Page 1

kwartalnik techniczno-informacyjny l ISSN 2084-1949 l cena 25,00 zł l (31) rok VIII l kwiecień/maj/czerwiec l nr 2/2019


SPIS TREŚCI PRZEGLĄD RYNKU

3

9

58

INDUSTRYmeeting 2019 – nowa odsłona targów; Utrzymanie Ruchu i Technologie Przemysłowe w Expo Silesia Przyszłością są bezzałogowe samoloty pasażerskie; Nowoczesne materiały pozwalają obniżyć wagę samolotów, obniżając koszty przelotów TOOLEX – narzędzie biznesowego sukcesu; 1–3 października 2019, Centrum Targowo – Konferencyjne Expo Silesia, Sosnowiec

TEMAT NUMERU – OBRÓBKA I CIĘCIE KOMPOZYTÓW

4 6

Obróbka i cięcie kompozytów – zestawienie wybranych firm FANUM – polskie maszyny CNC do obróbki tworzyw sztucznych i kompozytów 10 Mocne strony kompozytów i nie tylko 11 Zużycie ostrza po obróbce wykończeniowej powłok kompozytowych 16 Obróbka materiałów kompozytowych 19 Proces technologiczny oraz jakość cięcia strumieniem wodno-ściernym 24 Obróbka materiałów ceramicznych i kompozytowych metodami niekonwencjonalnymi

MASZYNY, URZĄDZENIA I NARZĘDZIA

30

XXIII Międzynarodowe Targi Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy PLASTPOL; Targi PLASTPOL 2019 – najlepszy klimat dla biznesu i branży przetwórstwa tworzyw sztucznych w Europie Środkowo-Wschodniej 32 Spektrofotometr CM-700d – przewaga w poszukiwaniu zgodności barwy w produkcji 34 Właściwości tribologiczne kompozytów epoksydowych i rezolowych; Właściwości tribologiczne kompozytów epoksydowych i rezolowych w warunkach tarcia technicznie suchego

TECHNOLOGIE

38

Postępy w ocenie NDT jakości kompozytów polimerowych w warunkach produkcyjnych

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

44 50 54

Kompozyty polimerowe z napełniaczem naturalnym Kompozyty w technice w aspektach materiałów nowej generacji Kompozyty polimerowe zawierające włókna roślinne; Czynniki wpływające na wytrzymałość mechaniczną

Wydawca: Media Tech s.c. Redaktor naczelna: Katarzyna Mazur tel. kom. 797 125 417 katarzyna.kajstura@materialykompozytowe.biz Dyrektor projektu: Ewa Majewska tel. kom. 797 125 418 ewa.majewska@matrialykompozytowe.biz Dział prenumeraty: prenumerata@materialykompozytowe.biz Fotoskład i layout: Lucyna Franczyk Korekta: Barbara Sput Przewodniczący Rady Programowej: prof. dr hab. inż. Jacek Kaczmar prof. Politechniki Wrocławskiej Rada Programowa: prof. nadzw. dr hab. inż. Michał Basista Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk dr hab. inż. Wojciech Błażejewski Politechnika Wrocławska prof. dr hab. inż. Stanisław Błażewicz Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie dr hab. inż. Lucyna Jaworska prof. Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania dr inż. Krzysztof Formela Politechnika Gdańska dr inż. Aneta Krzyżak Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych dr inż. Wojciech Kucharczyk Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu prof. dr hab. inż. Katarzyna Pietrzak Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych prof. dr hab. inż. Józef S. Suchy Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie dr inż. Aneta Tor-Świątek Politechnika Lubelska prof. dr hab. inż. Gabriel Wróbel Politechnika Śląska Każdy członek Rady Programowej kwartalnika „Materiały Kompozytowe”, który podczas dwóch kolejnych lat nie opublikuje artykułów, jest uważany za rezygnującego z członkostwa.

Adres redakcji: ul. Żorska1/45, 47-400 Racibórz redakcja@materialykompozytowe.biz tel./fax 32 733 18 01 Druk: Mdruk, Dąbrowa Górnicza Redakcja nie odpowiada za treść ogłoszeń oraz artykułów sponsorowanych. Zastrzegamy sobie prawo skracania i adiustacji tekstów. Przedruk i rozpowszechnianie artykułów i reklam opracowanych przez redakcję jest zabronione bez zgody wydawcy.


przegląd rynku

3

Utrzymanie Ruchu i Technologie Przemysłowe w Expo Silesia

INDUSTRYmeeting 2019 – nowa odsłona targów W dniach 27–28 lutego 2019 roku w Centrum Targowo-Konferencyjnym Expo Silesia w Sosnowcu odbyły się Targi Utrzymania Ruchu i Technologii Przemysłowych INDUSTRYmeeting, Salon Technologii i Materiałów Kompozytowych KOMPOZYTmeeting, Salon Uszczelnień i Technik Uszczelniania ExpoSEALING, Salon Logistyki i Magazynowania w Przemyśle LOGITEX oraz Gala Nagród Polskiej Branży Druku 3D. Firmy, które zaprezentowały się na targach miały okazję pokazać zarówno nowości rynkowe, jak i zaprezentować dotychczasowe rozwiązania i produkty tak, aby zwiedzający mogli na bieżąco śledzić innowacyjne rozwiązania technologiczne. Wśród nowości, jakie można było zobaczyć na targach, były m.in.: l rozwiązania outsourcingowe dla firm branży produkcyjno-logistycznej, prezentowane przez ADECCO POLAND; l wszechstronny moduł sterujący, który jest na etapie wdrażania na rynek przez firma ELEPROJECT - układ będzie silnie konkurował z popularnymi sterownikami przemysłowymi PLC nie tylko pod kątem ceny, ale również łatwości w implementacji, a przede wszystkim faktem, że na jednej płycie jest bardzo dużo peryferii; l cała gama sprzętu zabezpieczającego przed upadkiem z wysokości w tym również do stref zagrożenia wybuchem, który można było zobaczyć na stoisku firmy PROTEKT; l nowy katalog firmy DENIOS, która jest specjalistą w dziedzinie ochrony pracy i środowiska w rzemiośle i przemyśle; magazyny materiałów niebezpiecznych, bezpieczne pomieszczenia techniczne i produkty z zakresu bhp wspomagają klientów z całego świata w realizowaniu ich obowiązków przedsiębiorcy. Podczas targów tradycyjnie odbył się konkurs o Medal Expo Silesia. Komisja Konkursowa Medalem Expo Silesia uhonorowała firmę ELEPROJEKT Michał Grochowina za swobodnie programowalny moduł sterowania – jest to układ, który wyróżnia się mnogością interakcji komunikacyjnych oraz ilością wejść i wyjść o kompaktowej konstrukcji, konkurencyjnej cenie oraz łatwości implementacji i programowania. Wyróżnione zostały: Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej za sposób wytwarzania funkcjonalnej, me-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

talowo-ceramicznej kształtki kompozytowej o podwyższonych parametrach cieplnych i tribologicznych z przeznaczeniem na lokalne wzmocnienie tłoka oraz firma CX80 POLSKA Agata Nadera, Dariusz Nadera Sp. J. za smar ceramiczny KERAMICX. Za ciekawą prezentację firmy oraz produktów na targach przyznano wyróżnienia dla firm DIG ŚWITAŁA SP. Z O.O., WAAP FILTROWENTYLACJA JAKUB DZIURA oraz RENEX SP. Z O. O. SP. K. Wzorem poprzedniej edycji podczas targów nie zabrakło wykładów poświęconych branży BHP, a także warsztatów związanych z produkcją i utrzymaniem ruchu w zakładach przemysłowych. Nowością podczas targów była specjalna strefa dedykowana dla Przemysłu 4.0, gdzie można było dowiedzieć się więcej na temat nowej rewolucji przemysłowej, której właśnie doświadczamy. Wydarzenia merytoryczne, które odbyły się podczas targów to m.in.: l Konferencja pt. „Współczesna produkcja – kultura prężnego i szybkiego działania”, Organizatorzy: Fundacja Polskie Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Montażu, Expo Silesia; l Seminarium pt. „Bezpieczeństwo pracy w środowisku przemysłowym”, Organizatorzy: Zakłady Badań i Atestacji ZETOM, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Katedra Inżynierii Produkcji Politechniki Śląskiej, Expo Silesia. Targom towarzyszył również Salon Technologii i Materiałów Kompozytowych KOMPOZYTmeeting oraz III edycja Seminarium wraz z I Warsztatami Eksperckimi pt. „Materiały kompozytowe w przemyśle motoryzacyjnym i lotnictwie”. Organizatorami wydarzenia był Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej, Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych, Polski Klaster Technologii Kompozytowych, Expo Silesia. Przez cały czas odbywały się

również spotkania B2B oraz S2B w specjalnie zaaranżowanej strefie. Nowością podczas Targów INDUSTRYmeeting był Salon Logistyki i Magazynowania w Przemyśle LOGISTEX, którego celem było połączenie innowacyjności z logistyką oraz właśnie branżą przemysłową. W drugim dniu targów, w ramach Salonu Logistex, odbyło się spotkanie organizowane przez Klaster Silesia Automotive & Advanced Manufacturing oraz Brytyjsko-Polską Izbę Handlową pt. „Zapewnienie ciągłości w międzynarodowych łańcuchach dostaw a BREXIT”. Również premierowo zagościła V edycja Gali Nagród Polskiej Branży Druku 3D. Było to wydarzenie organizowane przy współpracy Centrum Druku 3D oraz Centrum Targowo-Konferencyjnego Expo Silesia. Po raz pierwszy miało charakter otwarty dla osób z wybranych gałęzi przemysłu. W plebiscycie zostały nagrodzone najlepsze osoby, firmy, produkty i wydarzenia związane z szeroko pojętą branżą technologii przyrostowych z Polski i ze świata. Laureaci zostali wybrani w aż 16 kategoriach, w tym po raz pierwszy w kategorii Najlepszy Polski Sklep z Drukarkami 3D i Filamentami. Rozstrzygnięte zostały również Mistrzostwa Polski w Druku 3D, wyłoniono laureatów w dwóch równorzędnych kategoriach: l Mistrzostwa Polski w druku 3D w technologii FDM/FFF – I miejsce – CadXpert – drukarka 3D Stratasys F370; l Mistrzostwa druku 3D w technologii SLA/ DLP/LCD – I miejsce – Filaments4U – drukarka 3D Liquid Crystal Precision 1,5. Aglomeracja śląska to największy rynek przemysłowy w Polsce. Zlokalizowanie INDUSTRYmeeting w jej centrum, to znaczący atut tych targów. To właśnie tu, liderzy rynku posiadają swoje kluczowe zakłady produkcyjne. Już dziś zapraszamy serdecznie na kolejną edycję targów INDUSTRYmeeting, które odbędą się w dniach 4–5 marca 2020 roku.

Szczegółowe informacje: www.industrymeeting.pl


4

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

OBRÓBKA I CIĘCIE KOMPOZYTÓW – ZESTAWIENIE WYBRANYCH FIRM

Nazwa i adres firmy

Oferta

Firma Eckert to nowoczesne i innowacyjne przedsiębiorstwo, specjalizujące się w produkcji maszyn do cięcia sterowanych numerycznie. Przedsiębiorstwo powstało w 1990 r. Główna siedziba znajduje się w Legnicy, a w niemieckim Rennerod posiada swoje przedstawicielstwo. Na powierzchni 25 000 m2 funkcjonują 4 hale produkcyjne, magazyn oraz obiekty biurowe. Bogata infrastruktura i odpowiednia organizacja pracy pozwala na produkowanie do 30 maszyn miesięcznie. Innowacja jest hasłem, które najlepiej oddaje filozofię i działania firmy Eckert. Funkcjonując na rynku przecinarek przez 25 lat, wprowadziliśmy wiele nowoczesnych i wyjątkowych na skalę światową rozwiązań. Eckert AS Sp. z o.o. Jako jeden z nielicznych producentów na świecie oferujemy wszystkie cztery technologie cięcia, które dobieramy, biorąc pod uwagę indywidualne potrzeby klienta. Nasza kompleksoul. Pawicka 4c wa oferta, bogate doświadczenie oraz wysokie zdolności produkcyjne sprawiają, że jesteśmy 59-220 Legnica pewnym partnerem we wdrażaniu innowacyjnych rozwiązań. eckert@eckert.com.pl tel. 76 852 20 17

Elmat Trading ul. Elektryczna 17 87-100 Toruń tel./fax: 56 639 46 68 tel. kom. 601 625 001, 665 379 360 elmat@to.onet.pl www.tools.com.pl

Zakres oferty firmy jest bardzo szeroki i obejmuje przede wszystkim profesjonalne narzędzia skrawające do frezowania, szlifowania, grawerowania, wiercenia, cięcia takich materiałów jak: tworzywa sztuczne, plexi, PCV, aluminium, fortal, tworzywa wielowarstwowe typu Dibond, drewno, płyty meblowe laminowane, żywice poliestrowe i epoksydowe, tworzywa kompozytowe z domieszką włókna szklanego lub węglowego, sklejka, a także grafit, granit, marmur, konglomeraty oraz stal hartowana, nierdzewna i kwasoodporna, żeliwo, obrabianych zarówno na obrabiarkach i ploterach CNC (w 2D lub 3D), jak również z zastosowaniem elektronarzędzi. Oferowane narzędzia VHM, to przede wszystkim drobnoziarnisty węglik spiekany K10, a także Super Ultra Fine, w tym również dodatkowo powlekany TiAlN, TiCN, TiN, PVD itp. W ofercie znajdują się także bardzo zaawansowane technologicznie supertwarde powłoki warstwowe. Narzędzia z nasypem diamentowym na spoiwie galwanicznym wykonane są w nowatorskiej technologii Vacuum Brazed.

Polski producent, specjalizujący się w budowie centrów obróbczych sterowanych CNC w 5 osiach. Maszyny FANUM są przeznaczone głównie do obróbki materiałów modelarskich, laminatów, drewna oraz aluminium. Maszyny te sprawdzają się znakomicie przy produkcji modeli, form oraz przy obróbce wyrobów gotowych. Wśród użytkowników maszyn FANUM są m.in. producenci elementów do samochodów, pojazdów szynowych, jachtów oraz wielu innych wyrobów przemysłowych z materiałów kompozytowych. Poza tym maszyny FANUM pracują przy obróbce m.in. elementów elektroizolacyjnych, modeli odlewniczych oraz w wielu fabrykach mebli. Kilka modeli, z szerokiej palety obrabiarek FANUM, otrzymało złote FANUM Skorupski-Wójcik Sp. J. medale na różnych wystawach przemysłowych. Więcej informacji na stronie internetowej producenta: www.fanum.pl. ul. Wielopole Skrzyńskie 11B 39-110 Wielopole Skrzyńskie info@fanum.pl, www.fanum.pl

SIEĆ BADAWCZA ŁUKASIEWICZ – INSTYTUT ZAAWANSOWANYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków

tel. 12 631 71 00, fax 12 633 94 90 ios@ios.krakow.pl www.ios.krakow.pl

Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie jest instytutem badawczym, specjalizującym się w technologiach obróbki skrawaniem i ściernej, technologiach niekonwencjonalnych kształtowania ubytkowego i przyrostowego wyrobów, inżynierii materiałowej, metrologii technicznej, montażu i automatyzacji wytwarzania. Działalność IZTW koncentruje się na badaniach naukowych, pracach rozwojowych i wdrożeniowych oraz realizacji szerokiej oferty usług badawczych i technologicznych. Oferujemy m.in. l technologie wytwarzania materiałów kompozytowych do specjalnych zastosowań l technologie obróbki kompozytów metalicznych metodą elektroerozyjną na obrabiarkach EDM l specjalne narzędzia kompozytowe do kształtowania materiałów trudno obrabialnych l specjalne narzędzia do obróbki materiałów kompozytowych

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów Nazwa i adres firmy

5

Oferta

Technologię cięcia wodą opracowano na początku lat 70. XX wieku. Od samego początku firma KMT WATERJET aktywnie uczestniczyła w jej rozwoju: W 1971 r. opracowaliśmy pierwszą komercyjną maszynę do cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wody. Od tego czasu technologia cięcia wodą znacznie się rozwinęła. Stanowi obecnie wartościowy dodatek i alternatywę dla konwencjonalnych metod cięcia. Dzięki naszym nieustannym pracom nad rozwojem innowacyjnych produktów już od ponad 40 lat zajmujemy czołową pozycję w tej branży. Przez ten czas stale rozszerzaliśmy naszą sieć sprzedaży i usług. Dzięki temu nasi klienci mogą zgłosić się do jednego z wielu regionalnych biur KMT na całym świecie, aby uzyskać wsparcie wykwalifikowanego personelu. Produkty KMT są powszechnie uznawane za niezawodne, słyną z zaawansowanej konstrukcji i łatwej obsługi konserwacyjnej. Właśnie tymi aspektami kierują się nasi inżynierowie, rozpoczynając pracę nad projektowaniem nowych produktów. W KMT gwarantujemy, KMT Waterjet Systems że nasza technologia spełnia najwyższe wymagania jakościowe. Oferta firmy obejmuje rozwiązania do wszelkich zastosowań: od systemów klasy podstawowej, stosowanych ul. Poleczki 21 do doraźnych prac tnących, aż do niezawodnej technologii klasy high-end, w której wytwarza 02-822 Warszawa się duże partie produktów w trybie pracy zmianowej.

N-POL Cutting Tools Mazańcowice 1093 43-391 Mazańcowice tel. 603 937 374 info@npol.com.pl www.npol.com.pl

PolishStyl ul. Dzieci Warszawy 27B/4 02-495 Warszawa tel./fax 22 40 727 40 tel. 22 266 83 75, fax 22 266 83 76 www.polishstyl.com.pl polishstyl@polishstyl.com.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Firma N-POL cutting tools zajmuje się produkcją narzędzi pełno węglikowych do obróbki drewna i materiałów drewnopochodnych, płyt wiórowych, M.D.F., tworzyw sztucznych, stopów lekkich, grafitu i materiałów kompozytowych CFK, GFK. W czasie swego ponad 25-letniego doświadczenia, wprowadziliśmy na rynek wiele profesjonalnych produktów dla przemysłu drzewnego i meblarskiego. Nasze nabyte doświadczenie i zastosowanie najnowocześniejszych technologii produkcyjnych i systemów projektowania narzędzi pozwala firmie być zawsze w czołówce, możemy realizować najbardziej skomplikowane narzędzia na potrzeby rynku. Prowadzone badanie i rozwój technologiczny w połączeniu z najnowocześniejszymi obrabiarkami daje możliwość skonstruowania, zaplanowania i wdrożenia do produkcji odpowiedniego narzędzia do potrzeb klienta, jest to wyjątkowo mocną stroną naszej firmy. Wszystkie narzędzia w firmie N-POL cutting tools powstają poprzez wykorzystanie zintegrowanych systemów CAM/3D, od projektu do fazy produkcyjnej korzystamy z najbardziej nowoczesnych technologii dostępnych na światowym rynku. Narzędzia produkowane są tylko z najlepszych surowców od europejskich dostawców. Rozwijany swą produkcję i export do wielu krajów na prawie wszystkich kontynentach. Projektowanie, technologia produkcji, materiały i doświadczeni pracownicy to gwarancja najwyższej jakości naszego produktu.

PolishStyl to znany producent materiałów ściernych i narzędzi szlifierskich, działający na rynku od 2008 roku. W ciągu kilku lat działalności udało się zdobyć zaufanie szerokiego grona klientów – od małych i średnich zakładów stolarskich po duże firmy produkcyjne. Naszym największym atutem jest wykształcona, doświadczona kadra, posiadającą dużą wiedzę w zakresie obróbki powierzchni drewna, powłok lakierniczych, metali, szkła, tworzyw sztucznych oraz innych powierzchni. Wszystkim naszym obecnym, jak i przyszłym klientom zapewniamy profesjonalne doradztwo techniczne. Korzystając z wieloletniego doświadczenia, możemy Państwu polecić szereg rozwiązań w zakresie technologii szczotkowania – poczynając od prostych szczotkarek jednogłowicowych, poprzez duże szczotkarki wielogłowicowe, a kończąc na centrach szlifierskich.

