Najczęściej wykorzystywane tworzywa sztuczne w obróbce CNC – przewodnik dla inżynierów

Jak wybrać tworzywo sztuczne do frezowania CNC?

Najpierw określ obciążenia mechaniczne, termiczne i środowisko pracy, a dopiero potem dopasuj polimer i jego modyfikację.
Dobór materiału zaczyna się od wymagań: sztywność, odporność na zużycie, stabilność wymiarowa, temperatura, media chemiczne i koszt cyklu życia. Do precyzyjnych elementów sprawdza się POM i PET. Do ślizgów i przekładni dobre są POM, PA oraz PE-UHMW. Gdy liczy się przejrzystość, wybiera się PMMA lub PC. Do wysokich temperatur i agresywnych mediów służą PEEK, PPS i PTFE. Warto brać pod uwagę absorpcję wilgoci, skłonność do pełzania oraz możliwość modyfikacji dodatkami, na przykład włóknem szklanym lub dwusiarczkiem molibdenu.

Jak porównać właściwości mechaniczne typowych materiałów?

Porównuj moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie, udarność, tarcie, pełzanie i chłonność wilgoci.
Punkty orientacyjne dla popularnych polimerów obrabianych CNC:

• POM (polioksymetylen): sztywny, niski współczynnik tarcia, dobra stabilność wymiarowa. Niska chłonność wilgoci.
• PET (poliester PET): sztywny i stabilny wymiarowo. Lepszy od PA w precyzyjnych elementach.
• PA6/PA66 (poliamid): wytrzymały i odporny na udar, ale chłonie wodę, co zmienia wymiary i własności.
• PE-UHMW: bardzo niski współczynnik tarcia i wysoka odporność na ścieranie. Miękki i podatny na odkształcenia.
• PTFE: najniższe tarcie i znakomita odporność chemiczna. Niska sztywność, pełzanie pod obciążeniem.
• PEEK: wysoka sztywność i wytrzymałość także w podwyższonej temperaturze. Dobra odporność ścierna.
• PC (poliwęglan): wysoka udarność, dobra przejrzystość. Wrażliwy na wiele rozpuszczalników.
• PMMA (akryl): bardzo dobra przejrzystość i polerowalność. Kruchszy niż PC.
• ABS: łatwy w obróbce, przyzwoita udarność. Do elementów ogólnego przeznaczenia.
• PVC twardy: stabilny i chemicznie odporny w wielu środowiskach. Umiarkowana temperatura pracy.
• PP: lekki, chemicznie odporny, umiarkowanie sztywny. Może pełzać pod obciążeniem.

Które polimery najlepiej znoszą obciążenia termiczne i chemiczne?

Do wysokich temperatur i mediów chemicznych wybieraj PEEK, PPS i PTFE.
PEEK pracuje stabilnie w podwyższonych temperaturach (typowo do około 250°C) i wykazuje dobrą odporność na oleje, paliwa oraz wiele chemikaliów. PTFE ma bardzo szeroką odporność chemiczną i wysoką temperaturę pracy, lecz jest miękki. PPS łączy odporność termiczną z dobrą stabilnością wymiarową. PET i POM radzą sobie w umiarkowanej temperaturze. PA traci sztywność po wchłonięciu wilgoci, ale jest odporny na wiele olejów. PC i PMMA źle znoszą rozpuszczalniki aromatyczne i niektóre alkohole, warto uwzględnić ryzyko naprężeń i pęknięć naprężeniowych.

Jak zoptymalizować narzędzia i parametry skrawania dla plastiku?

Użyj ostrych narzędzi z dodatnim kątem natarcia, zapewnij sprawne odprowadzanie wióra i kontroluj ciepło.
Dobre praktyki:

• Frezowanie: frezy węglikowe z polerowanymi rowkami. Przy materiałach miękkich i lepkich sprawdzają się frezy jedno- lub dwuostrzowe z dużą przestrzenią na wiór.
• Toczenie: płytki o dodatnim kącie i dużym luzie. Mała szerokość skrawania ogranicza nagrzewanie.
• Wiercenie: wiertła do plastiku z większym kątem wierzchołkowym i polerowanymi kanałami. Stosuj wycofywanie dla ewakuacji wióra.
• Posuw dobieraj tak, by wiór był ciągły i nie dochodziło do tarcia na ostrzu. Gdy tworzywo się topi, zwiększ posuw lub obniż obroty.
• Chłodzenie powietrzem lub mgłą minimalną. Dla PMMA i PC chłodzenie stabilizuje krawędzie i zmniejsza ryzyko spękań.
• Unikaj ponownego przecinania wiórów. Stosuj wydajną dmuchawę lub odsysanie.

