16 grudnia 2017


Produkując wyroby kompozytowe możemy naśladować naturę, która potrafiła wytworzyć tak doskonałe „kierunkowe” konstrukcje jak np. źdźbło słomy czy pręt bambusa. Kompozytowe tyczki do skoków z włókien węglowych to doskonały przykład takiego naśladownictwa. Własności wyrobu kompozytowego zależą od zastosowanych surowców, jego konstrukcji oraz technologii wytwarzania. Olbrzymie możliwości kształtowania pożądanych własności użytkowych wyrobów kompozytowych tkwią także w umiejętnym opracowaniu ich konstrukcji i doborze właściwych metod wytwarzania.

Urszula Czarnecka-Banaś, Joanna Mrówczyńska

Etap pierwszy – model
O jakości finalnego wyrobu kompozytowego decyduje cały proces jego produkcji, który rozpoczyna się dużo wcześniej, już na etapie wykonania oprzyrządowania. Punktem wyjścia produkcji elementów kompozytowych jest wykonanie modelu. Często jest on pierwszym urzeczywistnieniem wyobrażeń konstruktora, rodzajem pierwotnego, wzorcowego wyrobu. Z drugiej strony wszystkie niedociągnięcia w wykończeniu modelu przenoszą się na formę i dalej na końcowy wyrób kompozytowy. Stąd konieczność dopracowania technologii wykonania, doboru właściwych surowców i precyzyjnego wykonania modelu.
Wzrost zapotrzebowania na produkcję wysokiej jakości modeli w optymalnie najkrótszym czasie spowodował dynamiczny rozwój technologii projektowania oraz produkcji wysokiej jakości surowców oraz oprzyrządowania do wytwarzania tego rodzaju modeli. Proces ten jest szczególnie widoczny w przemyśle jachtowym, lotniczym i kolejowym.
Jeszcze kilka lat temu, wykonanie modelu wiązało się z kilkoma lub kilkunastoma miesiącami prac ręcznych, rzemieślniczych. Obecnie projektanci operują zaawansowanymi zintegrowanymi programami CAD CAM do komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania, a do produkowania modeli wykorzystuje się w pełni kompatybilne, sterowane komputerowo frezarki numeryczne. Na rynku pojawiły się nowe typy frezarek, o bardzo dużych dokładnościach i szerokim polu pracy, zapewniające obróbkę pięcioosiową. Do modeli wielkogabarytowych, o skomplikowanych kształtach, w których wysokie i pionowe ścianki uniemożliwiają obróbkę na maszynach 3-osiowych, stosowane są właśnie frezarki 5-osiowe (fot. 1).

1
Fot. 1

Skrawanie za pomocą maszyny CNC umożliwia szybkie, precyzyjne i powtarzalne wykonanie dowolnych, również bardzo skomplikowanych i złożonych kształtów. Tego typu frezarki wykorzystywane są przy wykonywaniu modeli do termoformowania, laminowania i odlewania. Obrabiają materiały drewnopochodne, żywice, aluminium, materiały kompozytowe i pianki. Z kolei zastosowanie nowoczesnych programów systemów sterowania umożliwia większą dokładność frezowania oraz zwiększoną szybkość obrabiania, przy jednoczesnej minimalizacji błędów obróbki. Tym sposobem możliwości wytwarzania modeli stały się praktycznie nieograniczone.

Materiały modelarskie
Niezwykle istotnym etapem projektowania modeli jest wybór materiału do frezowania. Zastosowanie odpowiedniego surowca wiąże się z kolei z doborem odpowiedniej technologii wykańczania modeli. Większość dużych frezarek CNC umożliwia wykonywanie modeli z materiałów o różnorodnej strukturze i gęstości już od 30 g/dm³ (fot. 2).

2
Fot. 2

Do najczęściej stosowanych materiałów zaliczamy: styropian, płyty poliuretanowe, materiały drewnopochodne np. MDF,  piankę PUR i PVC oraz modelarskie masy epoksydowe, poliuretanowe i poliestrowe.
• MDF
Jednym z najbardziej popularnych materiałów modelarskich do frezowania są płyty MDF. Chociaż jest to tani i łatwo dostępny surowiec, zdecydowanie bardziej nadaje się do wykonywania płaskich modeli o prostych kształtach niż modeli elementów przestrzennych. MDF dostępny jest w arkuszach i w przypadku modeli większych konieczne jest klejenie płyt, a wyprowadzenie śladów po spoinach oznacza większą pracochłonność (fot. 3)

3
Fot. 3

Dodatkową wadą zastosowania płyt MDF jest ciężar właściwy modelu (gęstość MDF od 650 do 850 kg/m³) oraz nasiąkliwość modelu, który wymaga dokładnej impregnacji. Przy zastosowaniu takiego materiału modelarskiego, wystarcza jednokrotne frezowanie, z drugiej jednak strony zwiększa się zużycie narzędzi z uwagi na trudność obróbki na frezarce.
• Pianka PUR
Patrząc pod kątem krótkiego, jednokrotnego frezowania, łatwym do obróbki materiałem modelarskim jest również pianka poliuretanowa. Jednak w przeciwieństwie do MDF-u, pianka jest lekka i łatwo można zmienić wyfrezowane kształty podczas obróbki ręcznej.
Z uwagi na występujące pory, wymaga bardziej pracochłonnej obróbki lakierniczej po frezowaniu, jest też mało odporna na obciążenia. Pianka PUR nadaje się do modeli przestrzennych, ale niewielkich rozmiarów. Dla dużych objętościowo modeli jest to materiał stosunkowo drogi.
• Płyty poliuretanowe (ureolowe)
Lite płyty poliuretanowe to materiał umożliwiający wykonanie modeli o jednorodnej strukturze powierzchni (poza spoinami klejowymi), stabilnych wymiarowo i odpornych na wysokie temperatury, obciążenia i naprężenia. Ponieważ jest dostępny w płytach, a klejenie płyt wiąże się z dodatkową pracą niwelowania śladów po spoinach, wskazany jest bardziej do wykonywania modeli płaskich.
Podobnie jak płyty MDF i pianka PUR, również płyty ureolowe wymagają tylko jednokrotnego frezowania. Jednym z nielicznych minusów tego materiału jest wysoka cena.
• Modelarskie pasty poliuretanowe i poliestrowe
Dość często stosowanym materiałem modelarskim są pasty poliuretanowe i poliestrowe. Przy modelach dużych powierzchniowo, stają się one stosunkowo tanim rozwiązaniem, gdyż większą część objętości modelu stanowi tani rdzeń (np. styropianowy), pokryty cienką warstwą pasty (fot. 4).

Fot. 4
Fot. 4