OBRÓBKA I CIĘCIE KOMPOZYTÓW – ZESTAWIENIE WYBRANYCH FIRM

Obrabiarki CNC firmy Kimla są w stanie obrobić każdy materiał poddający się obróbce skrawaniem. Można ciąć i frezować tworzywa sztuczne, piankowe, lite drewno, MDF, sklejkę, materiały twarde, kompozyty, metale, kamień. Po zainstalowaniu głowicy tnącej z aktywnym nożem oscylacyjnym można ciąć tekturę falistą, gumę, skórę, materiały tekstylne, szablony lub maski z gumy, folii i tworzyw sztucznych. Możliwość zainstalowania wielu równoległych głowic zapewnia uzyskanie jeszcze większej wydajności. Nasze frezarki Kimla CNC pracują od wielu lat w kilkuset polskich firmach różnych branż. Pracownie reklamy, Polski Producent Obrabiarek CNC zakłady produkcyjne, wydziały rapid prototyping (szybkiego prototypowania), pracownie grawerskie, stolarnie doceniły nasze urządzenia, polecając je naszym przyszłym klientom. ul. Bałtycka 30 Częstochowa tel. 34 365 88 85 www.kimla.pl


6

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

FANUM – polskie maszyny CNC do obróbki tworzyw sztucznych i kompozytów

Konstrukcje do wielu zastosowań Firma FANUM specjalizuje się w budowie centrów obróbczych sterowanych w 5 osiach, których udział w całkowitej produkcji tej firmy wynosi ok. 90%. W związku z powyższym postanowiliśmy zaprezentować kilka szczegółów z oferty FANUM. Maszyny budowane w zakładzie mieszczącym się w Wielopolu Skrzyńskim, małej miejscowości w pobliżu Rzeszowa, służą głównie do wytwarzania różnego rodzaju modeli, form oraz obróbki innych brył o skomplikowanych kształtach. Służą one też do wysokowydajnej, seryjnej produkcji wyrobów gotowych, np. przy okrawaniu elementów termoformowanych i laminatów kompozytowych.

Bramowe centra obróbcze – Delta i Sigma Pięcioosiowe centra obróbcze serii Delta i Sigma są maszynami bramowymi, które różnią się pomiędzy sobą głównie liczbą stołów roboczych i typem stosowanych głowic roboczych. Maszyny te mogą być wyposażone w stoły robocze o różnej strukturze powierzchni w zależności od specyfiki przewidzianego zastosowania (np. rowki teowe, otwory gwintowane lub sieć rowków do wykorzystania próżni). Niektóre z maszyn są oferowane typem ze stałymi lub ruchomymi belkami. Drugim typem, wśród maszyn bramowych, jest Sigma ST – maszyna z dwoma stołami. Stoły są najczęściej wykorzystywane do pracy naprzemiennej, co znakomicie wpływa na wydajność produkcji. W przypadku produkcji przedmiotów

o większych gabarytach, obydwa stoły mogą pracować jednocześnie, połączone programowo – jako jeden stół. Sigma ST jest produkowana w różnych wersjach wymiarowych i dotyczy to: szerokości bramy, zakresu skoku stołów i wysokości roboczej (skok osi Z może wynosić nawet 1500 mm). Dla tych maszyn jest również dostępny szeroki wybór elektrowrzecion, od standardowych o mocy 10 i 15 kW/24 000 obr./min po specjalne, o mocy 6 kW i pracujące z szybkością nawet do 36 000 obr./min.

Seria Lambda – wiele odmian i miejsc zastosowania Centra obróbcze budowane pod wspólną nazwą Lambda są maszynami z oferty

FANUM najczęściej wykorzystywanymi w branży kompozytów. Maszyny tej serii pracują, oprócz Polski, m.in. w Austrii, USA i Niemczech. Produkcja maszyn serii Lambda rozpoczęła się od modelu ST. Portal tej maszyny porusza się po 4 prowadnicach, dzięki czemu konstrukcja ta wyróżnia się szczególną sztywnością wśród innych, dostępnych na rynku. Ruch portalu jest napędzany za pomocą dwóch serwonapędów, zamontowanych symetrycznie po obu stronach maszyny. Powoduje to, że portal przemieszcza się zawsze w sposób zapewniający perfekcyjne zachowanie prostopadłości pomiędzy osiami: poprzeczną – X, a wzdłużną – Y.

Lambda GT – odpowiednia maszyna do najcięższych prac Ze względu na zastosowaną konstrukcję maszyna ta jest szczególnie predysponowana do wykonywania wysokowydajnej produkcji wszelkiego rodzaju modeli i form z materiałów najtwardszych w swojej kategorii. Zasadniczym elementem konstrukcji tych maszyn jest portal o strukturze przestrzennej, który składa się w rzeczywistości z dwóch portali połączonych w części górnej i dolnej w monolityczną

t

W ponad dziesięcioletnim okresie działalności, szybkiego rozwoju i skutecznego zaistnienia na rodzimym rynku ubiegły rok 2018 okazał się w pewnym stopniu przełomowym w działalności tej podkarpackiej firmy. Dotychczas w produkcji FANUM dominowały centra obróbcze przeznaczone do pracy w przemyśle meblarskim i drzewnym. Tym razem liczba maszyn zbudowanych na zamówienie producentów z branży kompozytowej i przetwórstwa tworzyw sztucznych okazała się większa, niż dla innych branż.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

7


8

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

i bardzo sztywną konstrukcję. Suport głowicy roboczej porusza się po czterech prowadnicach (po dwie prowadnice na każdej stronie kolumny), co zapewnia wysoką sztywność układu. Maszyny te mają zastosowanie przede wszystkim w produkcji modeli i form dla przemysłu kompozytów, przetwórstwa tworzyw sztucznych oraz do wykonywania modeli dla odlewni metali.

Centrum obróbcze do wielu zastosowań – Lambda MT Konstrukcja maszyny opiera się na przestrzennej klatce wykonanej ze stalowych profili, gdzie ruchomym elementem jest pozioma belka, poruszająca się w górnej części maszyny. Lambda MT jest wykonywana w dwóch odmianach: do pracy na sucho oraz do pracy z wykorzystaniem cieczy chłodzącej. W tym drugim przypadku jest to np. woda, która bezpośrednio schładza miejsce obróbki oraz eliminuje rozprzestrzenianie się pyłu powstającego głównie podczas obróbki materiałów zawierających wypełnienia mineralne. Innym systemem, stosowanym oczywiście nie tylko w modelu MT, jest układ chłodzenia miejsca obróbki za pomocą sprężonego powietrza i/lub mgły olejowej. Maszyny serii Lambda MT pracują m.in. w stoczniach jachtowych i zakładach produkujących zlewozmywaki z materiałów o strukturze konglomeratu.

Gigant do zdań specjalnych – Lambda VT Maszyny Lambda oznaczone symbolem VT są budowane w trzech wersjach rozmiarowych: S, M i L. Są to centra obróbcze, których wymiary dostępnej przestrzeni roboczej są liczone w metrach: np. szerokość do 8 m, długość ponad 30 m i skok osi pionowej Z do 4 m. Zastosowaniem tych maszyn jest najczęściej wytwarzanie modeli kadłubów i pokładów jachtów oraz obcinanie krawędzi i wykonywanie otworów w gotowych egzemplarzach ww. wyrobów. Dostępne

są głowice polerujące, co ma zastosowanie głównie przy obróbce wykańczającej wielkopowierzchniowych kadłubów jachtów i łodzi. Zakres materiałów obrabianych jest bardzo szeroki: od materiałów drewnopochodnych i różnego typu pianek (produkcja modeli) po kompozyty na bazie włókna węglowego i podobne tworzywa.

Nowoczesność i technika na najwyższym poziomie Maszyny FANUM są konstruowane i budowane w oparciu o najnowocześniejsze metody i systemy CAD/CAM oraz systemy symulacji obciążeń typu MES. Nadążając za bieżącymi trendami w przemyśle obrabiarkowym i w myśl koncepcji Industry 4.0, firma FANUM dostosowuje swoje działania oraz budowane maszyny do coraz większych wymagań stawianych przez swoich klientów. Dla ułatwienia pomiarów i ewentualnej korekcji parametrów głowic roboczych, dwa lata temu firma FANUM opracowała i wdrożyła system autokalibracji dla maszyn pięcioosiowych. Funkcja ta umożliwia użytkownikowi maszyny dokonać w bardzo krótkim czasie sprawdzenie oraz skorygowanie w sposób automatyczny parametrów geometrycznych w ustawieniu głowicy roboczej. System ten został nagrodzony Złotym Medalem podczas jednej z wystaw MTP w Poznaniu.

Niezawodność w praktyce Pozytywna opinia użytkowników maszyn spod znaku FANUM, zdobyta i ugruntowana w czasie kilkunastu już lat działalności tej firmy na rynku, jest oparta na przyjętych od początku zasadach ścisłej współpracy z klientami. Wszystkie maszyny produkcji FANUM są przystosowane do połączenia z internetem dla prowadzenia zdalnej diagnozy aktualnego stanu układu automatyki. Dopełnieniem działań produkcyjnych i będącym jednocześnie normalnym elementem dobrze funkcjonującej firmy są prowadzone na wysokim poziomie, szybko i skutecznie usługi wydziału serwisowego FANUM. Duża elastyczność i doświadczenie personelu FANUM zdobyte w czasie wielu lat pracy w innym przedsiębiorstwie, prowadzonym równolegle i należącym również do spółki Skorupski-Wójcik (będącej właścicielem FANUM) owocuje coraz większą listą referencyjną klientów oraz ich zadowoleniem z efektów pracy maszyn tej marki.

FANUM Skorupski-Wójcik Sp. J. ul. Wielopole Skrzyńskie 11B 39-110 Wielopole Skrzyńskie info@fanum.pl www.fanum.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


przegląd rynku

9

Nowoczesne materiały pozwalają obniżyć wagę samolotów, obniżając koszty przelotów

Przyszłością są bezzałogowe samoloty pasażerskie Udział tanich linii na rynku lotniczym w Europie wynosi już 41 proc. Dla takich przewoźników szczególnie istotną kwestią jest obniżanie kosztów przelotów. Inżynierowie skupiają się więc na stosowaniu coraz bardziej nowoczesnych materiałów, z których budowane są samoloty. W przyszłości lotnictwo czekają jednak duże zmiany. Za około 20 lat będziemy latać bezzałogowymi samolotami pasażerskimi, które nie tylko obniżą koszty, lecz także zwiększą bezpieczeństwo. Jak wynika z raportu „Stabilny wzrost na polskim niebie. Prognoza rozwoju rynku lotniczego”, firmy badawczej PwC, liczba pasażerów obsłużonych przez polskie porty lotnicze wzrosła o 12,5 proc. w ubiegłym roku, a w 2017 r. ma wzrosnąć o kolejne 11 proc. Rośnie także udział tanich linii lotniczych. W ciągu ostatniej dekady ich globalny udział w całkowitej liczbie oferowanych miejsc w samolotach wzrósł z 16 do 25 proc. W Europie wskaźnik ten jest największy i wynosi już 41 proc. Dążenie do obniżania kosztów, zwłaszcza u przewoźników, którzy oferują tanie przeloty, przejawia się obecnie w stosowaniu odpowiednich materiałów do budowy samolotów. – Sprawdzają się najlżejsze, bardzo wytrzymałe materiały. Powszechnie stosuje się różnego rodzaju stopy aluminium. Obecnie przechodzi się w kierunku materiałów kompozytowych – jak włókna węglowe. W przypadku zastosowań w lotnictwie rekreacyjnym, takim jak szybownictwo, są to także włókna szklane. Samolot można zbudować praktycznie ze wszystkiego, ale żeby był on konkurencyjny na rynku, przynosił zyski ze sprzedaży, a potem operatorom, musi mieć jak największą ładowność, musi zabierać jak najwięcej pasażerów bądź towarów. W związku z tym walczymy o każdy kilogram, a nawet gram – wyjaśnia agencji informacyjnej Newseria Innowacje Paweł Stężycki, dyrektor Pionu Transportu i Konwersji Energii w Instytucie Lotnictwa. Walka o zredukowanie masy samolotów doprowadza do rozważań na temat elimi-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

nacji załogi prowadzącej statki powietrzne. Rezygnacja z usług pilotów ma również inny cel – poprawę bezpieczeństwa. Jak przekonują eksperci, większość katastrof lotniczych spowodowana jest przez człowieka. Dlatego bezzałogowe samoloty pasażerskie to nieunikniona, choć wciąż jeszcze bardzo odległa przyszłość. – Czy nam się to podoba, czy nie, będziemy za około 20 lat, może szybciej lub później, latać bez pilotów. Eliminuje się czynnik ludzki w podejmowaniu decyzji, w popełnianiu błędów – niestety większość katastrof lotniczych nadal jest spowodowana czynnikiem ludzkim. Nie mówię, że winni są akurat piloci, ale jest to jakiś czynnik wpływający na bezpieczeństwo. Do tego oczywiście masa, systemy podtrzymujące życie, pracę pilotów, wskaźniki – jeśli pilota zastąpimy mikroprocesorem, być może zdwojonym, z odpowiednim oprogramowaniem, oszczędzimy kilkaset kilogramów i mnóstwo miejsca dla pasażerów – tłumaczy Paweł Stężycki. Każdy dodatkowy kilogram wagi samolotu pasażerskiego i ładunku oznacza w skali roku olbrzymie wydatki. Konstruktorzy samolotów starają się maksymalnie redukować ich wagę. Z wyliczeń naukowców z MIT wynika, że jeśli każdy pasażer linii Southwest Airlines będzie miał przy sobie telefon komórkowy, to w skali roku koszty paliwa zwiększą się o 1,2 mln dolarów. Kwota ta wzrośnie do 21,6 mln dolarów, jeśli będzie to nie telefon a laptop. Z kolei linie Virgin Atlantic wyliczają, że gdyby tylko każdy z ich samolotów ważył o około 0,5 kilograma mniej, to w ciągu roku zaoszczędzą 53 000 litrów paliwa. Pozbycie się pilotów z kabiny to również aspekt ekonomiczny. – W zależności od samolotu, jego przeznaczenia, wielkości itd. możemy mówić o oszczędnościach kilku lub kilkunastu tysięcy dolarów w okresie czasu, miesiąca czy roku, natomiast jeśli chodzi o dużych operatorów linii lotniczych, to przekłada się to na grube miliony dolarów. Podsumowując, w zastosowaniach cywilnych wyelimino-

wanie pilotów powoduje wzrost możliwości transportowych, oszczędność masy itd. – twierdzi dyrektor Pionu Transportu i Konwersji Energii w Instytucie Lotnictwa. Osobną kwestią jest wyeliminowanie pilota z samolotów wojskowych. W ubiegłym roku algorytmy sztucznej inteligencji pokonały w czasie serii symulowanych walk doświadczonego pilota myśliwców, pułkownika Gene’a Lee z US Air Force, który ma na swoim koncie tysiące misji. Natomiast przed kilkoma miesiącami amerykańskie Siły Powietrzne poinformowały o przeprowadzeniu udanych testów autonomicznego myśliwca F-16, który samodzielnie przeprowadził pełną misję bojową. – Pilot wojskowy, mimo swoich predyspozycji, które musi mieć, aby tym pilotem zostać, stanowi w tym momencie największe ograniczenie, jeśli chodzi o manewrowość czy przyspieszenie. Człowiek jest w stanie wytrzymać przeciążenia rzędu kilku G, równe kilkukrotnemu przyciąganiu ziemskiemu, nawet przy zastosowaniu nowoczesnych kombinezonów, które ściskając mięśnie wtłaczają więcej krwi do mózgu. Eliminując pilota z kabiny, usuwamy ograniczenia. Jedyne wówczas ograniczenie podyktowane jest wytrzymałością konstrukcji samolotu, a tutaj konstruktorzy mają wolną rękę, przeciążenie 20G nie jest problemem – mówi ekspert. Do 2035 r. światowy rynek przewozów lotniczych według analiz PwC ma rozwijać się w tempie 4,5 proc. rocznie. Źródło: www.innowacje.newseria.pl


10

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Mocne strony kompozytów i nie tylko Specyficzne właściwości materiałów kompozytowych decydują o ich zastosowaniu w różnych gałęziach przemysłu, od motoryzacyjnego przez lotniczy aż po zaawansowane zastosowania o charakterze medycznym. Prace badawcze prowadzone w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania umożliwiły opracowanie licznych rozwiązań, w których efektywnie wykorzystano te właściwości. W zależności od doboru składników kompozyty mogą być stosowane jako materiał na narzędzia do obróbki wiórowej i ściernej. Rezultatem wieloletnich doświadczeń Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w dziedzinie rozwoju sposobów wytwarzania materiałów narzędziowych jest technologia supertwardych materiałów polikrystalicznych na bazie diamentu (PCD, PolyCrystalline Diamond) oraz polikrystalicznego regularnego azotku boru (PcBN, Polycrystalline cubic Boron Nitride) z dodatkiem faz ceramicznych. Jednym z etapów wytwarzania kompozytów PCD i PcBN jest wysokociśnieniowe wysokotemperaturowe spiekanie (HP-HT). Każdy z wymienionych materiałów może być stosowany bezpośrednio w postaci monolitycznych płytek skrawających bądź jako półprodukt na narzędzia wysokowydajne, m.in. do toczenia i frezowania hartowanych stali i żeliwa.

narzędzi, również cienkościennych, w procesach szlifowania, polerowania, przecinania i nacinania różnych materiałów, także materiałów kompozytowych. Proponujemy ponadto współpracę w zakresie badań i rozwoju ceramicznych materiałów kompozytowych o osnowie tlenku glinu, azotku krzemu oraz węglika

Narzędzia ścierne diamentowe i z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym, metalowym i hybrydowym

Płytki skrawające z kompozytu na osnowie węglika spiekanego z dodatkiem fazy ceramicznej

W zakresie kompozytowych narzędzi do obróbki ściernej Instytut oferuje ściernice supertwarde diamentowe i z regularnego azotku boru, ze spoiwem ceramicznym, metalowym, żywicznym i hybrydowym – metalowo–ceramicznym. Ściernice, których kształt, grubość i wielkość ziarna ściernego oraz typ spoiwa dobiera się indywidualnie do każdego typu obrabianego detalu, sprawdzają się w charakterze

krzemu, z dodatkami faz o wysokiej przewodności elektrycznej np. TiN, TiC, Ti(C, N), TiB2, otrzymywanych z zastosowaniem spiekania impulsowego (SPS). Materiały te mają niską oporność elektryczną, zachowują dobre właściwości fizyczne i mechaniczne, tj. gęstość, moduł Younga i twardość. Z doświadczeń IZTW wynika, że takie materiały kompozytowe można kształtować metodą elektroerozyjną (EDM), co jest wysoce korzystne w odniesieniu do detali o skomplikowanych kształtach. Jeśli chodzi o inne przedmioty, sprawdzoną i dostępną metodą pozostaje tradycyjna obróbka ubytkowa, głównie przecinanie i szlifowanie, oraz obróbka laserem. W toku prac realizowanych na doświadczalnej drążarce elektroerozyjnej, zaprojektowanej i wykonanej w IZTW, testowano różne warianty pracy generatora drążarki przy nastawach parametrów

odpowiadających obróbce dokładnej i średniodokładnej. Wyniki potwierdziły jednoznacznie możliwość drążenia kształtowego kompozytów o osnowie Al2O3, Si3N4 i SiC z dodatkiem faz o dobrej przewodności elektrycznej pod warunkiem odpowiedniego doboru takich parametrów jak napięcie zapłonowe, biegunowość, czas i natężenie impulsów prądu roboczego. Zaobserwowano niewielkie zużycie elektrody, a w niektórych wypadkach zużycie nie występowało. Istotnym parametrem okazała się nastawa napięcia zapłonowego generatora. W przypadku obróbki EDM kompozytów na osnowie Si3N4 o dużej rezystancji, stabilne drążenie uzyskano po wprowadzeniu zmian konstrukcyjnych w generatorze impulsów prądu roboczego i regulatorze grubości szczeliny oraz zwiększeniu napięcia zasilającego obwód roboczy generatora. Wspomniany wyżej proces spiekania impulsowego SPS wykorzystano w ramach prac badawczo-rozwojowych do opracowania technologii otrzymywania kompozytu metaliczno-diamentowego na narzędzia ścierne do cięcia i szlifowania materiałów ceramicznych, np. ceramiki cyrkonowej i materiałów kompozytowych. Jego podstawową zaletą jako materiału narzędziowego są podwyższone właściwości fizykomechaniczne uzyskane w temperaturze niższej o 200–500oC niż w przypadku spiekania konwencjonalnego lub ciśnieniowego HP, HIP. Szczegółowe informacje na stronie internetowej IZTW, zapraszamy! artykuł sponsorowany

SIEĆ BADAWCZA ŁUKASIEWICZ – INSTYTUT ZAAWANSOWANYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA ul. Wrocławska 37a, 30-011 Kraków tel. 12 631 71 00 ios@ios.krakow.pl www.ios.krakow.pl

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Zużycie ostrza po obróbce wykończeniowej powłok kompozytowych

11

okrągłe, trygonalne, wykonane z węglików spiekanych (o gatunkach: GC3205, GC3210, GC3215) i z regularnego azotku boru (gatunek CB7015).

