciężar, stanowią duże wyzwanie dla obróbki. W przypadku cięcia strumieniem wody ścierniwo może nieznacznie uszkodzić krawędź cięcia kompozytu lub sprawić, że będzie wilgotna, w wyniku czego może dojść do oderwania włókien węglowych od matrycy. Tego typu kompozyty najlepiej więc ciąć laserem – stanowi on precyzyjny, powtarzalny i wysoko wydajny rodzaj obróbki. Laser pracuje bezdotykowo, dzięki czemu nie obciąża mechanicznie obrabianego przedmiotu. Można więc nim modelować bardzo cienkie i filigranowe części. Promień lasera dociera także do trudno dostępnych obszarów.

Kolejne zalety lasera to praca tylko na wyznaczonym obszarze oraz gładkie i czyste cięcie, bez przypaleń i wystających włókien, dzięki czemu nie jest konieczna dodatkowa obróbka. Co ważne, laser nigdy się nie zużywa i pozwala osiągnąć powtarzalne rezultaty. Nie dziwi więc, że ze względu na szybki proces cięcia oraz wolną od tarcia i bezdotykową pracę powoli staje się standardowym narzędziem w obróbce materiałów z tworzyw wzmacnianych włóknem. Nie ogranicza go kształt ani powierzchnia przedmiotu, ponieważ laser podąża dokładnie za jego geometrią.

Oferta systemów laserowych do cięcia kompozytów jest bardzo bogata – producenci proponują szeroki zakres rozmiarów stołów roboczych, które można dostosowywać do wielu formatów materiałów. W celu optymalizacji procesu cięcia opracowywane są też specjalne konstrukcje stołów i wprowadza się wiele funkcji automatycznych. Laser zalecany jest do cięcia materiałów kompozytowych o grubości 1–8 mm; powyżej tej wartości lepsze rozwiązanie stanowi cięcie strumieniem wody.

Nie tylko woda i laser
Z roku na rok zwiększa się oferta nie tylko maszyn do cięcia wodą lub laserem, lecz także cutterów i tnących ploterów. Stanowią one alternatywę dla ręcznej obróbki, ponieważ są szybsze i bardziej dokładne. Pozwalają więc lepiej wykorzystywać i optymalizować rozkrój nietaniego surowca. Dzięki cutterom można zyskać oszczędności rzędu nawet 10%. Praca takiego urządzenia opiera się na realizacji komend zawartych w tzw. pliku cięcia. Rola osoby obsługującej polega tu w głównej mierze na wprowadzeniu materiału, doborze parametrów maszyny i na ogólnym nadzorze pracy. Cuttery, dzięki wymiennym narzędziom, stanowią bardzo uniwersalne maszyny. Ich przezbrojenie trwa krótko. Są proste w obsłudze oraz tanie w eksploatacji – jej koszty obejmują głównie (poza energią elektryczną) cenę wymiany noży, które się tępią. Choć nie jest to duży wydatek, to konieczność częstej ich wymiany wskazuje się jako wadę tego rozwiązania. Cięcie przy użyciu cuttera może też prowadzić do rozwarstwień i strzępienia krawędzi, a proces obróbki nie jest tak szybki jak przy zastosowaniu lasera lub strumienia wody.

Do cięcia kompozytów wciąż wykorzystywane są też ręczne metody, m.in. ręczne strugi z diamentów lub węglików spiekanych, piły taśmowe, nożyce i obcinarki. Najczęściej stosuje się je w przypadku produkcji jednostkowej lub małoseryjnej. Są popularne ze względu na niski koszt używanego sprzętu oraz łatwość obsługi. Niestety nie zawsze się sprawdzają – przy użyciu np. małych pił tarczowych lub zwykłych piłek do metalu można przyciąć materiał z dość dużą dokładnością, jednak wymaga on dodatkowej obróbki, np. pilnikiem lub papierem ściernym. Do wad rozwiązań ręcznych należy też duży hałas generowany podczas pracy (w przypadku pił tarczowych) oraz zapylenie (w przypadku piłki do metalu). Stosowane z kolei do cięcia np. laminatu nożyce do blachy lub gilotyna dają zadowalające efekty, jednak wymagają dużej siły i precyzji. Ręczne sposoby cięcia są również w porównaniu do cięcia wodą lub laserem bardzo powolne. Z tego względu poleca się je tylko w przypadku obróbki pojedynczych elementów.