Jakie tolerancje i wykończenie są możliwe przy obróbce CNC?

Typowe tolerancje dla tworzyw mieszczą się w zakresie od kilkusetnych do dziesiątych milimetra, zależnie od materiału, gabarytu i geometrii.
POM, PET i PEEK pozwalają zwykle osiągać ciaśniejsze tolerancje niż PA czy PE-UHMW. Grube ścianki i długie cienkie elementy pogarszają stabilność wymiarową. Powierzchnia “as-machined” bywa wystarczająca dla części technicznych. PMMA i PC wymagają ostrych narzędzi i równych parametrów dla dobrej przejrzystości. Efekt optyczny poprawia polerowanie mechaniczne; dla PMMA dopuszczalne jest polerowanie płomieniowe, natomiast dla PC wybierać metody mechaniczne i dobry dobór parametrów obróbki cnc. Dla par ślizgowych często wystarcza chropowatość w niskim zakresie, a delikatna tekstura sprzyja zatrzymaniu filmu smarnego. Obróbka wieloosiowa i kontrola w procesie ułatwiają utrzymanie powtarzalności także przy złożonych kształtach. Możliwość frezowania 5-osiowego oraz duże pola robocze pozwalają obrabiać większe płyty i skomplikowane bryły w jednym mocowaniu.

Jak ograniczyć nadlewanie i deformacje przy obróbce plastiku?

Minimalizuj ciepło, podpieraj detal i planuj stopniowe zbieranie naddatku.
Praktyczne wskazówki:

• Zostaw niewielki naddatek na wykończenie, wykonaj przejście wykańczające z chłodniejszymi parametrami.
• Stosuj frezowanie współbieżne dla czystej krawędzi i mniejszego rozmazywania materiału.
• Zwiększ posuw przy zbyt dużym tarciu, zmniejsz obroty w materiałach lepkich.
• Zapewnij równomierne podparcie i lekkie podciśnienie lub dedykowane przyrządy. Ograniczy to wyginanie cienkich ścian.
• Przerwy technologiczne między przejściami pozwalają odprowadzić ciepło.
• Rozważ wyżarzanie odprężające PMMA i PC przed i po obróbce. Dla PA uwzględnij kondycjonowanie wilgocią.

Jak dobierać materiały do części obciążonych ścieraniem i poślizgiem?

Łącz niski współczynnik tarcia z odpowiednią nośnością i stabilnością wymiarową.
Do prowadnic i ślizgów o niskich prędkościach dobre są PE-UHMW i POM. Do kół zębatych sprawdza się POM i PA, często z dodatkiem dwusiarczku molibdenu lub smaru stałego. PET oferuje stabilność wymiarową w precyzyjnych łożyskach ślizgowych. Przy wysokiej temperaturze i większym nacisku wybierz PEEK, także w wersjach wypełnianych węglem lub grafitem. Pary trące projektuj jako komplet. Jakość i twardość przeciwbieżnej powierzchni, chropowatość oraz smarowanie decydują o trwałości. Pamiętaj o limicie PV, czyli iloczynie nacisku i prędkości poślizgu, który określa bezpieczny obszar pracy danego materiału.

Jak przygotować prototypy polimerowe do testów funkcjonalnych?

Stosuj próbki z tej samej klasy materiału i w tych samych warunkach, w jakich będzie pracować część seryjna.
Dobre praktyki przygotowania:

• Używaj tego samego gatunku i wypełnień co w docelowej produkcji.
• Zachowaj te same grubości ścian i kierunki włókien w materiałach wzmocnionych.
• Dla PA wykonaj kondycjonowanie wilgocią zgodnie z planem testów. Dla PMMA i PC rozważ wyżarzanie.
• Testuj w docelowej temperaturze i w kontakcie z rzeczywistymi mediami.
• Zastosuj identyczne wkładki, gwinty i elementy montażowe, na przykład wkładki wgrzewane.
• Rejestruj parametry obróbki i partię materiału, aby móc odtworzyć wynik.

Podsumowanie

Świadomy dobór polimeru i procesu skrawania skraca iteracje i zmniejsza ryzyko zmian w końcówce projektu. Dzięki właściwym narzędziom, chłodzeniu i kontroli naprężeń tworzywa dają precyzyjne, powtarzalne części. Doświadczenie produkcyjne i system jakości pomagają przełożyć to na stabilny proces oraz przewidywalne testy.

Skonsultuj projekt i skróć czas wdrożenia!