Powłoki kompozytowe natryskiwane płomieniowo odwzorowują stan powierzchni rzeczywistej podłoża. Powłoki natryskiwane cieplnie cechują się w szczególności znaczną chropowatością i porowatością. Technologia natryskiwania cieplnego nie pozwala na precyzyjne sterowanie grubością powłok. Względy te wymuszają stosowanie obróbki skrawaniem powłok natryskiwanych cieplnie wykorzystywanych między innymi do regeneracji wałów napędowych. Tradycyjne metody obróbki mechanicznej powierzchni powłok to obróbka skrawaniem (toczenie, frezowanie, szlifowanie, dogładzanie). Biorąc pod uwagę możliwości wyposażenia warsztatu siłowni okrętowej, najlepiej byłoby zastosować obróbkę poprzez toczenie. W artykule określono zależności pomiędzy zużyciem ostrza noża tokarskiego oraz strukturą geometryczną powierzchni obrobionej oraz rodzajem zastosowanego materiału narzędziowego i kształtem płytek skrawających. Najnowszej generacji urządzenia pracują przy coraz większych obciążeniach eksploatacyjnych. Wymusza to poszukiwanie coraz to nowszych materiałów konstrukcyjnych lub innowacyjnych technologii inżynierii wytwarzania, które zapewniłyby dużą niezawodność i trwałość elementów maszyn [1–3, 7–12, 17, 18]. W przypadkach, w których o trwałości decydują jedynie właściwości powierzchniowe materiału (odporność na zużycie cierne, korozyjne, zmęczenie stykowe), niecelowe jest stosowanie drogich materiałów do produkcji całych elementów. Stosowane są wtedy powłoki ochronne i regeneracyjne. Jedną z najczęściej wykorzystywanych technologii nakładania powłok, ze względu na aspekt ekonomiczny, jest natryskiwanie płomieniowe. Jednym z materiałów powłokowych zwiększających trwałość elementów maszyn jest nikiel i jego stopy oraz kompozyt na osnowie niklu i fazy ceramicznej. Powłoki stopowe i kompozytowe na osnowie niklu otrzymane za pomocą natryskiwania cieplnego uzyskują duże chropowatości powierzchni. Dlatego powłoki te muszą być poddane obróbce wykończeniowej. Najczęściej stosuje się obróbkę wiórową i ścierną [3, 6, 7, 10, 12, 17, 19, 20]. Ważne jest określenie zależności pomiędzy parametrami technologicznymi

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

obróbki wykończeniowej powłok a parametrami geometrycznymi zużycia ostrza noża tokarskiego, dla płytek skrawających o różnym kształcie i wykonanych z różnych rodzajów materiałów (np.: węgliki spiekane i regularny azotek boru). Do toczenia powłok używane są ujemne płytki skrawające o kształtach: kwadratowym, rombowym, trygonalnym oraz okrągłym [4, 5, 8, 9, 13, 16]. W celu obniżenia sił skrawających oraz uzyskania małej chropowatości powierzchni stosuje się małe posuwy oraz głębokości skrawania [8, 9]. Użycie małych głębokości skrawania powłok niklowych powoduje szybkie zużycie powierzchni przyłożenia płytki skrawającej [15]. W pracach [17, 18] przedstawiono wyniki wstępnych badań toczenia powłok natryskiwanych cieplnie dla zalecanych parametrów skrawania zamieszczonych w pracach [10, 11, 15]. W artykule określono cel badań jako wyznaczenie najlepszej geometrii płytki skrawającej, przy zastosowanych optymalnych parametrach technologicznych obróbki skrawaniem powłok stopowych i kompozytowych na osnowie niklu i aluminium, dla zapewnienia wymaganej trwałości ostrza noża tokarskiego. Do badań, ze względu na porównanie różnych kształtów i geometrii noży tokarskich, dobrano płytki skrawające kwadratowe,

Metodyka wykonania badań eksperymentalnych Zużycie ostrza występuje na wszystkich powierzchniach posiadających bezpośredni kontakt z materiałem przedmiotu obrabianego i przejawia się ubytkiem materiału ostrza. Przykładowymi objawami zużycia ostrza są: wyszczerbienie i wykruszenie krawędzi skrawającej, starcie powierzchni natarcia, starcie na granicy styku ostrza z materiałem obrabianym, starcie pomocniczej powierzchni przyłożenia, głębokie rysy powstałe w wyniku odrywania się części narostu, która wciska się w materiał przedmiotu

Rys. 1. Geometryczne wskaźniki zużycia ostrza noża tokarskiego: średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia (VB, mm), szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia przy narożu (VC, mm), maksymalna szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia (VN, mm), szerokość wyżłobienia powierzchni natarcia (KB, mm), cofnięcie naroża ostrza (KE, mm), największa głębokość rowka zużycia (KT, mm) [19]

t

TOMASZ CYRYL DYL


12

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

na powierzchni skrawania, starcie wywołane intensywnym utlenianiem materiału ostrza na granicy styku ostrza z materiałem obrabianym, starcie głównej powierzchni przyłożenia. Na rysunku 1 przedstawiono parametry geometryczne (wskaźniki) zużycia ostrza skrawającego dla powierzchni przyłożenia i natarcia. Wybór odpowiedniej geometrii płytki skrawającej, a także jej gatunku pozwoli na osiągnięcie optymalnej jakości technologicznej powierzchni powłok stopowych i kompozytowych, które mogą mieć między innymi zastosowanie do wytwarzania i regeneracji wałów napędowych pomp krętnych w miejscu uszczelnienia dławnicowego. Miejsca uszczelnień powinny się cechować również optymalnym udziałem nośnym profilu powierzchni. W tabeli 1 przedstawiono oznaczenia kształtu i rodzaju materiału narzędziowego dla stosowanych płytek skrawających. Dla optymalnych parametrów skrawania opisanych w pracach [3, 17, 18] wykonano badania doświadczalne obróbki wykończeniowej powłok kompozytowych na osnowie niklu dla stałych wartości prędkości skrawania, prędkości posuwu i głębokości skrawania. Próbki stalowe z naniesioną powłoką stopową na bazie niklu toczono z prędkością skrawania vc = 214 m/min za pomocą płytek skrawających borazonowych, i z prędkością skrawania vc = 107 m/min płytkami skrawającymi z węglików spiekanych, dla posuwu f = 0,06 mm/obr. i głębokości skrawania ap = 0,3 mm. Próbki stalowe z naniesioną powłoką kompozytową z zawartością 15%Al2O3 na bazie niklu toczono z prędkością skrawania vc = 157 m/ min za pomocą płytek skrawających borazonowych, i z prędkością skrawania vc = 83 m/min płytkami skrawającymi z węglików spiekanych, dla posuwu f = 0,06 mm/obr. i głębokości skrawania ap = 0,3 mm. Podczas obróbki powłok stopowych i kompozytowych występuje zazwyczaj krótka trwałość narzędzia, dlatego określono drogę skrawania. Jest to długość skrawania, dla której dobierane są zalecane parametry skrawania, co pozwala na osiągnięcie niezawodnego procesu. Droga skrawania jest stosowana w odniesieniu do płytki, geometrii, gatunku, głębokości skrawania oraz materiału, jaki jest poddawany obróbce. Przy zachowaniu stałej drogi skrawania dokonano obróbki skrawaniem poprzez toczenie różnymi narzędziami, a następnie wykonano pomiary chropowatości powierzchni obrobionej powłok stopowych Ni-5%Al i kompozytowych Ni-5%Al-

Tabela 1. Geometria i gatunki płytek skrawających użytych do toczenia próbek walcowych stalowych z naniesionymi powłokami stopowymi i kompozytowymi Kształt płytki

Oznaczenie płytki skrawającej

1

2

Gatunek płytki skrawającej 3

kwadratowa

SNGA 120408 S01030A

CB7015

okrągła

N123J1-0600-RE

CB7015

trygonalna

WNMG 080408 S01030A

CB7015

trygonalna

WNMA 080408-KR

GC3205

trygonalna

WNMG 080408-KM

GC3205

trygonalna

WNMG 080408-KM

GC3210

trygonalna

WNMG 080408-KF

GC3215

-15%Al2O3. Toczenie powłok wykonano na obrabiarce CDS 500x1000 o mocy 7kW. Po obróbce skrawaniem parametry chropowatości powierzchni zmierzono za pomocą profilometru Hommel Tester T1000, przy założonych długościach odcinka pomiarowego 4,8 mm oraz odcinka elementarnego 0,8 mm. Zużycie ostrza noża tokarskiego było wyznaczane na podstawie wskaźników dla powierzchni przyłożenia (VB) i natarcia (KB). Ilościowy ubytek materiału ostrza jest miarą jego zużycia. Podstawą do oceny wielkości zużycia ostrza noża tokarskiego jest wielkość ubytku jego materiału. Ubytek materiału ostrza powstaje na skutek starcia, wyszczerbienia i wykruszenia krawędzi skrawającej lub wyłamania ostrza. Przewidywalność procesu technologicznego jest istotna przy następujących operacjach: obróbka zgrubna – kiedy należy zaprogramować zatrzymanie obrabiarki w celu wymiany płytki skrawającej, obróbka wykończeniowa – parametry skrawania, które zapewniają, że przejście będzie zakończone z przewidywalnym zużyciem tak, aby nie było konieczności zmiany płytek w trakcie skrawania lub wykonywania powtórnego przejścia.

Wyniki badań doświadczalnych Po przeprowadzonych badaniach doświadczalnych toczenia powierzchni walcowych zewnętrznych próbek stalowych z naniesionymi powłokami stopową i kompozytową na osnowie niklu, zaobserwowano zużycie powierzchni przyłożenia i powierzchni natarcia. Wartości zużycia były różne w zależności od rodzaju zastosowanego materiału i kształtu płytek skrawających i drogi skrawania, która miała wartość stałą (LSC = 1073 m). Wyznaczono szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia (VB) i natarcia (KB) ostrza noża tokarskiego o różnym kształcie płytki skrawającej: kwadratowej i trygonalnej z borazonu gatunku CB7015. Po przeprowadzeniu toczenia powłok stopowych o osnowie niklu, nożem tokarskim z płytką kwadratową SNGA120408S01030A z borazonu CB7015 określono maksymalną szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia równą VB = 1,25 mm, natomiast szerokość wyżłobienia powierzchni natarcia KB = 0,75 mm. Powłoki stopowe na bazie niklu poddane toczeniu płytką skrawającą kwadratową uzyskiwały chropowatość powierzchni Ra = 1,07 μm. Natomiast po toczeniu płytką skra-

Rys. 2. Szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia po toczeniu: 1 – powłok stopowych Ni-5%Al; 2 – powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Rys. 3. Szerokość wyżłobienia powierzchni natarcia po toczeniu: 1 – powłok stopowych Ni-5%Al; 2 – powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

= 0,35 mm, natomiast na powierzchni natarcia szerokość wyżłobienia była równa KB = 0,1 mm, zużycie nastąpiło na powierzchni przyłożenia w wyniku wykruszenia, natomiast na powierzchni natarcia nastąpił narost. Średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni była równa Ra = 1,51 μm. Płytka skrawająca trygonalna WNMG080408S01030A z borazonu CB7015 cechuje się dwukrotnie mniejszym zużyciem powierzchni przyłożenia (rys. 2) i czterokrotnie mniejszym zużyciem powierzchni natarcia (rys. 3) w porównaniu do płytki kwadratowej SNa)

GA120408S01030A z borazonu CB7015, gdzie zużycie na powierzchni natarcia i przyłożenia powstało poprzez starcie. Po przeprowadzonych badaniach doświadczalnych toczenia powierzchni walcowych zewnętrznych próbek stalowych z naniesioną powłoką stopową i kompozytową na osnowie niklu, określono, że występują zależności pomiędzy strukturą geometryczną powierzchni obrobionej a rodzajem zastosowanego materiału narzędziowego i kształtem płytek skrawających. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe fotografie kwadratowych płytek skrawających z regularnego azotku boru po toczeniu powłok stopowych i kompozytowych. Widoczne jest zużycie mechaniczno-ścierne płytek na powierzchni przyłożenia i natarcia. Objawami zużycia ostrza są wykruszenie i starcie. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowe fotografie trygonalnych płytek skrawających z regularnego azotku boru po toczeniu powłok stopowych i kompozytowych. Widoczne jest zużycie płytek na powierzchni przyłożenia i natarcia. Objawami mechaniczno – ściernego zużycia ostrza noża tokarskiego płytek kwadratowych i trygonalnych jest starcie powierzchni przyłożenia po toczeniu powłok kompozytowych i wykruszenie po toczeniu powłok stopowych. Zużycie mechaniczno-ścierne ostrza płytek skrawających wywołane jest zaczepianiem i ścinaniem nierówności pob)

Rys. 4. Zużycie płytki skrawającej SNGA 120408 S01030A CB7015 po toczeniu: a) powłok stopowych Ni-5%Al; b) powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

a)

b)

Rys. 5. Zużycie płytki skrawającej WNGA 080408 S01030A CB7015 po toczeniu: a) powłok stopowych Ni-5%Al; b) powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

t

wającą trygonalną WNMG080408S01030A z borazonu CB7015 największa szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia wynosiła VB = 0,65 mm, natomiast na powierzchni natarcia szerokość wyżłobienia była równa KB = 0,15 mm, zużycie nastąpiło na powierzchni przyłożenia w wyniku starcia, a wytarcia na powierzchni natarcia. Średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni była równa Ra = 0,47 μm. Płytka skrawająca trygonalna WNMG080408S01030A z borazonu CB7015 cechuje się prawie dwukrotnie mniejszym zużyciem powierzchni przyłożenia (rys. 2) i pięciokrotnie mniejszym zużyciem powierzchni natarcia (rys. 3) w porównaniu do płytki kwadratowej SNGA120408S01030A z borazonu CB7015, gdzie zużycie powstało poprzez wykruszenie. Stosując płytki trygonalne WNMG080408-KF wykonane z węglików spiekanych, określono, że najmniejsza średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni powłok stopowych była równa Ra = 0,54 μm dla gatunku GC3215. Po przeprowadzeniu toczenia powłok kompozytowych nożem tokarskim z płytką kwadratową SNGA120408S01030A z regularnego azotku boru o gatunku CB7015 mocowaną w oprawce DSDNN – 2525M12 zmierzono maksymalną szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia równą VB = 0,7 mm, natomiast szerokość wyżłobienia powierzchni natarcia KB = 0,4 mm. Powłoki kompozytowe poddane toczeniu płytką skrawającą kwadratową uzyskiwały chropowatość powierzchni Ra = 1,08 μm. Natomiast po toczeniu płytką skrawającą trygonalną WNMG080408S01030A z regularnego azotku boru o gatunku CB7015 montowaną w oprawce DWLNRL – 2525M08 największa szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia wynosiła VB

13


14

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Rys. 6. Średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości po toczeniu powłok stopowych Ni-5%Al oraz powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

Rys. 7. Parametry chropowatości związane z krzywą udziału materiałowego dla próbek po toczeniu powłok stopowych Ni-5%Al

Rys. 8. Parametry chropowatości związane z krzywą udziału materiałowego dla próbek po toczeniu powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3

wierzchni ostrza przez nierówności nowo tworzonych powierzchni przedmiotu i wióra. Istotną przyczyną zużycia płytek skrawających jest również oddziaływanie

twardych wtrąceń fazy dyspersyjnej tlenku glinu. Na podstawie wyników zamieszczonych na rysunku 6 można stwierdzić, że

najmniejsze wartości średniej arytmetycznej rzędnych profilu chropowatości powierzchni występują po toczeniu próbek z nałożonymi powłokami stopowymi, nożami tokarskimi z płytkami wykonanymi z regularnego azotku boru: okrągłymi N123J1-0600-RE CB7015 oraz trygonalnymi WNMG 080408 S01030A CB7015, a także płytkami trygonalnymi WNMG 080408KF z węglika spiekanego gatunku GC3215. Dla próbek z powłokami stopowymi, które były toczone płytkami kwadratowymi SNGA 120408 S01030A z borazonu CB7015 zarejestrowano największe wartości parametrów chropowatości. Po obróbce skrawaniem powłok kompozytowych Ni-5%Al-15%Al2O3 za pomocą noży tokarskich z płytką skrawającą kwadratową SNGA 120408 S01030A z regularnego azotku boru (gatunek CB7015) mocowaną w oprawce DSDNN2525M12, określono, że średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości powierzchni osiągała mniejszą wartość w porównaniu do chropowatości powierzchni obrobionej za pomocą płytki skrawającej wykonanej z tego samego gatunku (CB7015), ale również i z węglików spiekanych (o gatunkach: GC3205, GC3210, GC3215) dla kształtu trygonalnego płytek skrawających. Najmniejszą wartość średniej arytmetycznej rzędnych profilu chropowatości powierzchni uzyskuje powłoka kompozytowa toczona okrągłą płytką skrawającą N123J1-0600-RE umieszczoną w oprawce RF123J13-2525BM. Płytka okrągła po toczeniu powłok kompozytowych cechuje się tym, że nie zaobserwowano zużycia na powierzchni przyłożenia i natarcia przy zachowaniu stałej drogi skrawania. Po toczeniu płytkami skrawającymi okrągłymi N123J1-0600-RE w oprawce RF123J13-2525BM zarówno powłoki stopowe uzyskują najmniejszą wartość średniej arytmetycznej rzędnych profilu chropowatości powierzchni, jak i powłoki kompozytowe. Na podstawie określonej chropowatości powierzchni powłok kompozytowych poddanych bardzo dokładnemu toczeniu przy zachowaniu dużej trwałości ostrza płytek skrawających wydaje się zasadne zaproponowanie jako optymalnych płytek o kształcie okrągłym, trygonalnym i kwadratowym z regularnego azotku boru gatunku CB7015. Przy czym zasadne jest stosowanie do toczenia powłok stopowych płytek okrągłych i trygonalnych z borazonu i trygonalnych z węglika spiekanego gatunku GC3215, natomiast do toczenia powłok kompozytowych płytek okrągłych i kwadratowych z regularnego azotku boru gatunku CB7015. Na podstawie wyników zamieszczonych na rysunku 7 można stwierdzić, że

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów najmniejsze wartości parametrów chropowatości związanych z krzywą udziału materiałowego (Rk, Rpk, Rvk) występują dla próbek z naniesioną powłoką stopową, które były toczone za pomocą płytek okrągłych N123J1-0600-RE CB7015 oraz trygonalnych (WNMG 080408 S01030A z borazonu gatunku CB7015, WNMG 080408-KF z węglika spiekanego gatunku GC3215). Natomiast największe wartości parametrów chropowatości były dla próbek toczonych płytkami kwadratową SNGA 120408 S01030A z borazonu CB7015 i trygonalną WNMG 080408-KM z węglika spiekanego GC3205. Na podstawie wyników zamieszczonych na rysunku 8 można stwierdzić, że najmniejsze wartości parametrów chropowatości związanych z krzywą udziału materiałowego (Rk, Rpk, Rvk) występują dla próbek z naniesioną powłoką kompozytową, które były toczone za pomocą płytek okrągłych N123J1-0600-RE CB7015 i kwadratowych SNGA 120408 S01030A z borazonu CB7015. Natomiast największe wartości parametrów chropowatości były dla próbek toczonych płytkami trygonalnymi.

