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.
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).
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).
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).
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).
Oznacza to jednak konieczność dwukrotnego frezowania i dłuższy czas skrawania. Pasty nakłada się przy użyciu specjalistycznych maszyn. Niewątpliwą wadą tych materiałów jest wysoki pik egzotermiczny (konieczność nakładania w kilku warstwach) w przypadku past poliestrowych oraz wrażliwość na wilgoć w przypadku past poliuretanowych.
Niskoskurczowe pasty epoksydowe
Również w przypadku past epoksydowych na model nakłada się jedynie cienką warstwę pasty, podczas gdy reszta objętości wypełniona jest przez tani rdzeń. Tak przygotowany model ma jednorodną strukturę powierzchni, jest stosunkowo lekki i odporny na naprężenia i obciążenia. Pasta epoksydowa jest prosta w aplikacji, a z uwagi na niski pik egzotermiczny, można nakładać warstwę do 40 mm grubości. Najważniejszą zaletą budowy modeli z zastosowaniem pasty epoksydowej jest niski skurcz i stabilność wymiarowa.
Modele skorupowe
Najbardziej unikatową technologią wykonywania modeli z zastosowaniem sterowanych komputerowo frezarek numerycznych jest metoda skorupowa. Przy tego typu modelach frezowanie następuje dwufazowo. Pierwsza faza obejmuje frezowanie wstępne podwymiarowego rdzenia modelu w polistyrenie lub styropianie (Fot. 5), a następnie nałożenie na rdzeń pasty epoksydowej na właściwą grubość (Fot. 6). Druga faza to finalne frezowanie właściwej powierzchni modelu (Fot. 7).
W przypadku modeli elementów wielkogabarytowych wskazane jest zastosowanie jako rdzenia styropianu o dużej odporności na siły ściskające. Podczas laminowania, pod wpływem skurczu, formy zaciskają się na modelu. Zastosowanie pasty epoksydowej gwarantuje stabilność wymiarów i znikomy skurcz. Wartymi podkreślenia zaletami past epoksydowych są również ich własności tiksotropowe, dzięki którym, po nałożeniu nawet grubej warstwy na pionową powierzchnię, pasta nie spływa.
Przy wyborze pasty pod rozwagę należy wziąć takie właściwości jak odporność temperaturowa (Tg), twardość, wytrzymałość na ściskanie, obrabialność (zarówno na frezarce, jak i ręcznie), skurcz oraz cena. Często właśnie ten ostatni aspekt, czyli koszt zakupu, zniechęca do zastosowania past epoksydowych. Choć w porównaniu z innymi materiałami modelarskimi, jest to drogi surowiec, nie sposób jednak przecenić zalet jego zastosowania (Fot. 8).
Zakładając prawidłowo wykonany proces skrawania na frezarce numerycznej oraz odpowiednią obróbkę wykańczającą, efektem finalnym jest prawie gotowy model przeznaczony bezpośrednio do lakierowania. Istotnym punktem w produkcji modeli jest uzyskanie idealnie gładkiej powierzchni o dużym połysku oraz odpornej chemicznie (odporność na rozdzielacze oraz styren) (Fot. 9).
W ostatnim czasie pojawiały się na rynku nowe systemy wykończeniowe, dzięki którym można uzyskać idealną powierzchnię przygotowaną pod produkcję form. Są to tzw. lakiery poliestrowe (dwuskładnikowe systemy poliestrowe). Tego rodzaju materiały charakteryzują się wysoką odpornością na różne chemikalia, łatwością w nakładaniu, doskonałą odpornością na zarysowania, wysokim połyskiem i dobrą przyczepnością do powierzchni drewnianych, MDF, PUR, poliestrów i epoksydów (Fot. 10).
Produkcja modeli skorupowych umożliwia wykonanie niezwykle precyzyjnych modeli o złożonych kształtach, także wielkogabarytowych, w nieporównywalnie, do metody tradycyjnej, krótkim czasie. Wieloletnie doświadczenie naszej firmy wskazało na technologię wykonywania modeli skorupowych z pasty epoksydowej, z zastosowaniem frezarki CNC 5-osiowej, jako najkorzystniejsze w produkcji dużych modeli o skomplikowanych, złożonych kształtach. Frezowanie na pięcioosiowych frezarkach umożliwia wykonywanie modeli o bardzo różnych stopniach gładkości, w tym także powierzchni bardzo gładkich, bezpośrednio przeznaczonych do lakierowania. Niezwykle wysoka dokładność frezowania umożliwia wykonywanie modeli wieloczęściowych, a więc modeli o praktycznie nieograniczonych gabarytach (Fot. 11, 12).
Chcąc skorzystać w pełni z możliwości maszyny skrawającej, najkorzystniejszym rozwiązaniem wydaje się właśnie zastosowanie technologii modeli skorupowych, w których wierzchnią, obrabianą warstwę stanowi pasta epoksydowa. Modele skorupowe wykonuje się dla wyrobów o dużych rozmiarach, na przykład w motoryzacji (konstrukcje karoseryjne), w przemyśle szynowym (modele ścian frontowych tramwajów i pociągów), w szkutnictwie (kadłuby i pokłady łodzi). Możliwe jest też frezowanie gotowych makiet, na przykład dla potrzeb reklamy.
Urszula Czarnecka-Banaś
Joanna Mrówczyńska
BELLA Zakład Kompozytów
artykuł pochodzi z wydania 5 (56) maj 2012