Wnioski l Po

przeprowadzonej analizie wyników badań określono, że ze względu na uzyskanie jak najmniejszej chropowatości powierzchni toczonych powłok stopowych, przy jak najmniejszym zużyciu płytki skrawającej na powierzchni przyłożenia i natarcia, dla stałej drogi skrawania, wskazane jest stosowanie trygonalnych płytek skrawających wykonanych z regularnego azotku boru o gatunku CB7015, a także z węglika spiekanego o gatunku GC3215 oraz płytek o profilu okrągłym z borazonu o gatunku CB7015. l Chropowatość powierzchni obrobionej powłoki stopowej poddanej toczeniu płytką trygonalną z borazonu jest trzykrotnie mniejsza niż chropowatość powłoki toczonej płytką kwadratową. Zatem nie wskazane jest stosowanie płytek kwadratowych do obróbki skrawaniem powłok stopowych. l Po przeprowadzonych badaniach toczenia wykończeniowego powłok kompozytowych określono, że ze względu na uzyskanie jak najmniejszej chropowatości powierzchni, przy jak najmniejszym zużyciu płytki skrawającej na powierzchni przyłożenia i natarcia, dla stałej drogi skrawania, celowe by było stosowanie płytek skrawających: okrągłych, kwadratowych i trygonalnych wykonanych z regularnego azotku boru gatunku CB7015.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

l Do

toczenia wykończeniowego wałów napędowych stalowych z naniesionymi powłokami stopowymi (np. wałów napędowych stosowanych w pompach odśrodkowych wody morskiej) należałoby zastosować okrągłe i trygonalne płytki skrawające z borazonu CB7015 i trygonalne z węglika spiekanego GC3215. l W celu przeprowadzenia bardzo dokładnej obróbki skrawaniem powierzchni walcowych zewnętrznych z naniesionymi powłokami kompozytowymi należałoby stosować kwadratowe i okrągłe płytki skrawające wykonane z materiału narzędziowego o nazwie handlowej borazon w gatunku CB7015.

Literatura [1] U.A. Dabade, D. Dapkekar, S.S. Joshi: Modeling of chip–tool interface friction to predict cutting forces in machining of Al/SiCp composites, International Journal of Machine Tools and Manufacture 49 (2009) 690–700. [2] T. Dyl: The influence of relative draft on the intermetallic coatings surface roughness decrease ratio. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni Nr 60 (2009) 94–99. [3] T. Dyl, R. Starosta: Determining the effect of the geometry and type of inserts on the geometric structure of turned composite coatings, Inżynieria Materiałowa Nr 6 (190) (2012) 701–704. [4] E.O. Ezugwu: Improvements in the machining of aero-engine alloys using self-propelled rotary tooling technique, Journal of Materials Processing Technology 185 (2007) 60–71. [5] E.O. Ezugwu, J. Bonney, D.A. Fadare, W.F. Sales: Machining of nickel-base, Inconel 718, alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures, Journal of Materials Processing Technology 162–163 (2005) 609–614. [6] S. Kannan, H.A. Kishawy: Surface characteristics of machined aluminium metal matrix composites, International Journal of Machine Tools aqnd Manufacture 46 (2006) 2017–2025. [7] W. Labuda, A. Charchalis: Preliminary research on tribologic wear of marine pump shaft pins. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni Nr 81 (2013) 55–62. [8] W. Li, P.J. Withers, D. Axinte, M. Preuss, P. Andrews: Residual stresses in face finish turning of high strength nickel-base d superalloy, Journal of Materials Processing Technology 209 (2009) 4 896–4 902. [9] L.N. López de Lacalle, A. Gutiérrez, A. Lamikiz, M.H. Fernandes, J.A. Sánchez:

15

Turning of Thick Thermal Spray Coatings, Journal of Thermal Spray Technology 10 (2001) 249–254. [10] Materiały informacyjne, Messer – Castolin, 2009. [11] S. Morel: Powłoki natryskiwane cieplnie, Wydawnicwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1997. [12] E. Nadasi:Nowoczesne metody metalizacji natryskowej, WNT, Warszawa 1975. [13] R.S. Pawade-Joshi, P.K. Brahmankar, M. Rahman: An investigation of cutting forces and surface damage in high-speed turning of Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology 192–193 (2007) 139–146. [14] R.S. Pawade, S.S. Joshi, P.K. Brahmankar: Effect of machining parameters and cutting edge geometry on surface integrity of high-speed turned Inconel 718, International Journal of Machine Tools and Manufacture 48 (2008) 15–28. [15] A. Pramanik, K.S. Neo, M. Rahman, X.P. Li, M. Sawa, Y. Maeda: Ultra-precision turning of electroless-nickel: Effect of phosphorus contents, depth-of-cut and rake angle, Journal of Materials Processing Technology 208 (2008) 400–408. [16] M. Remadna, J.F. Rigal: Evolution during time of tool wear and cutting forces in the case of hard turning with CBN inserts, Journal of Materials Processing Technology 178 (2006) 67–75. [17] R. Starosta, A. Charchalis, T. Dyl: Dobór technologii natryskiwania cieplnego oraz nagniatania w aspekcie poprawy właściwości eksploatacyjnych wałów pomp krętnych. Sprawozdanie z projektu badawczego własnego N504 303537, Gdynia 2012, s. 1–306 (maszynopis). [18] R. Starosta: Podstawy wytwarzania i obróbki powłok kompozytowych w procesach regeneracji elementów maszyn i urządzeń eksploatowanych w środowisku wody morskiej, Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2013. [19] Turning Tools for Finishing, Sandvik Coromant, 2009. [20] D.G. Thakur, B. Ramamoorthy, L. Vijayaraghavan: Study on the machinability during high speed turning, Materials and Design 30 (2009) 1718–1725.

Przedruk: T. Dyl: Obróbka wykończeniowa powłok kompozytowych w aspekcie zużycia ostrza noża tokarskiego, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Nr 83, str. 29-44, 2014.

dr hab. inż. Tomasz Cyryl Dyl, prof. UMG Uniwersytet Morski w Gdyni


16

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Obróbka materiałów kompozytowych TOMASZ TRZEPIECIŃSKI

Ze względu na różnorodność właściwości wytwarzanych kompozytów, decydujących o wyborze odpowiedniej techniki cięcia, konieczna jest znajomość problemów związanych z prowadzeniem operacji rozdzielania materiału za pomocą podstawowych metod, tj. cięcia mechanicznego (obróbka plastyczna, obróbka skrawaniem), cięcia gazowego (tlenowego lub plazmowego), cięcia strumieniem wody i strumieniem wodno-ściernym, cięcia wiązką promieni lasera oraz cięcia elektroerozyjnego. Kryterium wyboru odpowiedniej techniki cięcia do określonego zastosowania zależy nie tylko od oczekiwanej prędkości cięcia, grubości materiału, ale jest również związane z właściwościami fizycznymi obrabianego materiału. Kompozyty to materiały o niejednorodnej strukturze złożone z dwóch lub więcej materiałów o różnych właściwościach. Najczęściej jeden ze składników stanowi osnowę, która zapewnia strukturze odpowiednią elastyczność i spójność. Drugi ze składników (faza zbrojąca) gwarantuje wymaganą wytrzymałość mechaniczną kompozytu. Ze względu na dużą liczbę odmian struktur kompozytowych trudno jest jednoznacznie zdefiniować pojęcie kompozytu. Najbardziej adekwatna wydaje się definicja podana przez Królikowskiego [1] określająca kompozyt jako materiał utworzony z „co najmniej dwóch faz o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze lub właściwości nowe od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno – kompozyt posiada widoczne granice między komponentami”. W zależności od rodzaju osnowy materiały kompozytowe dzielone są na kompozyty o osnowie metalowej oraz niemetalowej (polimerowej, ceramicznej). Ze względu na rodzaj fazy zbrojącej, według najbardziej ogólnego podziału, wyróżniamy kompozyty zbrojone włóknami, cząsteczkami lub w sposób dyspersyjny. Do głównych grup kompozytów zalicza się materiały kompozytowe złożone z osnowy metalowej (Metal Matrix Composite – MMC), ceramicznej (Ceramic Matrix Composite – CMC) lub polimerowej (Carbon Fibre Reinforced Plastics – CFRP, Glass Fibre Reinforced Plastics – CFRP, Aramid Fibre Reinforced Plastics – AFRP). Praktycznie nieograniczona możliwość wytworzenia kompozytów o szerokim zakresie właściwości oraz różnej podatności do obróbki sprawia, że wybór odpowiedniej techniki cięcia należy podejmować

indywidualnie. Kryterium wyboru odpowiedniej techniki cięcia do określonego zastosowania zależy nie tylko od oczekiwanej prędkości cięcia, grubości materiału, ale jest również związane z właściwościami fizycznymi ciętego materiału. Zastosowanie nieodpowiedniej techniki cięcia może doprowadzić do rozwarstwienia struktury kompozytu w obszarze przeciętej krawędzi, prowadząc do zmniejszenia wytrzymałości struktury na długotrwałe obciążenia zmęczeniowe. W zastosowaniach materiałów kompozytowych w przemyśle lotniczym, na takie elementy jak poszycia skrzydeł, usterzenie oraz wręgi, jakość powierzchni przecięcia odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu odpowiedniej trwałości i niezawodności konstrukcyjnej statku powietrznego.

Obróbka skrawaniem Obróbka materiałów kompozytowych za pomocą metod obróbki skrawaniem związana jest z zapewnieniem odpowiednich parametrów obróbki oraz odpowiedniego narzędzia celem minimalizacji lub wyeliminowania zjawiska delaminacji. Problemem jest również konieczność zapewnienia bezpiecznego odprowadzania szkodliwych pyłów powstających w trakcie obróbki skrawaniem [2]. Typowymi metodami obróbki kompozytów jest frezowanie, wiercenie oraz cięcie. Różnica w niejednorodności właściwości materiałów kompozytowych powoduje szybkie zużywanie się narzędzia skrawającego. Konieczne jest stosowanie narzędzi specjalnych w zakresie użytego materiału, rodzaju powłoki ochronnej oraz geometrii ostrza,

dostosowanych do obróbki konkretnego materiału kompozytowego. Przykładowo, do obróbki kompozytów przekładkowych z rdzeniem komórkowym o strukturze plastra miodu, wykonanych z aluminium lub tworzywa włóknistego, stosuje się frezy z ząbkowanymi ostrzami [3]. Do wiercenia kompozytów CFRP stosowane są wiertła, głównie z powłoką diamentową, o stopniowanej średnicy wzdłuż długości wiertła. Do obróbki skrawaniem kompozytów o osnowie metalowej zaleca się używać narzędzi ze specjalnych gatunków ceramiki, węglików spiekanych oraz polikrystalicznego diamentu, którego zastosowanie jest ograniczone do wierteł o dużej średnicy [4]. Podstawowym problemem w zapewnieniu odpowiedniej jakości obróbki są twarde cząstki ceramiczne stanowiące fazę wzmacniającą kompozytów. Są one źródłem intensywnego zużywania się narzędzi, nawet wykonanych z węglików spiekanych.

Obróbka elektroerozyjna Obróbka elektroerozyjna stanowi alternatywę do obróbki skrawaniem i wykorzystywana jest do drążenia otworów, przede wszystkim w kompozytach o osnowie metalowej. Drążenie elektroerozyjne (Electrical Discharge Machining – EDM) oraz wycinanie drutem (Wire Electrical Discharge Machining – WEDM) są stosowane do kształtowania matryc kompozytowych o złożonych kształtach powierzchni wewnętrznych [5], z dokładnością do 2 μm. Podczas obróbki elektroerozyjnej naddatek jest usuwany z materiału kompozytowego w wyniku zjawisk towarzyszących wyładowaniom elektrycznym (wydzielanie ciepła, wzrost temperatury, parowanie, topienie i rozrywanie materiału) w obszarze pomiędzy elektrodą a materiałem obrabianym. Obróbka EDM i WEDM ogranicza występowanie naprężeń poobróbkowych w przedmiocie obrabianym. Jednym z problemów cięcia WEDM są mała wydajność cięcia oraz powstawanie niepożądanej tzw. warstwy białej na obrobionej powierzchni [5], której grubość zależy od rodzaju kompozytu oraz warunków obróbki. Kompozyty ceramiczne o złożo-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

17

nych kształtach można poddawać obróbce elektroerozyjnej, o ile charakteryzują się odpowiednią przewodnością elektryczną, co można uzyskać przez dodatek TiC, TiN lub TiB2. Oporność materiałów poddawanych obróbce EDM nie powinna być większa niż 100 Ω·cm.

Obróbka ultradźwiękowa

www.pixabay.com

stosowana do obróbki kompozytów CFRP i charakteryzuje się wieloma zaletami w porównaniu do wiercenia otworów klasyczną metodą, tj. mniejsze opory cięcia, mniejsza chropowatość powierzchni obrobionej, mniejsze zużycie narzędzia oraz ograniczone zjawisko delaminacji. Podczas cięcia do strefy obróbki dostarczane jest medium chłodząco-smarujące (płyn lub zimne powietrze).

Cięcie laserowe W przypadku cięcia laserowego kompozytów CFRP mamy do czynienia z su-

blimacją: materiał w obszarze szczeliny cięcia ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego. Cięcie sublimacyjne stosuje się do obróbki materiałów, które nie ulegają stopieniu (np. drewno, pianki) oraz materiałów, które parują pod wpływem niewielkiej energii (np. tekstylia, folie z tworzyw sztucznych). Nie powstaje wytop, który należy usuwać. Strefa wpływu ciepła na krawędzi cięcia jest ograniczona do minimum, a wysoka temperatura wiązki lasera powoduje łączenie przeciętych włókien na krawędzi przecięcia. Do cięcia kompozytów zawierających włókna węglowe o grubości mniejszej niż 0,5 mm

t

Obróbka ultradźwiękowa polega na wykruszaniu cząstek materiału obrabianego poprzez uderzenie czoła koncentratora drgań w ziarna ścierne znajdujące się w zawiesinie wodnej znajdującej się pomiędzy materiałem obrabianym a narzędziem. Zadaniem cieczy roboczej jest przeniesienie fal ultradźwiękowych, usuwanie cząstek wykruszonego materiału ze strefy obróbki oraz chłodzenie strefy obróbki. Dokładność obróbki ultradźwiękowej, stosowanej głównie do drążenia otworów w materiałach ceramicznych i kompozytach, zależy głównie od wielkości ziaren ścierniwa oraz częstotliwości (19–25 kHz) i amplitudy drgań (10–50 μm) narzędzia. Odmianą obróbki ultradźwiękowej jest wykonywanie otworów za pomocą obrotowego wiertła wspomaganego ultradźwiękowo (Rotary Ultrasonic Machining – RUM). Metoda RUM jest najczęściej

t

reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


18

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

przy prędkości obróbki wynoszącej ponad 20 m/min wymagana jest moc lasera 1 kW. Prędkość cięcia jest 2–3-krotnie większa niż podczas cięcia strumieniem wody lub frezowania [6]. W przypadku obróbki kompozytów CFRP stosuje się lasery gazowe CO2 . Laser CO2 o mocy 5 kW przecina kompozyt o grubości 2 mm i większej z 2–3-krotnie większą prędkością w porównaniu do cięcia metodami obróbki skrawaniem [6]. Wiązka lasera może być również wykorzystana, poza cięciem, do przygotowania powierzchni kompozytów CFRP do klejenia, poprzez usunięcie warstwy wierzchniej materiału poprawiającej adhezję kleju do łączonych powierzchni. Za pomocą lasera najczęściej tnie się materiały kompozytowe o grubości 1–8 mm. W przypadku materiałów o większej grubości korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie cięcia strumieniem wodno-ściernym [7].

Cięcie strumieniem wodno-ściernym Obróbka strumieniem wodnym lub wodno-ściernym jest procesem ubytkowym, podczas którego strumień medium roboczego poprzez dyszę o średnicy 0,1– 0,4 mm kierowany jest na powierzchnię obrabianego materiału, co powoduje erozyjne odrywanie cząstek materiału obrabianego. Cięcie strumieniem wody znajduje szerokie zastosowanie, poza klasycznym zastosowaniem do obróbki metali, do obróbki materiałów kompozytowych, tworzyw sztucznych, materiałów elastomerowych, drewna, tkanin oraz mat. Omawiana technika do cięcia wykorzystuje materiały pochodzenia naturalnego, pobiera mniej energii w stosunku do innych technik cięcia (laserem, plazmą), a w trakcie samego procesu cięcia nie wydzielają się żadne szkodliwe dla środowiska substancje. Podczas cięcia strumieniem wodno-ściernym kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi CFRP krawędź cięta podlega nieznacznemu uszkodzeniu przez ścierniwo lub staje się wilgotna, co może doprowadzić do odrywania się włókien od osnowy. Cięcie strumieniem wodno-ściernym zalecane jest do obróbki materiałów kompozytowych kruchych. Krawędzie przecinanych elementów, w odróżnieniu od metod obróbki wysokoenergetycznej (m.in. laser, plazma) nie ulegają odkształceniom cieplnym oraz nie podlegają zmianom strukturalnym wywołanym temperaturą, ponieważ temperatura wody podczas rozdzielania materiału nie przekracza 40°C. Zaletą cięcia

wysokociśnieniowym strumieniem wody jest również brak potrzeby ostrzenia narzędzia tnącego oraz małe odkształcenia materiału przecinanego. Wysoka jakość powierzchni przecięcia, przy braku zadziorów sprawia, że technika cięcia strumieniem wodnym jest stosowana z powodzeniem do obróbki kompozytów o osnowie metalowej (Fibre Metal Laminate – FML). Problemem, który należy przezwyciężyć, jest obróbka strumieniem wodno-ściernym materiałów kompozytowych złożonych z warstw bardzo miękkich oraz twardych [7]. Wraz ze wzrostem różnicy twardości pomiędzy warstwami rośnie poziom trudności cięcia wodą związany z zapewnieniem odpowiedniej jakości obróbki na całej powierzchni przecięcia. Strumień wody, przechodząc przez warstwę miękką, natrafia na warstwę twardą i częściowo odbija się od niej, penetrując krawędź cięcia materiału miękkiego [8]. Badania Doluk i in. [2] potwierdziły możliwość zastosowania strumienia wodno-ściernego do cięcia kompozytowych struktur przekładkowych (stop aluminium + kompozyt węglowy na osnowie żywicy epoksydowej). Określono, że kluczowym parametrem wpływającym na jakość przecinanych powierzchni jest ciśnienie strugi.

Cięcie plazmowe Plazma jest silnie zjonizowanym gazem wyrzucanym w formie wiązki z dyszy plazmowej z prędkością zbliżoną do prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej. Temperatura wiązki zależy od natężenia prądu elektrycznego oraz rodzaju gazu plazmotwórczego i wynosi 10–30 tys. K. Przepływ gazu plazmotwórczego przez jarzący się łuk elektryczny powoduje jego jonizację i dzięki dużemu zagęszczeniu mocy wytwarza się strumień plazmy, który skupiany jest w dyszy. Silnie skoncentrowany plazmowy łuk elektryczny o wysokiej temperaturze i dużej energii kinetycznej, jarzący się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem, powoduje wyrzucanie metalu ze szczeliny cięcia. Cięcie plazmowe nie znajduje szerszego zastosowania do obróbki materiałów kompozytowych. Podjęte przez Iosub i in. [9] badania wskazują, że możliwe jest cięcie plazmowe kompozytów warstwowych złożonych z warstw aluminiowych rozdzielonych rdzeniem polietylenowym. Ze względu jednak na znacznie niższą temperaturę topnienia polietylenu, konieczne jest stosowanie dużych prędkości cięcia, aby zminimalizować ekspozycję polietylenu na plazmowy łuk elektryczny.

Podsumowanie Ze względu na dużą różnorodność właściwości kompozytów, określenie możliwości cięcia materiału kompozytowego wybraną metodą wymaga indywidualnego podejścia. Podstawowym kryterium jest wymagana dokładność powierzchni przecięcia oraz właściwości fizyczne kompozytu decydujące o technicznej możliwości przeprowadzenia obróbki za pomocą danej metody. W przypadku gdy kompozyt ma zorientowaną kierunkowo strukturę warstwową, efektywność cięcia jest zależna od orientacji linii cięcia oraz kolejności ułożenia warstw.

Literatura [1] W. Królikowski: Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012. [2] E. Doluk, J. Kuczmaszewski, P. Pieśko: Wpływ zmiany parametrów cięcia wodno-ściernego na jakość przecinania kompozytowych struktur przekładkowych. Mechanik, 7, 2018, 476-478. [3] J. Jóźwik, A. Tofil, M. Banaszek, I. Kuric: Wybrane aspekty obróbki skrawaniem polimerowych kompozytów włóknistych i oceny chropowatości powierzchni. Postępy Nauki i Techniki, 15, 2012, 205-220. [4] J. Perończyk, D. Biało: Wybrane problemy obróbki elektroerozyjnej kompozytów aluminiowych. Kompozyty, 1, 2001, 211-214. [5] D. Biało, J. Perończyk, R. Daniels, J. Duszczyk: obróbka elektroerozyjna kompozytów Ni3Al-TiC. Mechanik, 4, 2015, 17-21. [6] https://www.magazynprzemyslowy. pl/produkcja/Laserowa-obrobka-materialow-kompozytowych,8494,1 (dostęp: 21.10.2018). [7] https://www.magazynprzemyslowy.pl/ produkcja/Dokladne-ciecie-i-gladka-krawedz,6601,1 (dostęp: 21.10.2018). [8] http://www.akademiacieciawoda.pl/ mozliwosci-ciecia-woda-cz-3-materialy-wielowarstwowe-kompozyty/ (dostęp: 21.10.2018). [9] A. Iosub, G. Nagit, F. Negoescu: Plasma cutting of composite materials. Int. J. Mater. Form., 1, 2008, 1347-1350. Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Stal” nr 5-6/2018.

dr hab. inż. Tomasz Trzepieciński, prof. PRz Katedra Przeróbki Plastycznej Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

19

Proces technologiczny oraz jakość cięcia strumieniem wodno-ściernym ANDRZEJ MAZURKIEWICZ

l

W artykule określono podstawowe parametry wpływające na jakość powierzchni cięcia strumieniem wodno-ściernym. Zwrócono uwagę na możliwą obróbkę wielu rodzajów materiałów o znacznej grubości. Na wybranych przykładach przedstawiono najważniejsze elementy projektowania procesu cięcia i czynniki określające jakość powierzchni cięcia oraz dokładność uzyskanego kształtu.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

oraz zastosowanie układu sterowania CNC. Również zastosowanie strumienia wodnościernego o ciśnieniu 6000 bar może mieć dla użytkownika kilka istotnych zalet, w stosunku do powszechnie stosowanego cięcia przy ciśnieniu ok. 3500 bar [2], m.in.: wzrost maksymalnej prędkości posuwu głowicy tnącej, możliwość cięcia cienkich blach bez użycia ścierniwa. Jednak zdaniem producentów maszyn do cięcia strumieniem wodno-ściernym, możliwości wykorzystania strumienia wody o wysokim ciśnieniu bez ścierniwa są ograniczone. To innowacyjne rozwiązanie zwiększające ciśnienie robocze wzmacniaczy do 6000 barów umożliwiające skokowy wzrost wydajności cięcia. Jednak ze względu na wysoką cenę, obrabiarki nowej generacji są obecnie w Polsce bardzo nieliczne. Wyższe ciśnienia robocze powodują zwiększone nakłady serwisowe związane z uszczelkami pomp oraz innych części mających kontakt z wysokim ciśnieniem [3, 4].

Dobór parametrów obróbki Wskaźniki technologiczne procesu obróbki strumieniem wysokociśnieniowym (wydajność, falistość, głębokość wnikania powiązana z grubością ciętego materiału, chropowatość powierzchni) określają jakość obróbki i związane są z: l ciśnieniem strumienia; l prędkością przesuwu strumienia względem materiału obrabianego; l wydatkiem mieszaniny: ciecz (woda) – ścierniwo; l koncentracją i wymiarem ścierniwa;

Rys. 1. Powierzchnia boczna elementu wyciętego ze stali chromowo-niklowej o grubości 25 mm z widocznymi wyżłobieniami powstałymi w procesie cięcia strumieniem wodno-ściernym [5]

t

Obróbka strumieniem wodnym lub wodno-ściernym AWJ (Abrasive Water Jet Cutting) począwszy od 1983 roku zyskała zdecydowanie na znaczeniu, szczególnie w USA. Rozwój ten jest ściśle związany z wprowadzaniem nowych, trudno obrabialnych materiałów. Początki stosowania obróbki strumieniem wodnym wiążą się z możliwościami uzyskania wysokich ciśnień czynnika roboczego. Obróbka strumieniem wodnym lub wodno-ściernym jest procesem ubytkowym, podczas którego strumień ten poprzez dyszę o średnicy 0,1–0,35 mm kierowany jest na powierzchnię obrabianego materiału i tam odrywa jego cząstki. Obróbka strumieniem wodno-ściernym uważana jest za proces usuwania materiału na zimno, ponieważ zwykle przyrost temperatury w strefie obróbki nie przekracza 50–80°C [1]. Proces cięcia strumieniem wodnym stosuje się w odniesieniu do części, których wykonanie innymi technologiami jest trudne, kosztowne lub wręcz niemożliwe. Strumieniem wody możemy ciąć niemal wszystkie materiały. Wśród użytkowników maszyn do cięcia wodą podział na branże przedstawia się następująco [1]: l obróbka metali –42%; l obróbka kamienia (marmur, granit) – 28%; l przemysł samochodowy (zastosowania 3D) – 14%; l przemysł spożywczy – 3%; l inne zastosowania przemysłowe – 10%. Zwiększenie możliwości zastosowania AWJ nastąpiło wraz z dodaniem do strumienia wodnego materiału ściernego

wielkością powierzchni przekroju i kształtu strumienia; l odległością głowicy od powierzchni materiału; l właściwościami materiału obrabianego. W operacji cięcia należy tak dobrać parametry, aby głębokość wnikania strumienia w materiał obrabiany była większa od grubości ciętego materiału. Falistość powierzchni obrabianych elementów można zminimalizować przez optymalny dobór ciśnienia, prędkości przesuwu strumienia oraz wielkości i kształtu przekroju poprzecznego dyszy. Rozwój technologii komputerowych pozwolił na opracowanie programów mogących wykonywać skomplikowane obliczenia, zastosowane zostały one również do określania parametrów cięcia strumieniem wodno-ściernym. Powierzchnia boczna przecięcia detalu jest charakterystyczna dla procesu cięcia strumieniem wodno-ściernym (rys. 1). W górnej części materiału (wejście strumienia wodno-ściernego) jakość powierzchni jest dość dobra, zdecydowanie jednak pogarsza się wraz z głębokością materiału (w kierunku wyjścia strumienia wodno-ściernego). Jest to skutkiem występowania dwóch stref w tym procesie


20

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

cięcia. W strefie zużycia poślizgowego chropowatość jest w miarę stabilna i to właśnie w tej strefie jej wartości są najmniejsze. W strefie zużycia udarowego następuje znaczne pogorszenie jakości powierzchni, a w tym zwiększenie wartości chropowatości. Na detalach o znacznej grubości (powyżej 10 mm) jest to bardzo dobrze widoczne, szczególnie przy stosowaniu niskiej klasy obróbki związanej z parametrami. Przy stałych parametrach cięcia na chropowatość powierzchni wpływa również wielkość ścierniwa. Im większe ścierniwo, tym gorsza powierzchnia. Charakterystyka ta jest przedstawiona na rysunku 2. Chropowatość także wzrasta ze wzrostem ciśnienia. Podczas skrawania strumieniem wodno-ściernym, gdy skupiona wiązka uderza w powierzchnię następuje rozbicie jej spójności. Oddziaływanie wysokociśnieniowego strumienia czystej wody na obrabiany materiał jest ściśle związane ze strukturą strumienia kształtowaną po wyjściu z dyszy wodnej. Powszechnie przyjętym kryterium oceny przydatności wysokociśnieniowego strumienia czystej wody do przecinania materiałów jest jego koherentność, przez co rozumie się zdolność strumienia do nierozpadania się podczas ruchu w powietrzu i zachowania stałej energii kinetycznej w określonej odległości od dyszy. Strumień wody o wysokim ciśnieniu i dużej prędkości po wyjściu z dyszy wodnej o kształcie walcowym trafia do powietrza, ośrodka o dużo mniejszej gęstości od wody, tracąc przy tym swój walcowy kształt, nadany kształtem dyszy wodnej i przyjmuje postać stożka. Ponadto wysokociśnieniowy strumień wody poruszający się w powietrzu ulega aeracji, przez co należy rozumieć nasycenie strumienia wody powietrzem, które zaczyna

Rys. 2. Zależność chropowatości powierzchni obrobionej od odległości od górnej krawędzi szczeliny dla różnych wielkości ziarna ściernego [9]

się przy jego powierzchni zewnętrznej i sukcesywnie przenika do wnętrza strumienia. Usuwanie materiału w wyniku oddziaływania wiązki odbywa się przez skrawanie oraz przez ścieranie (rysowanie). To powoduje charakterystyczny obraz powierzchni cięcia, z różnymi wadami kształtu [6, 7, 8]. W celu ograniczenia wpływu stożka na jakość wyrobu należy używać dobrej jakości dyszy nie zużytej (zużywanie dyszy można porównywać do zużycia ostrzy narzędzi do obróbki skrawaniem), jak też o mniejszej średnicy, małe odległości dyszy od powierzchni cięcia, ciąć z małym posuwem oraz stosować odpowiedniej jakości ścierniwo. W nowych urządzeniach do cięcia istnieje możliwość ustawienia głowicy pod kątem niwelującym tworzenie stożka. Na pracę zespołu obróbkowego, a zwłaszcza na działanie głowicy narzędziowej wpływają parametry hydrauliczne, co objawia się poprzez: l sprawność hydrauliczną, l rozszerzenie strumienia, l rozdrobnienie cząstek ściernych, l porywanie cząstek ściernych, l zużycie dyszy mieszającej, l sprawność mieszania. Sprawność hydrauliczna jest wyrażona stosunkiem mocy kinetycznej strumienia do mocy źródła napędu. Ze wzrostem ciśnienia i natężenia przepływu wody sprawność hydrauliczna zmniejsza się. Rozszerzenie strumienia ogólnie wzrasta ze zwiększeniem ciśnienia i natężenia przepływu wody. Rozdrobnienie cząstek ściernych wewnątrz dyszy mieszającej rośnie ze wzrostem ciśnienia i natężenia przepływu wody. Stwierdzono, iż około 70–80% wszystkich przepływających przez dyszę cząstek może nie przenikać do jądra strumienia i zostaje poddawana cyklicznemu

Rys. 3. Powstawanie „stożka” podczas obróbki [7]

odbijaniu i odwracaniu na powierzchni strumienia. Zjawisko to może przyczynić się do zużycia dyszy i obniżenia sprawności mieszania [10]. Porywanie cząstek ściernych zależy od ciśnienia i natężenia przepływu. Zwiększenie ciśnienia powoduje zasysanie większej ilości ścierniwa, co wywołuje wzrost zdolności obróbkowej strumienia wodno-ściernego. Również natężenie przepływu wody jest zwykle powiązane ze zwiększeniem zdolności do zasysania. Jednak, jeśli natężenie przepływu wody jest zwiększane zbyt szybko, to proces zasysania będzie hamowany, co jest następstwem zwilżania ścierniwa w układzie zasilania – szczególnie, kiedy zastosowano względnie małą średnicę rury mieszającej. Zużycie dyszy mieszającej rośnie wraz ze wzrostem mocy hydraulicznej. Sprawność mieszania jest wyrażana stosunkiem zmiany pędu wychodzącego strumienia wodno-ściernego do pędu strumienia wodnego. Ze wzrostem ciśnienia polepsza się sprawność mieszania, nawet w różnych warunkach mieszania [1, 11].

Proces technologiczny i jakość badanych powierzchni po cięciu strumieniem wodno-ściernym Sterowanie Centrum Obróbczego JetMachining odbywa się przez wykorzystanie oprogramowania OMAX. Gdy dysza strumienia ścierniwa zostanie ustawiona nad materiałem, oprogramowanie przejmuje kontrolę nad pozostałymi czynnościami. Proces technologiczny wykonania operacji cięcia składa się z etapów: l przygotowanie rysunku, np. w programie AutoCad Mechanical 2000 i zapisanie z rozszerzeniem DXF; l import szkicu DXF do odpowiedniego programu; l naprawa i czyszczenie rysunku; l dobór parametrów obróbki; l wstawienie trawers wprowadzeń i wyprowadzeń, tj. określenie odcinków, po których porusza się głowica, wędrując z jednego konturu na drugi (na szybkim posuwie) tak, aby wejście w materiał nie następowało bezpośrednio na konturze. Wprowadzenia i wyprowadzenia odsuwają strumień o pewną wartość od konturu detalu tak, aby do konturu doszedł już strumień przebijający „na wylot” obrabiany materiał; l edycja ścieżki narzędzia; l przypisywanie materiału i ilości wykonanych detali; l mocowanie półfabrykatu, obróbka detali i jej wyniki. Na rysunku 4 widoczny jest kształt próbki do badań, na którym widać w postaci

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Rys. 4. Gotowy program wycinania próbek w kształcie sześciokąta z otworami do pomiarów stożka [7]

Rys. 5. Widok powierzchni po cięciu strumieniem wodno-ściernym w klasie 1 i 5 wybranych próbek z określonymi prędkościami liniowymi obróbki

Rys. 6. Charakterystyka zmiany chropowatości w zależności od klasy na wysokości wejścia strumienia

li 0H18N9 z dobrą jakością pomimo jej najwyższej twardości (365 HV10 przy 110HV10 stali St3S i 139 HV10 stopu aluminium). Pomiary stożka W celu określenia dokładności kształtu przeprowadzono pomiary „stożka”. Wartość „stożka” obliczono jako różnicę mię-

dzy średnicą otworu badanej próbki od strony wyjścia strumienia i średnicą otworu od strony wejścia strumienia. Powstawania „stożka” podczas obróbki należy spodziewać się również podczas cięcia po linii prostej. Przykład powstania takiej wady kształtu pokazano na rysunku 8. Unikanie wspomnianych wad wymaga

t

grubej czerwonej linii drogę, którą pokona strumień, skrawając materiał (zarys zewnętrzny oraz sześć otworów). Aktualnie oprogramowanie OMAX Intelli-MAX jeszcze bardziej ułatwia proces przygotowania do obróbki. Składa się z dwóch podstawowych elementów: l LAYOUT – program CAD przeznaczony do rysowania części, które chce się wyciąć. Oprogramowanie umożliwia również zaimportowanie rysunku z innego programu CAD/CAM, a nawet skopiowanie fotografii; l MAKE – narzędzie kontrolujące proces cięcia. Program Make automatycznie oblicza dokładne ruchy dyszy, określa czas i koszt cięcia, automatycznie wykrywa potencjalne kolizje. Próbki wycinano strumieniem wodno-ściernym o stałym ciśnieniu wynoszącym 3447 bar. Jako ścierniwa użyto mineralnego garnetu o wymiarach ziarna 80 mesh. Proces cięcia odbywał się w zanurzeniu pod wodą, umożliwiając cichą obróbkę. Przedmiot zanurzony był na głębokość ok. 50 mm pod lustrem wody. Próbki wycinano przy użyciu dyszy Max-Jet o średnicy 0,7 mm. Dysza znajdowała się w odległości 1,6 mm od przedmiotu obrabianego. Przy użyciu programu OMAX Feed Rate Calculator możliwe jest po wstawieniu odpowiednich danych, określenie wartości prędkości liniowych i kątowych dla każdej z pięciu klas. W zależności od wymagań jakościowych stawianych obrabianym elementom i w konsekwencji przyjęciu odpowiednich parametrów obróbki otrzymamy odpowiednią powierzchnię cięcia. Badaniu poddano trzy gatunki materiału: Certal (AlZn5MgCu) grubości 15 mm, stal St3S o grubości 30 mm i stal nierdzewną OH18N9 o grubości 5 mm. Na rysunku 5 przedstawiono przykłady powierzchni wykonanych z klasą 1 (zgrubną) i klasą 5 (dokładną). Ze względu na ograniczenia objętości pracy przedstawiono wybrane obrazy badanych próbek. Pomiary chropowatości powierzchni cięcia Wskaźnikiem jakości powierzchni przecinanych próbek jest chropowatość powierzchni. Pomiary chropowatości zostały przeprowadzone przy pomocy profilogramu firmy Multitoyo. Na każdej powierzchni chropowatość była mierzona w górnej części próbki przy wejściu strumienia i w dolnej części przy wyjściu strumienia tnącego. Wyniki pomiarów w zależności od klasy i materiałów przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Analiza wyników pomiarów chropowatości wskazuje na obrabialność sta-

21


22

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Rys. 7. Charakterystyka zmiany chropowatości w zależności od klasy na wysokości wyjścia strumienia

Rys. 8. Przedmiot ze stali nierdzewnej o grubości 25 mm przecięty strumieniem wodno-ściernym. Kąt odchylenia powierzchni cięcia około 1o [5] l spadek

efektywności procesu; zwiększenie chropowatości powierzchni przecięcia; l zwiększenie kąta zukosowania powierzchni przecięcia φ; l zwiększenie szerokości szczeliny cięcia b. Jeżeli rozproszenie strumienia wodnego lub wodno-ściernego nasila się wraz z odległością od wyjścia z dyszy, to istotnego znaczenia nabiera odległość dyszy głowicy tnącej od ciętego materiału. Odległość ta może wpływać na intensywność występowania błędów kształtu i dokładności powierzchni przecięcia. Do badań zastosowano próbkę za stali St3S o kształcie umożliwiającym przeprowadzenie próby w jednakowych warunkach (rys. 10). Badania wpływu odległości dyszy głowicy tnącej od ciętego materiału na jakość końcową wyrobu polegały na przecięciu próbki strumieniem wodno-ściernym, pomiarze chropowatości i kąta zukosowania powierzchni przecięcia. Proces cięcia polegał na ustawieniu głowicy tnącej w odległości 1,6 mm od najwyższego punktu próbki i przecięciu tejże próbki poprzez poziomy ruch roboczy głowicy tnącej. Zmianę odległości dyszy głowicy tnącej od powierzchni ciętego matel

Rys. 9. Charakterystyka stożków wszystkich próbek

właściwego dobrania parametrów obróbki. Staje się to możliwe dzięki możliwości zastosowania coraz nowocześniejszych urządzeń sterujących. Zestawienie wszystkich wartości stożków określonych na otworach badanych próbek przedstawiono na rysunku 9. Stal nierdzewna OH18N9 jest materiałem, który najlepiej obrabia się strumieniem wodno-ściernym. Dobra obrabialność tego materiału wynika z małej różnicy chropowatości na powierzchni cięcia, a także z korzystnej charakterystyki zmiany średnicy w zależności od klasy cięcia. Wpływ odległości dyszy od materiału ciętego Strumień wodno-ścierny stanowiący narzędzie erozyjne, po uformowaniu w dyszy ogniskująco-przyspieszającej i wyjściu

z dyszy traci w pewnym stopniu swą koherentność. Wartość rozproszenie strumienia wzrasta wraz z odległością od ujścia z dyszy do powierzchni cięcia. Rozproszony strumień wodno-ścierny koncentruje swą energię kinetyczną na większej przestrzeni, a to może powodować:

Rys. 10. Schemat przeprowadzonych badań; 1, 2, 3 – kierunki pomiarów chropowatości

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

23

Literatura

Rys. 11. Wpływ odległości dyszy głowicy od materiału ciętego na chropowatość Ra powierzchni przecięcia [12]

riału (a, b rys.10) przeprowadzono poprzez zróżnicowaną wysokość próbki. Na rysunku 11 przedstawiono wpływ odległości dyszy głowicy od materiału ciętego na chropowatość Ra powierzchni przecięcia. Chropowatość powierzchni przy wejściu strumienia wzrasta wraz ze wzrostem odległości dyszy od materiału ciętego. Przy odległości dyszy a = 1,6 mm chropowatość powierzchni wynosi Ra = 2,73 µm, a przy odległości a = 7,1 mm chropowatość powierzchni wzrasta do Ra = 4,45 µm. Podobnie wzrost chropowatości powierzchni występuje na głębokości 5mm. Natomiast przy wyjściu strumienia przy odległości dyszy a = 1,6 mm chropowatość powierzchni wynosi Ra = 12,75 µm, a przy odległości a = 7,1 mm chropowatość powierzchni wynosi Ra = 5,07. W tym przypadku silniejszą rolę odgrywa grubość materiału. Jednocześnie należy pamiętać, że stosowanie zbyt małych odległości głowicy tnącej może stwarzać zagrożenia uszkodzenia głowicy roboczej. Zagrożenie to wynika z możliwości zatkania drożności głowicy tnącej przy mniejszych odległościach. Możliwe jest również uszkodzenie ze względu na zderzenie głowicy z ewentualnymi nierównościami materiału ciętego. Pomiary kąta zukosowania powierzchni cięcia wykazują wzrost wartości od 2,95o do 3,47o, ze wzrostem odległości dyszy od powierzchni materiału ciętego od 1,6 do 7,1 mm.

Wnioski 1. Ważnymi zaletami cięcia wodno-ściernego jest m.in.: brak naprężeń i zmian w warstwie wierzchniej wskutek niskiej temperatury procesu, minimalny odpad materiału, ze względu na niewielką szerokość szczeliny obróbkowej, dobra

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

jakość technologiczna obrobionych materiałów z dokładnością wymiarową do ok. +/- 0,1 mm, możliwości cięcia różnych materiałów o znacznej grubości [3, 4, 13,15]. 2. Do wad procesu cięcia strumieniem wodnym i wodnościernym zaliczana jest m.in.: mała prędkość cięcia strumieniem wodnym w porównaniu z cięciem laserem lub plazmą, niższa dokładność w porównaniu z obróbką mechaniczną skrawaniem, występowanie zjawiska stożka, możliwe znaczne zróżnicowanie chropowatości grubszych elementów w niższej klasie obróbki. 3. Zróżnicowanie chropowatości powierzchni cięcia jest szczególnie duże przy 1 klasie obróbki, które wynosi dla stali St3S o grubości 30 mm przy wejściu strumienia 3,75 µm do 6,53 µm przy wyjściu strumienia. Chropowatość powierzchni zależy od rodzaju i grubości materiału. 4. Niedokładność kształtu wycinanego materiału związana jest z zukosowaniem powierzchni cięcia tzw. „stożek” i może dawać wady zarówno przy wycinaniu po linii prostej, jak też przy wycinaniu otworów. Wielkość odkształcenia zależy od grubości ciętego materiału oraz rodzaju obrabianego materiału. 5. Strumień wodno-ścierny charakteryzuje się małą sztywnością, co wpływa na niedokładność wytwarzania wyrobów, np. dla średnicy otworu 6 mm w stali St3S o grubości 30 mm, różnica średnicy na wyjściu i wejściu strumienia wynosi 0,38 mm przy klasie 1, natomiast 0,05 mm przy klasie najwyższej. 6. Odległość głowicy od powierzchni cięcia w zakresie 1,6 mm do 7,1 mm wpływa na jakość powierzchni ciecia w mniejszym stopniu niż grubość ciętego materiału.

[1] Artykuł promocyjny: Technologia cięcia strumieniem wody. Mechanik, nr 10, 2005, s. 765. [2] Artykuł promocyjny: Cięcie strumieniem wody o ciśnieniu 6000 bar, Mechanik 10 (2007) 760-761. [3] J. Janicki: Plazma czy laser? Woda czy tlen? Dylematy zakupu maszyn do cięcia blach. Obróbka metalu. Nr 2, 2013. [4] Maximator JET GmbH – Waterjet Cutting Systems. http://maximator-jet.pl. [5] A. Mazurkiewicz: Czynniki wpływające na błąd kształtu i chropowatość powierzchni stali po cięciu strumieniem wodno-ściernym. Inżynieria materiałowa, nr 6/166, 2008, s 686-689. [6] Materiały promocyjne firmy OMAX dołączone do oprogramowania centrum OMAX Jet Machining 80x160. [7] W. Maj: Analiza jakości i dokładności kształtowania wybranych materiałów metodą strumienia wodnego i wodno-ściernego. Praca dyplomowa. Politechnika Radomska, Radom 2008. [8] R. Kudelski: Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodno-ściernego w procesach cięcia. Praca doktorska. AGH, Kraków 2016. [9] A. Ruszaj: Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi. Instytut Obróbki Skrawaniem, Kraków 1999. [10] R. Sobczak, J. Prazmo: Jet SolutionsPodstawy przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. www.waterjet.org.pl. [11] K. Oczoś, R. Łabudzki: Obróbka strumieniem wodno-ściernym materiałów metalowych i niemetalowych. Mechanik, nr 11, 12, 1992. [12] M. Milczarski: Ocena wpływu niektórych parametrów obróbki wodno-ściernej na jakość końcową wyrobu. Praca dyplomowa. Politechnika Radomska, Radom 2011. [13] Firma Leciejewscy. http://www.leciejewscy.pl [14] A. Karpiński: Możliwości racjonalizacji kosztów cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodno-ściernym. Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków (IZTW) http://www.ios. krakow.pl/CITiMRTW/biuletyn2006/ biul2006.zdok05.pdf. Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Stal, Metale & Nowe Technologie”, 2017, nr 5-6, s. 66-73.

dr inż. Andrzej Mazurkiewicz Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu


24

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

Obróbka materiałów ceramicznych i kompozytowych metodami niekonwencjonalnymi PIOTR LIPIEC, MAGDALENA MACHNO

Materiały wykorzystywane do produkcji mikroukładów

Unikalne własności materiałów ceramicznych i kompozytowych powodują, że są one dzisiaj stosowane w bardzo wielu dziedzinach, w tym w przemyśle elektronicznym. Istotna część jego produktów jest wytwarzana w mikroskali. Są to zarówno elementy planarne (elementy elektroniczne VLSI), jak i przestrzenne (mikrosystemy elektromechaniczne – MEMS). Do ich wytwarzania stosuje się różnego rodzaju techniki, przede wszystkim fotolitografię i trawienie chemiczne, ale także inne techniki należące do grupy metod niekonwencjonalnych – obróbkę elektroerozyjną czy elektrochemiczną. Te dwie ostatnie wydają się trudne do obróbki materiałów słabo przewodzących prąd elektryczny, jednak odpowiednio dobrane warunki procesu oraz łączenie ich razem, pokazuje, że wykorzystanie ich staje się możliwe. Artykuł przedstawia wybrane techniki stosowane do obróbki tego typu materiałów. Na przestrzeni lat materiały ceramiczne uległy znacznym przemianom ze względu na potrzeby cywilizacji przemysłowej. Klasyczna ceramika opierająca się na naturalnych surowcach nie sprostała rosnącym potrzebom powstałych dziedzin przemysłowych, dlatego zastąpiła ją generacja tworzyw ceramicznych opartych wyłącznie o surowce syntetyczne. Ceramika określana jako funkcjonalna znalazła szerokie zastosowanie w prawie każdej gałęzi przemysłu. Na uwagę zasługuje zastosowanie jej do wytwarzania materiałów na potrzeby przemysłu elektronicznego i elektrotechnicznego. Ponieważ postępująca miniaturyzacja wymaga coraz większego zapotrzebowania na różnego rodzaju mikroukłady, dlatego jedną z istotnych gałęzi tego przemysłu są obecnie mikroi nanotechnologie. Niewielkie rozmiary sprawiają, że mikroukłady mają mniejsze zapotrzebowanie na energię, wytwarzają mniej ciepła i są lżejsze. Zmniejsza się także koszt produkcji ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na materiały [11]. Współczesna technologia elektroniczna oraz elektrotechniczna próbuje sprostać postępującej miniaturyzacji, co sprawia że gwałtownie wzrasta poziom trudności wytworzenia mikroelementów. Największym problemem jest brak efektywnych metod kształtowania struktur wymiarowych. Zazwyczaj stosuje się trawienie chemiczne, jednak proces ten jest drogi i czasochłonny. Do metod alternatywnych kształtowania materiałów ceramicznych zalicza się

niekonwencjonalne metody obróbki, takie jak obróbka laserowa, ultradźwiękowa, wycinanie strugą wodno – ścierną, obróbka elektrochemiczna i elektroerozyjna [1, 3, 8].

Charakterystyka MEMS Jedną z bardzo ważnych grup produkowanych obecnie mikroukładów stanowią elektromechaniczne mikrosystemy MEMS (Micro – Electro – Mechanical – System), jak również elektromechaniczne nanosystemy (NEMS, czyli Nano – Electro – Mechanical – System) [8]. Układy MEMS składają się z członów wykonawczych oraz elektryczno – elektronicznych. Obiekty elektroniczne wytwarzane są najczęściej w oparciu o podłoże krzemowe, które obrabia się wykorzystując odmiany fotolitografii, osadzania warstw, trawienia (metody trawienia na sucho i na mokro). Obiekty wykonawcze wytwarza się z zastosowaniem technik skrawania – toczenie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie, obróbkę elektroerozyjną, wytłaczanie, napawanie, obróbkę laserową, obróbkę elektrochemiczną [1, 2]. MEMS w układach elektronicznych najczęściej są używane zarówno jako sensory, procesory, jak i aktuatory. Są elementami przekształcającymi sygnał lub energię (np. elektryczną, magnetyczną) jednego typu na inny, np. energię mechaniczną, termiczną, chemiczną, radiacyjną (np. może wpływać na natężenie promieniowania elektromagnetycznego, długości lub fazy rozchodzących się fal elektromagnetycznych) [5, 11].

Materiałem najczęściej wykorzystywanym do produkcji MEMS jest krzem oraz jego pochodne (SiO2 – tlenek krzemu, Si3N4 – azotek krzemu, SiC – węglik krzemu). Wynika to z właściwości fizycznych krzemu oraz dostępności wykonywanych płytek podłożowych na bazie krzemu. Dobrze przewodzi ciepło, nie ulega zniekształceniu w wyniku nacisku, a także charakteryzuje się stabilnością własności fizykochemicznych, nawet w wyższych temperaturach. Monokrystaliczny krzem z łatwością integruje się z układami elektronicznymi, również wykonywanymi na bazie krzemu [11]. Ponadto do produkcji MEMS wykorzystuje się również materiały, takie jak: GaAs – arsenek galu, diament, stopy AlN, stopy z pamięcią kształtu (stopy Ti – Ni, metale – Ag, Al., Au, Cu, Ir, Ni, Ti), polimery [1, 8]. Istotną grupą materiałów stosowanych do produkcji mikroukładów są materiały ceramiczne, określane jako ceramika funkcjonalna [3]. Do materiałów ceramicznych zalicza się wszystkie materiały nieorganiczno – niemetaliczne. Uzyskuje się je w procesie obróbki cieplnej – spiekanie, prażenie, w warunkach wysokiej temperatury (powyżej kilkuset stopni Celsjusza). W materiałach tych występują wiązania jonowe i kowalencyjne, które powodują powstanie zazwyczaj sieci przestrzennej, co sprawia, że charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia, znaczną sztywnością, twardością, odpornością na agresywne środowiska – np. odporność na dynamiczne (udarowo, szokowo) zmienne temperatury, odporność na korozję [4, 5]. Parametry, takie jak dobre własności mechaniczne, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysokie przewodnictwo cieplne, wysoka wytrzymałość dielektryczna, rezystywność, niska stratność, pozwalają stosować ją w elektronice [3]. Obecnie wytwarza się wiele materiałów ceramicznych, które znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Złożone są one głównie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


Obróbka elektroerozyjna Obróbka elektroerozyjna (Electrical Discharge Machinning – EDM) polega na usuwaniu naddatku z materiału obrabianego w wyniku zjawisk, które zachodzą w czasie wyładowania elektrycznego w szczelinie międzyelektrodowej. Jedną elektrodę stanowi przedmiot obrabiany, natomiast drugą elektroda robocza. Obie elektrody zanurzone są w dielektryku (olej transformatorowy, lotniczy, wrzecionowy, nafta, woda dejonizowana, woda destylowana, parafina) oraz podłączone do generatora prądu stałego (rys. 1). Podczas wyładowania ma miejsce erozja elektrod, czyli usuwanie materiału obrabianego na skutek wyładowań elektrycznych, którym towarzyszy parowanie, topnienie, rozrywanie

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

i kruszenie materiału obrabianego. Wyładowaniom elektrycznym w przestrzeni zjonizowanej towarzyszy bardzo wysoka temperatura (rzędu 3000–10000oC – temperatura plazmy). Ponieważ naddatek z materiału obrabianego usuwany jest w wyniku wyładowań elektrycznych ten rodzaj obróbki stosowany jest do kształtowania elementów wykonanych z trudnoskrawalnych materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak: utwardzona stal, różnego typu węgliki, super twarde materiały itp. [1]. EDM znajduje zastosowanie m.in. w przemyśle lotniczym, do wykonywania form w matrycach, kokilach, dzięki możliwości wykonania skomplikowanych krzywoliniowych kształtów z zachowaniem wysokiej dokładności [1, 10, 13]. Można wyróżnić następujące odmiany obróbki elektroerozyjnej w zależności od stosowanego narzędzia oraz kinematyki procesu [10, 14]: l wycinanie elektroerozyjne – elementem wycinającym jest drut o średnicy rzędu nawet 20 μm; l drążenie elektroerozyjne – polega na odwzorowaniu kształtu elektrody roboczej w materiale obrabianym; l wiercenie elektroerozyjne – polega na drążeniu głębokich otworów z wykorzystaniem elektrod o małych średnicach rzędu 100 μm; l obróbka elektroerozyjna elektrodą uniwersalną – kształt powierzchni obrabianej uzyskuje się dzięki odwzorowaniu trajektorii elektrody roboczej w materiale obrabianym. Zastosowanie EDM do obróbki materiałów ceramicznych i kompozytowych Materiały ceramiczne posiadają właściwości mechaniczne i fizyczne, które pozwalają na stosowanie ich w przemyśle elektronicznym, również w mikroelektronice. Pomimo że ceramika nie zalicza się do klasycznych przewodników, to odpowiednio dobierając parametry procesu, można stosować EDM do obróbki tego typu materiałów [17]. W celu uzyskania wyładowania stosuje się maski z materiałów przewodzących lub pokrywa się je cienką warstwą

t

Charakterystyka wybranych metod niekonwencjonalnych wykorzystywanych do obróbki materiałów ceramicznych i kompozytowych

Rys. 1. Schemat obróbki elektroerozyjnej [15]

t

ze związków metali z niemetalami. Stąd ceramika tzw. inżynierska wytwarzana jest w większości z takich związków jak: tlenki, węgliki, azotki, borki, fosforki oraz związki złożone na ich osnowie [1, 5]. Materiały te znajdują zastosowanie w wielu obszarach przemysłu, m. in. w budownictwie, hutnictwie, przemyśle kosmicznym. Wśród ceramiki wyróżnia się także kompozyty ceramiczne. Do poważnej wady materiałów ceramicznych zalicza się ich kruchość, która nie pozwala na stosowanie ich w niektórych przypadkach (np. materiały do budowy silników spalinowych w transporcie drogowym, lotniczym, szynowym) pomimo innych istotnych zalet (m.in. odporność na korozję, sztywność, wytrzymałość). Wówczas dobrym rozwiązaniem okazują się kompozyty o osnowie ceramicznej wzmacniane włóknami. Zbudowane są z co najmniej dwóch faz ceramicznych. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zniwelować częściowo problem kruchego pękania. Warto zwrócić uwagę również na ceramiczne kompozyty ziarniste (do bardziej interesujących, ze względu na właściwości mechaniczne, należą: ZrO2 – Al2O3, Al2O3 - SiC). Charakteryzują się typową polikrystaliczną osnową ceramiczną. Spieczony w wysokiej temperaturze kompozyt, a następnie schłodzony, posiada odmienne właściwości rozproszonych ziaren i osnowy, który zapewnia większą odporność na pękanie oraz większą sprężystość [4]. Materiały kompozytowe znalazły zastosowanie w medycynie, m.in. jako materiał na endoprotezy (np. endoproteza stawu biodrowego) oraz materiał na stabilizatory złamanych kości [7].

25

reklama

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów


26

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

metalu lub proszku. Do pokrywania stosuje się m.in. TiN, WC, TiC0.5N0.5, TiB2, spieczoną warstwę węgla. Wówczas możliwa jest obróbka takich materiałów jak: Si3N4, ZrO2, Al2O3 (rys. 2 c) [16, 17]. Pokrywanie materiałów ceramicznych warstwą spieczonego węgla pozwala uzyskać bardziej precyzyjny kształt wykonanych otworów (rys. 2. d). Stosuje się także bardzo wysokie napięcia, które umożliwiają powstanie wyładowania. Czasami w strukturze materiałów ceramicznych czy kompozytowych znajduje się materiał przewodzący prąd elektryczny, np. w formie spoiwa. Przykładem jest tutaj węglik boru B4C oraz silit SiSiC (rys. 2 a, b). Odpowiedni dobór parametrów obróbki takich jak: prąd pracy, czas impulsu, przerwy między impulsami, energia dostarczona do układu, rodzaj dielektryka, pozwalają na zainicjowanie wyładowania elektrycznego [2, 16]. W mikroobróbce EDM istotny jest także materiał, z którego wykonana jest elektroda robocza, a także jej kształt. Najczęściej stosowane są elektrody miedziowo – wolframowe. Badania wykazały, że podczas obróbki zużycie elektrody miedziowo – wolframowej jest mniejsze niż miedziowej, a efekty obróbki są podobne. Natomiast elektrody w kształcie rurki pozwalają na szybsze usuwanie materiału podczas obróbki, a także uzyskiwanie wyraźnych krawędzi wytwarzanego kształtu [16]. Także zakres stosowanego napięcia podczas obróbki ma duży wpływ na przebieg procesu. Stosowanie wysokich napięć (rzędu 70–80V) przy obróbce niektórych materiałów (np. ceramiki izolacyjnej) jest konieczne do zainicjowania wyładowań. W przypadku obróbki materiałów słabo przewodzących prąd elektryczny, znaczący jest dobór rodzaju dielektryka. Stosowanie dielektryków ropopochodnych przy użyciu dużego prądu pracy oraz napięcia może spowodować zapalenie się cieczy dielektrycznej. Obróbka wyładowaniami elektrycznymi w elektrolicie (Spark Assisted Chemical Engraving – SACE) SACE – Spark Assisted Chemical Engraving, czyli wyładowania elektryczne w elektrolicie. Przedmiot obrabiany zanurzony jest w elektrolicie, jedna elektroda pełni funkcję elektrody roboczej (katoda), a druga elektroda jest elektrodą pomocniczą (anoda). Obie elektrody podłączane są do źródła prądu stałego. Elektroda robocza jest umieszczona nad materiałem obrabianym, który nie przewodzi prądu elektrycznego (rys. 4 b). Wraz ze wzrostem napięcia proces wydzielania się pęcherzyków gazu intensyfikuje się, a następnie dochodzi do ich łączenia, co prowadzi do wytworzenia wokół elektrody roboczej powłoki gazu.

Rys. 2. a) otwór wykonany w SiSiC. Parametry obróbki: ti = 50 μs, tp = 85 μs, I = 3,25 A [2], b) otwór wykonany w B4C. Parametry obróbki: ti = 275 μs, tp = 140 μs, I = 3 A [2], c) otwór wykonany w Si3N4 pokrytym TiN [17], d) otwór wykonany

Rys. 3. a) tworzenie się powłoki gazowej przez koalescencję, b) utworzona powłoka gazowa na elektrodzie roboczej [19], c) schemat obróbki elektrochemicznych wyładowań w elektrolicie, T – temperatura konieczna, aby zaszła obróbka materiału [20]

Rys. 4. a) charakterystyka prądowo – napięciowa z zaznaczonymi regionami przebiegu procesu [19], b) schemat procesu obróbki z wykorzystaniem wyładowań elektrycznych w elektrolicie [21]

Jej obecność umożliwia powstanie wyładowań elektrycznych między elektrodą roboczą, a materiałem obrabianym. Ciepło dostarczone przez wyładowania elektryczne umożliwia osiągnięcie temperatury rzędu 500–600oC na powierzchni obrabianego materiału (rys. 3) [18, 19, 20]. Procesowi obróbki z wykorzystaniem wyładowań elektrycznych w elektrolicie, oprócz wysokiej temperatury towarzyszy przyspieszone trawienie chemiczne. Wymaga to

dostarczenia do układu dużej ilości energii elektrycznej [22]. Wyładowania elektryczne można przedstawić w sposób ilościowy z podaniem średnich charakterystyk prądowo – napięciowych, w których można wyróżnić pięć charakterystycznych regionów (rys. 4 a) [21]: l I – Region termodynamiczny i nad potencjalny, w którym występują napięcia mniejsze niż 2V, tutaj prąd jeszcze nie może płynąć;

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów l II

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Rys. 5. a) kanał dla mikroreaktora wykonany w szkle Pyrex metodą SACE [24], b) mikrostruktura 3D wykonana w szkle Pyrex z użyciem wyładowań elektrycznych w elektrolicie z wykorzystaniem impulsowego napięcia oraz obrotem elektrody roboczej [20], c) otwór wykonany w granicie (napięcie U = 50 [V], elektrolit – NaNO3 o stężeniu 20%, prędkość obrotowa elektrody roboczej 50 [obr./min], posuw wgłębny elektrody 30 [μm/min]) [1]

niemetalowych wydaje się zastosowanie prądu impulsowego w metodzie SACE w połączeniu z obrotem elektrody roboczej. Dobre efekty tej kombinacji ukazują się w tworzeniu mikrostruktur trójwymiarowych (rys. 5 b) [20]. Badania pokazały również, że na obróbkę SACE ma wpływ (na szybkość oraz dokładność obróbki) kształt końcówki elektrody roboczej, a dokładnie zakończenie elektrody (płaskie lub okrągłe) oraz kształt ścianek bocznych (ścięte ścianki lub proste) [26]. Obróbka laserowa Obróbka laserowa polega na usuwaniu materiału w wyniku oddziaływania skoncentrowanej wiązki promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to jest monochromatyczne oraz spójne, cechujące się niewielką rozbieżnością (10-3–10-2 rad). Monochromatyczność oraz mała rozbieżność wiązki promieniowania laserowego umożliwia zogniskowanie jej na obszarze powierzchni o małej średnicy. Działająca na przedmiot obrabiany wiązka laserowa częściowo się odbija, a częściowo zostaje pochłonięta (absorpcja). Energia promieniowania laserowego ulega w bardzo krótkim czasie zamianie na energię cieplną, która powoduje nagrzanie materiału, jego topnienie oraz parowanie, sublimację, dysocjację, tworzenie się plazmy, ablację. Powstałe wówczas ciśnienie sprawia, że zostaje usunięty odparowany oraz stopiony materiał (rys. 6) [10, 29].

Rys. 6. Schemat drążenia laserowego [29]

W obróbce laserowej wykorzystuje się lasery molekularne CO2 (emitują promieniowanie o długości fali 10,63 μm, pracują w sposób ciągły bądź impulsowy), lasery na ciele stałym Nd:YAG (pracują w sposób ciągły bądź impulsowy, długość fali emitowanego promieniowania równa się 1,064 μm), lasery tzw. excimerowe (impulsowe lasery gazowe) [10]. Obróbka laserowa materiałów ceramicznych Podczas obróbki laserowej materiałów ceramicznych występują takie zjawiska jak: odbicie, absorpcja, rozpraszanie oraz transmisja. Ponieważ materiały ceramiczne cechują się znacznie mniejszą przewodnością elektryczną, zachodzi w nich szybciej proces absorpcji niż w metalach. Materiały ceramiczne charakteryzują się mniejszą przewodnością cieplną niż metale, stąd absorpcja energii odbywa się

Rys. 7. a) tablica z otworami o średnicy 40 μm wykonana w płytce z tlenku glinu o grubości 250 μm, b) przykład wykonania procesu wiercenia, cięcia, frezowania wykonany w tlenku glinu (Al2O3) podczas jednej operacji [28], c) toczenie gwintów wykonane w azotku krzemu (Si3N4) [29]

t

– Region rezystancyjny (zakres A–B), tutaj zależność U(I) ma charakter bardzo zbliżony do liniowego, w tym regionie typowy zakres napięć mieści się w przedziale 2–10V; l III – Region tzw. limitu prądowego (zakres B–C), tutaj średnie natężenie prądu osiąga wartość graniczną, na którą wpływ mają wymiary i długość elektrody roboczej oraz elektrolit; l IV – Obszar niestabilności (zakres C–D), w którym średnia wartość prądu szybko się zmniejsza i tworzy się powłoka gazowa wokół elektrody roboczej. Jest region niestabilności, ponieważ proces może być podobny do zakresu B–C lub do zakresu D–E; l V – Region tzw. iskrzenia (zakres D–E), w którym jest ukształtowana powłoka gazu wokół elektrody roboczej oraz widoczne są wyładowania elektryczne, w tym regionie zachodzi obróbka materiału. Zastosowanie SACE do obróbki materiałów ceramicznych i kompozytowych SACE można zastosować do precyzyjnej obróbki materiałów nieprzewodzących prądu elektrycznego w mikroskali [20]. Tą niekonwencjonalną metodą obróbki można obrabiać szkło, kwarc, granit, tlenek aluminium, tworzywa sztuczne, jak również materiały ceramiczne (Al2O3, Si3N4, MgO, Y2O3), materiały kompozytowe (m.in. kompozyty epoksydowe), materiały piezoelektryczne (PZT – cyrkonian-tytanian ołowiu ) [21, 25]. Rodzaj elektrolitu oraz jego stężenie mają wpływ na przebieg procesu. Najczęściej jako elektrolit wykorzystuje się: NaF, NaNO3, NaCl i NaOH, KOH, H2SO4. Jednak najbardziej interesujący wydaje się roztwór NaOH, który może znacznie poprawić jakość powierzchni po obróbce. Przeprowadzone dotychczas badania wykazują, że wzrost stężenia NaOH do poziomu 30% pozwala na obniżenie napięcia stosowanego w trakcie obróbki (30–32 V), jednak w przypadku przekroczenia tego poziomu stężenia, należy ponownie zwiększyć napięcie pracy. Natomiast użycie roztworu NaOH z płynnym mydłem w proporcji 10:1 jako elektrolitu, pozwala zastosować w obróbce mniejsze napięcie rzędu 15– 20V [19]. Wodorotlenek sodu (NaOH) ma większą przewodność właściwą, a dodatkowo w wyższych temperaturach dochodzi do szybszego trawienia chemicznego materiału, co w efekcie przyspiesza usuwanie naddatku [26]. Odpowiednia temperatura procesu wynosi 500–600oC (TM). Natomiast podgrzewanie elektrolitu podczas procesu pozwala uniknąć tworzenia się stref ciepła oraz pęknięć termicznych [20, 21, 23]. Ciekawym rozwiązaniem poprawiającym efekty obróbki materiałów

27


28

temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów

w nich szybciej. Energia z padającej na powierzchnię wiązki laserowej w całości dociera na powierzchnię materiału. Zaabsorbowana przez materiał energia zależy od właściwości ceramiki (współczynnik odbicia), wielkości padającej energii lasera, długości fali, kąta padania na powierzchnię obrabianą [29]. W przypadku np. azotku krzemu (Si3N4) i tlenku glinu (Al2O3) stosuje się lasery impulsowe, w których wykorzystywanie jest światło o małej długości [28]. Na uwagę zasługuje metoda bezpośredniego zapisu wielu procesów obróbki laserem podczas jednej operacji (rys. 7 a), która umożliwia tworzenie tablic o dużej gęstości wykonanych w nich otworów bez występowania pękania materiału obrabianego. Metodę tę można z powodzeniem stosować w mikroobróbce (rys. 7 b) [28]. Obróbkę laserową można podzielić na: jedno-, dwu- i trójwymiarową. W obróbce jednowymiarowej wiązka laserowa jest nieruchoma względem przedmiotu obrabianego (np. wiercenie). W dwuwymiarowej obróbce laserowej (cięcie), wiązka laserowa wykonuje ruch względem materiału obrabianego. Wiązka laserowa wykonuje cięcie na całej grubości lub głębokości materiału poprzez jego topienie/ odparowanie. Natomiast dwie lub więcej wiązek laserowych jest wykorzystywane do trójwymiarowej obróbki laserowej, a każda wiązka wykonuje ruch względem materiału obrabianego [29]. Obróbka elektrochemiczna wspomagana laserowo (Laser Assisted Jet Electrochemical Machining – LAJECM) Obróbka elektrochemiczna wspomagana laserowo polega na łączeniu mocy lasera oraz strumienia elektrolitu do usuwana naddatku. W procesie tym materiał usuwany jest w wyniku roztwarzania elektrochemicznego wspomaganego przez promieniowanie laserowe. Obróbkę umożliwiają dwa rodzaje energii: energia fotonów w wiązce laserowej oraz energia jonów w obróbce elektrochemicznej [30]. Laser wysyła do zewnętrznej części materiału obrabianego kwant energii, co sprawia że wzrasta temperatura w tym obszarze. Wyższa temperatura zwiększa gęstość przepływającego prądu. Podnosi się także temperatura elektrolitu, powodując wzrost przewodności elektrycznej (rys. 8). Naddatek jest łatwiej usuwany w wyniku dyfuzji w wyższej temperaturze. Procesy elektrochemiczne przebiegają szybciej ze względu na wyższą temperaturę. Wiązka laserowa skupiona jest w jednym miejscu na przedmiocie obrabianym, co stanowi ważną zaletę tego procesu [27]. Dotychczasowa analiza procesu pokazuje, że istotnym problemem w LAJECM jest określenie zależności pomiędzy rozkłada-

mi temperatury, gęstości prądu oraz prędkości roztwarzania. Rozkład temperatury w miejscu nagrzania materiału zależy od współczynnika absorpcji, (elektrolitu oraz materiału obrabianego), energii strumienia wiązki laserowej, współczynnika przewodnictwa cieplnego. Skutecznym sposobem zwiększenia lokalizacji procesu roztwarzania okazuje się użycie ultrakrótkich impulsów laserowych oraz impulsów napięciowych. Wiąże się to z faktem, że ze względu na bardzo krótki czas impulsu laserowego, wydzielone ciepło nie zdąży się rozprzestrzenić poza obszar naświetlania [10]. LAJECM stosowany do obróbki materiałów ceramicznych i kompozytowych Laser Assisted Jet Electrochemical Machining (LAJECM) obecnie jest procesem będącym cały czas w fazie badań laboratoryjnych. Przewiduje się zastosowanie LAJECM głównie do kształtowania powierzchni mikroelementów, w tym także dla przemysłu elektronicznego. LAJECM daje możliwość kształtowania mikroelementów wykonanych z materiałów cechujących się specjalnymi właściwościami m.in. materiałów kompozytowych i ceramicznych oraz znacznie ułatwia kształtowanie otworów oraz wgłębień. Umożliwia obróbkę elementów o wymiarach 5–500 μm z dokładnością 1–10 μm. Naświetlanie laserem powierzchni obrabianej elektrochemicznie umożliwia zwiększenie roztwarzania bądź osadzania katodowego (10–100 x), także wykonanie procesu roztwarzania lub osadzania w trudnodostępnych miejscach, lokalizację procesu nawet na powierzchni o wymiarach kilku mikrometrów. Parametry wiązki światła laserowego powinny być tak dobierane, aby zmniejszać ilość energii, która jest pochłaniana przez elektrolit [10].

Podsumowanie Współcześnie przemysł elektroniczny oraz elektrotechniczny chcąc sprostać wciąż postępującej miniaturyzacji, potrzebuje coraz bardziej precyzyjnych metod obróbki materiałów. Problemem nadal jest brak efektywnych i stosunkowo tanich metod kształtowania struktur wymiarowych mikroelementów wykonanych z materiałów ceramicznych i kompozytowych stosowanych w produkcji wyrobów elektronicznych i elektrotechnicznych. Z tego powodu metody niekonwencjonalne wydają się ciekawą alternatywą, pomimo że niektóre z nich nadal znajdują się w fazie badań laboratoryjnych. W przypadku obróbki elektroerozyjnej stosowanie jej do materiałów słabo przewodzących wymaga odpowiedniego doboru parametrów pracy, a także dielektryka, pokrywaniu materiału warstwami (z materiałów prze-

Rys. 8. Schemat modelu procesu LAJECM [30]

wodzących, warstwą spieczonego węgla), zastosowania elektrod roboczych wykonanych z odpowiednich materiałów (elektrody miedziowo - wolframowe). Obróbka wyładowaniami elektrycznymi w elektrolicie (SACE) nadal znajduje się w fazie badawczej, niemniej coraz lepsze poznawanie tego procesu pozwala przypuszczać, że wkrótce znajdzie ona zastosowanie przemysłowe. Metoda obróbki laserowej jest z powodzeniem stosowana w przemyśle elektronicznym do mikrowytwarzania. Wspomaganie roztwarzania elektrochemicznego promieniowaniem laserowym również wydaje się bardzo ciekawym sposobem wykonywania struktur przestrzennych w mikroskali. Ponieważ zapotrzebowanie na mikroelementy jest coraz większe, dlatego należy się spodziewać, że cały czas będzie postępował proces doskonalenia zaprezentowanych metod wytwarzania.

Literatura [1] P. Lipiec, S. Skoczypiec: Niekonwencjonalne metody obróbki materiałów nieprzewodzących prądu elektrycznego, Innowacje w zarządzaniu i inżynierii produkcji, pod redakcją Ryszarda Knosali, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją, Opole, 2013, s. 663-676. [2] P. Lipiec, M. Machno: Obróbka elektroerozyjna materiałów ceramicznych, Prace szkoły inżynierii materiałowej, Monografia pod redakcją prof. Jerzego Pacyny, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Krynica, 2013, s. 353-358. [3] Z. Librant: Ceramika w elektronice – przegląd zastosowań i wybranych zagadnień technologicznych, Materiały elektroniczne, T. 66, Z. 2, Warszawa, 1989, s. 5-41. [4] R. Pampuch: Materiały ceramiczne oraz ich wpływ na rozwój inżynierii materiałowej w Polsce, Polskie i światowe osiągnięcia nauki: nauki techniczne, 2010,

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


temat numeru – obróbka i cięcie kompozytów s. 46-96, artykuł dostępny na stronie: http://fundacjarozwojunauki.pl/res/ Tom2/3_Pampuch.pdf. [5] Materiały ceramiczne. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej, wykład dostępny na stronie internetowej: http://www. im.pg.gda.pl. [6] B. Świeczko-Żurek: Instrukcja do ćwiczeń z Biomateriałów pt.: Materiały biomedyczne, Katedra Inżynierii Materiałowej Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2009, Instrukcja dostępna na stronie: http://www.pg.gda.pl. [7] Materiałoznawstwo. Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo – Hutniczej, wykład dostępny na stronie: http://student.agh.edu.pl/~sendivog/Wyklady. [8] A. Ruszaj, S. Skoczypiec, D. Wyszyński, P. Lipiec: Wybrane aspekty zastosowania mikro i nanotechnologii w procesach wytwarzania, Inżynieria Maszyn, R. 16, Z. 4, 2011. [9] K. Albiński: Elektroerozyjna obróbka metali, Państwowe Wydawnictwo Techniczne, Warszawa, 1954. [10] A. Ruszaj: Niekonwencjonalne metody wytwarzania maszyn i narzędzi, Instytut Obróbki Skrawaniem IOS, Kraków, 1999. [11] M. Karbowniczek: Układy MEMS, Elektronika Praktyczna, 2/2010, 2010, s. 54-56. [12] N.M. Abbas, N. Yusoff, R.M. Wahab: Electrical Discharge Machining (EDM): Practices in Malaysian Industries and Possible Change towards Green Manufacturing, Procedia Engineering 41, 2012, s. 1684-1688. [13] K.H. Newman: State of the art electrical discharge machining (EDM), International Journal of Machine Tools & Manufacture 43, 2003, s. 1287-1300. [14] P. Zilong, W. Zhenlong, D. Yinghuai, C. Hui: Development of a reversible machining method for fabrication of microstructures by using micro-EDM, Jour-

nal of Materials Processing Technology 210, 2010, s. 129-136. [15] S. Skoczypiec, A. Ruszaj, J. Kozak: Wybrane problemy technologii elektrochemicznej i elektroerozyjnej mikro – narzędzi, Inżynieria Maszyn, 2009, 14, s. 20-30. [16] A. Muttamara, Y. Fukuzawa, N. Mohri, T. Tani: Probability of precision micro-machining of insulating Si3N4 ceramics by EDM, Journal of Materials Processing Technology 140, 2003, s. 243-247. [17] K. Liu, B. Lauwers, D. Reynaerts: Process capabilities of Micro-EDM and its applications, Int J Adv Manuf Technol 47, 2010, s. 11-19. [18] J. Ozhikandathil, A. Morrison, M. Packirisamy, R. Wuthrich: Low resistive silicon substrate as an etch-stop layer for drilling thick SiO2 by spark assisted chemical engraving (SACE), Microsyst Technol 17, 2011, s. 373-380. [19] R. Wuthrich, L.A. Hof: The gas film in spark assisted chemical engraving (SACE)-A key element for micro-machining applications, International Journal of Machine Tools & Manufacture 46, 2006, s.828-835. [20] R. Wuthrich, A. Allagiu: Building micro and nanosystems with electrochemical discharges, Electrochimica Acta 55, 2010, s.8189-8196. [21] R. Wuthrich, V. Fascio: Machining of nonconducting materials Rusing electrochemical discharge phenomenon–an overview, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45, 2005, s.1095-1108. [22] C. Yang, C. Cheng, C. Mai, A.C. Wang, J. Hung, B. Yan: Effect of surface roughness of tool electrode materials in ECDM performance, International Journal of Machine Tools & Manufacture 50, 2010, s. 1088-1096. [23] J.D.A. Ziki, R. Wuthrich: Forces exerted on the tool-electrode during constant-feed glass micro-drilling by spark assisted chemical engraving, International

Journal of Machine Tools & Manufacture 73, 2013, s. 47-54. [24] V. Fascio, R. Wuthrich, H. Bleuler: Spark assisted chemical engraving in the light of electrochemistry, Electrochimica Acta 49, 2004, s. 3997-4003. [25] Y.P. Singh, K. Jain, P. Kumar, D.C. Agrawal: Machining piezo electric (PZT) ceramics using an electrochemical spark machining (ECSM) process, Journal of Materials Processing Technology 58, 1996, s. 24-31. [26] B. Bhattacharyya, B.N. Doloi, S.K. Sorkhel: Experimental investigations into electrochemical dis charge machining (ECDM) of non-conductive ceramic materials, Journal of Materials Processing Technology 95, 1999, s. 145-154. [27] Z. Hua, X. Jiawen: Modelling and Experimental Investigation of Laser Assisted Jet Electrochemical Machining, Chinese Journal of Aeronautics 23, 2010, s. 454-460. [28] M.R.H. Knowles, Rutterford G., Karnakis D., Ferguson A.: Micro-machining of metals, ceramics and polymers using nanosecond lasers, Int J Adv Manuf Technol 33, 2007, s. 95-102. [29] A.N. Samant, N.B. Dahotre: Laser machining of structural ceramics – A review, Journal of the European Ceramic Society 29, 2009, s. 969-993. [30] Z. Hua, X. Jawien: Modeling and Experimental Investigation of Laser Drilling with Jet Electrochemical Machining, Chinese Journal of Aeronautics 23, 2010, s. 454-460. Artykuł był opublikowany w materiałach konferencyjnych Polskiego Towarzystwa Zdrowia Publicznego, 2014.

dr inż. Piotr Lipiec mgr inż. Magdalena Machno Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki ul. Warszawska 24, 31–155 Kraków reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

29


30

maszyny, urządzenia i narzędzia

Targi PLASTPOL 2019 – najlepszy klimat dla biznesu i branży przetwórstwa tworzyw sztucznych w Europie Środkowo-Wschodniej

XXIII Międzynarodowe Targi Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy PLASTPOL Polskie firmy branży przetwórstwa tworzyw sztucznych dynamicznie się rozwijają, z roku na rok rośnie krajowy rynek tej branży – dlatego targi PLASTPOL to najlepsze w Europie Środkowo-Wschodniej miejsce prezentacji możliwości produkcyjnych, biznesowych kontaktów, przeglądu ciekawych nowości i debiutów firm.

Dla przedsiębiorców zagranicznych, którzy stanowią już ponad 50 procent wystawców Międzynarodowych Targów Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych, to wyjątkowa okazja spotkania w jedynym miejscu liderów polskiej branży i nawiązania współpracy. Tegoroczne wydarzenie odbędzie się w dniach od 28 do 31 maja. Trudno wyobrazić sobie współczesny świat bez produktów przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy. Wzrasta ich specjalizacja, podążając w stronę recyklingu i biodegradowalności. W 2018 roku podczas targów PLASTPOL wystawa zgromadziła ofertę 812 firm z 39 państw. Powierzchnia ekspozycji we wszystkich 7 halach wystawienniczych kieleckiego ośrodka targowego wyniosła 34 tys. m2. PLASTPOL odwiedziło blisko 19 tys. specjalistów. Dane PlasticsEurope za rok 2017 mówią, że najwięcej inwestorów zagranicznych w branży przetwórstwa tworzyw pochodzi z Niemiec, Austrii i Włoch. Firmy z tych krajów stanowiły najliczniejszą grupę wystawców roku 2018. W kolejnej edycji targów PLASTPOL do tego grona dołącza również Turcja z ważnymi firmami branży. Pojawianie się kolejnych silnych graczy międzynarodowego rynku podczas wystawy w Targach Kielce, po raz kolejny daje dowód, że ranga wydarzenia wciąż rośnie. Międzynarodowe Targi Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy gromadzą na liście wystawców firmy z różnych kierunków: Austrii, Belgii, Chin, Czech, Danii, Egiptu, Francji, Hiszpanii, Holandii, Hong Kongu, Indii, Iranu, Irlandii, Izraela, Japonii, Kataru, Korei Płd., Litwy, Luxemburga, Malezji, Niemiec, Portugalii, Rosji, Serbii, Słowacji, Słowenii, Szwajcarii, Szwecji, Tajlandii, Tajwanu, Turcji, Uzbekistanu, Ukrainy, USA, Węgier,

Wielkiej Brytanii, Wietnamu i Włoch oraz oczywiście z Polski. Zakres branżowy targów obejmuje: technologie, maszyny i urządzenia do przetwórstwa tworzyw sztucznych, opakowania, wzornictwo, tworzywa sztuczne, przetwórstwo gumy, recykling.

Specjaliści przetwórstwa tworzyw sztucznych o przyszłości branży PLASTPOL 2019 nie zawiedzie tych, którzy przyzwyczaili się do hal kieleckiego ośrodka wstawienniczego, wypełnionych pracującymi maszynami i prezentacją nowych technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych. Jednak oprócz ciekawych ekspozycji zapraszających do zwiedzania i rozmów o biznesie, Międzynarodowe Targi Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy w Targach Kielce to miejsce, gdzie merytorycznie dyskutuje się o przyszłości branży. – PLASTPOL jest stałym punktem w kalendarzu działań promocyjno-marketingowych wielu znanych firm – mówi Agnieszka Dąbrowska, Dyrektor Projektu PLASTPOL. – Podczas tegorocznych targów z pewnością nie zabraknie liderów branży z kraju i zagranicy, firm liczących się w branży europejskiej. Zapraszamy do współpracy także nowych producentów, bo PLASTPOL to doskonałe miejsce, by zadebiutować wśród najlepszych. Pierwszy targowy dzień bywalcom targów PLASTPOL nieodmiennie kojarzy się z konferencją Fundacji PlasticsEurope Polska, która ogłasza w Kielcach najświeższe dane branży dotyczące produkcji i zapotrzebowania na tworzywa w Polsce i w Europie. Spotkanie organizowane w scenerii 27-metrowej wieży Centrum Kongresowe-

go Targów Kielce gromadzi wielu przedstawicieli prasy, zarówno branżowej, jak i lokalnej i ogólnopolskiej.

Jubileuszowy OMNIPLAST i pełen wiedzy PLASTECH INFO w Targach Kielce Z targami branży przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy związany jest również finał znanego na polskim rynku konkursu Omniplast. Jego zadaniem jest popularyzacja wiedzy dotyczącej tworzyw sztucznych i technologii ich przetwórstwa. Odbywający się tradycyjnie w pierwszym targowym dniu konkurs w 2019 roku obchodzi swój jubileusz 10-lecia. Organizatorzy – Targi Kielce oraz Serwis Internetowy www.tworzywa.pl przygotowali dla wystawców targów PLASTPOL, spośród których rekrutują się zawodnicy, wiele niespodzianek. PLASTECH INFO to kolejny stały punkt programu targów PLASTPOL 2019. Dwudniowe seminarium techniczne towarzyszy targom w Kielcach i propaguje bieżącą wiedzę o branży.

GALA PLATINUM – tylko dla najlepszych podczas targów PLASTPOL Najlepsze produkty targowe, najciekawsze sposoby ich prezentacji na stoiskach zawsze są w Kielcach mile widziane, a także nagradzane. Gala PLATINUM PLAST, towarzysząca targom PLASTPOL, to uroczystość przyznawania wyróżnień i medali Targów Kielce. Gromadzi zawsze duże audytorium, a trofea targowe zdobią ściany i półki wielu firm polskich i zagranicznych. Kolejna, 23. edycja Międzynarodowych Targów Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych i Gumy PLASTPOL przed nami! Zapraszamy do Targów Kielce 28–31 maja 2019!

Źródło: Targi Kielce S.A.

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 1/2019 2/2019 l


maszyny i urządzenia

reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

31


32

maszyny i urządzenia

Spektrofotometr CM-700d – przewaga w poszukiwaniu zgodności barwy w produkcji Potrzebują Państwo niezawodnego wsparcia w wysiłkach o uzyskanie maksymalnej powtarzalności barwnej swoich produktów? Jeśli tak, to nie może ujść Państwa uwadze kolejny przenośny spektrofotometr - model CM-700d, renomowanej marki i producenta urządzeń do pomiaru barwy - firmy Konica Minolta. Już na pierwszy rzut oka instrument zaciekawi Państwa swoją nietypową wertykalną konstrukcją. Jest ona bardzo dobrze przemyślana z punktu widzenia ergonomii, tak aby instrument pasował każdemu niezależnie od rozmiaru dłoni. Szczególnie panie będą zadowolone z jego niewielkiej wagi i kompaktowej konstrukcji, co przy dużej częstości pomiarów jest jego szczególną zaletą. Kolejną cechą tego urządzenia jest jego pionowo ustawiona głowica pozwalająca na dotarcie do miejsc, które zwykle są trudno dostępne dla innych tego typu urządzeń. Instrument doskonale radzi sobie zarówno z powierzchniami wklęsłymi, jak i wypukłymi oraz z wszelkiego rodzaju nierównomiernymi kształtami. Uniwersalność stosowania CM-700d uzupełnia cała gama akcesoriów. Średnicę pomiarową można przełączać miedzy 8 mm a 3 mm, kiedy jest konieczne mierzenie drobniejszych elementów. Dzięki różnego rodzaju przystawkom z najwyższą dokładnością można mierzyć próbki zarówno w stanie stałym, ciekłym, jak i sypkim. Specjalny pokrowiec służy ochronie instrumentu przed przypadkowym zabrudzeniem nie tylko elementów optyki, ale i całego instrumentu. Urządzenie może bezpiecznie pracować nawet w ekstremalnie skrajnych warunkach. Kolejną cechą wyróżniającą CM-700d jest duży kolorowy wyświetlacz LCD z sześciocentymetrowym ekranem. Zmierzone dane są na nim czytelne, a ich odczyt jest intuicyjny i dzięki zakładkom przypomina pracę w programie Excel. Wyniki na wyświetlaczu można przedstawić zarówno w formie numerycznej, jak i graficznej. Dostępne są diagramy przestrzeni L*a*b*, krzywe spektralne lub barwna wizualizacja odczytanych kolorów. Obsługa instrumentu jest w pełni intuicyjna. Jest

to zasługa logicznie ułożonego panelu użytkownika z niewielką ilością funkcji i przycisków. Dzięki takiej konstrukcji można efektywnie używać instrument nawet bez jakiegokolwiek zaglądania do instrukcji obsługi. Urządzenie staje się jeszcze bardziej uniwersalne, jeśli wykorzystamy jego możliwość pracy na zasilaniu bateryjnym, poprzez załadowanie

czterech baterii AA, które są powszechnie dostępnym źródłem zasilania. Dodatkowo przyda się Państwu bezprzewodowa komunikacja z urządzeniem poprzez port Bluetooth na odległość aż 100 metrów! Pod obudową z bardzo trwałego plastiku ukryto przed wzrokiem użytkownika mechanizm spektrofotometru CM-700d, którego znakiem rozpoznawczym jest japońska doskonałość. Dopiero to, co znajduje się w środku, dowodzi jego bezkonkurencyjności w dziedzinie przenośnego pomiaru barwy. Jest to krótkoi długoterminowa powtarzalność otrzymywanych wyników, a także bardzo wysoka i stabilna zgodność międzyinstrumentalna. Wszystkie te własności na pewno docenią Państwo, tak jak każdy, komu zależy na najwyższej jakości i renomie swoich

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


maszyny i urządzenia

33

nych, wynikami pomiarów, prezentowania danych w postaci wykresów i drukowania raportów. Zarówno spektrofotometr firmy Konica Minolta CM-700d, jak i uproszczony model CM-600d są urządzeniami łatwymi w użyciu, rozwiązującymi problemy związane z pomiarem barwy w wielu sektorach przemysłu. Sprawdzają się w działach jakości w całym łańcuchu dostaw, zaczynając od zakupu materiałów do produkcji, poprzez kontrolę półfabrykatów, kończąc na kontroli barwy finalnego produktu. Gwarantują powtarzalność pomiarów oraz minimalizują odsetek reklamacji, co w krótkim czasie gwarantuje zwrot kosztów zakupu. Jeżeli chcielibyście Państwo dowiedzieć się więcej, proszę skontaktować się z naszym biurem regionalnym we Wrocławiu lub wysłać do nas e-mail. Chętnie odpowiemy na wszystkie pytania.

artykuł sponsorowany

Konica Minolta Sensing Europe B.V. Sp. z o.o. Oddział w Polsce ul. Skarbowców 23a 53-025 Wrocław tel. 71 734 52 11, fax 71 734 52 10 info.poland@seu.konicaminolta.eu www.konicaminolta.pl reklama

produktów, bez uznawania jakichkolwiek kompromisów. Już od chwili pojawienia się na rynku stał się rekomendowanym urządzeniem przez wielu światowych producentów z różnych dziedzin przemysłu. Głowica pomiarowa modelu CM-700d jest wyposażona w kulę Ulbrichta o średnicy 40 mm, która umożliwia pomiary w geometrii d/8° oraz, dzięki pułapce świetlnej, pomiary w trybie SCI i SCE (składnik zwierciadlany włączony i wyłączony). Mierzone próbki są podczas wykonywanych pomiarów oświetlane wysokoenergetyczną xenonową lampą błyskową, zapewniającą wysoką stabilność i powtarzalność otrzymanych wyników, zarówno na bardzo ciemnych, jak i wysoce nasyconych odcieniach. Równoczesne obliczenia wyników w zakresie przestrzeni kolorymetrycznych, jak i indeksów barwnych, wykonywane są niemal natychmiastowo dzięki zastosowaniu bardzo wydajnego mikroprocesora. Chociaż CM-700d pracuje całkowicie jako niezależne urządzenie, to w połączeniu z oprogramowaniem SpectraMagic NX otrzymacie Państwo zupełnie nowe możliwości związane z kontrolą jakości barwy. Oprogramowanie w wygodny sposób daje możliwość zarządzania plikami da-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


34

technologie

Właściwości tribologiczne kompozytów epoksydowych i rezolowych w warunkach tarcia technicznie suchego

Właściwości tribologiczne kompozytów epoksydowych i rezolowych SYLWESTER STAWARZ, MAGDALENA STAWARZ, ROBERT GUMIŃSKI, WOJCIECH KUCHARCZYK

W artykule omówione zostały wyniki badań tribologicznych kompozytów epoksydowych i rezolowych. Zbadano stan powierzchni próbek kompozytów, pracujących w węzłach ślizgowych. Stwierdzono, że istnieje możliwość zastosowania tańszych żywic rezolowych do kompozytów ślizgowych (w miejsce stosowanego Epidianu 5). Wykonano testy, które wykazały, że zwiększenie zawartości PTFE w kompozycie powodowało obniżenie zarówno współczynnika tarcia, jak i zużycie. Wyniki analizy rentgenograficznej potwierdziły występowanie zjawiska selektywnego przenoszenia. W urządzeniach realizujących ruch, jednym ze słabszych elementów są węzły tarcia, dlatego wciąż trwają badania nad nowymi materiałami, stosowanymi do ich konstrukcji. Aktualnie pierwszoplanowym zastosowaniem materiałów kompozytowych jest przemysł transportowy [1, 2]. W zależności od przeznaczenia posiadają one kompleks właściwości: podwyższoną wytrzymałość, odporność na zużycie, odpowiednie charakterystyki ślizgowe, odporność na szoki cieplne i procesy zmęczeniowe z uwzględnieniem tendencji do zmniejszania masy właściwej gotowego wyrobu kompozytowego. W materiałach kompozytowych poddanych długotrwałym obciążeniom statycznym lub zmęczeniowym występuje zjawisko stopniowych zmian wartości współczynników sprężystości, wskaźników wytrzymałości, charakterystyk tłumienia drgań i innych właściwości materiału. Przyczyną takich zmian jest proces stopniowego rozwoju mikropęknięć i innych uszkodzeń materiału [3, 7]. Modyfikacja polegała na dodaniu do polimeru bazowego napełniaczy i modyfikatorów. Jednoczesna modyfikacja wieloma napełniaczami jest skuteczniejsza, ale nie zawsze można w pełni przewidzieć jej efektywność ze względu na synergizm napełniaczy, zawartych w polimerowej matrycy kompozytu [4, 5, 6]. Przedmiotem badań przedstawionych w artykule było ustalenie wpływu poszczególnych składników oraz ich zawar-

tości, na właściwości wytrzymałościowe i charakterystyki tarciowo-zużyciowe wybranych kompozytów polimerowych, a w szczególności na możliwość zastosowania ich w ślizgowych węzłach tarcia.

Metodyka badań Kompozyty oparte na żywicach rezolowych (AW1 i FDP) i kompozyt z politetrafluoroetylenu (PTFE) otrzymano według receptur własnych, zawartych w pracy [5,

8]. W przypadku kompozycji epoksydowych kompozyt podstawowy otrzymano z Epidianu 5 i trietylenotetraaminy (utwardzacza Z1). Przeprowadzono modyfikację polimerów różnymi napełniaczami (włóknami bawełny, mieszaniną PTFE i proszku brązu w różnych proporcjach. Badania przeprowadzone zostały za pomocą tribometru (Tester T-05 typu rolka–klocek) produkcji Instytutu Technologii i Eksploatacji w Radomiu. Tester T-05 ma zastosowanie do oceny właściwości tribologicznych smarów plastycznych, olejów i smarów stałych oraz odporności na zużycie podczas tarcia metali i tworzyw sztucznych. Służy także do badania odporności na zacieranie powłok niskotarciowych, nanoszonych na wysokoobciążone elementy maszyn. Zostały przeprowadzone badania kompozytów z różnymi lepiszczami: epoksydowym (Epidian 5), rezolowym (z żywicy fenolowo-formaldehydowej AW1 lub z żywicy fenolowo-formaldehydowo-feno-

Rys. 1. Etapy procesu otrzymywania próbek do badań

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


technologie lowej FDP), a także kompozytu opartego na politetrafluoroetylenie (PTFE), z napełniaczem metalowym (proszkiem brązu). Badane kompozyty przedstawiono w tabeli 1. Oceniono wpływ rodzaju lepiszcza na współczynnik tarcia μ (μ = f (p,V)) – dla wybranych obciążeń, przy założeniu, że podczas badań temperatura tarcia (mierzona w próbce w odległości około 2 mm od powierzchni tarcia) nie będzie przekraczać 120oC. Ocenę własności tribologicznych: współczynnika i temperatury tarcia oraz zużycia – dokonano za pomocą testera T-05 w skojarzeniu ze stalą 45 (49HRC) (rys. 2), przy parametrach tarcia: l nacisku od 1,25–10 [MPa]; l prędkości od 0,5 [m/s]; l chłodzenie: bez chłodzenia i z wentylowaniem obszaru skojarzenia; l wilgotność powietrza: 70–80% wilgotności względnej; o l temperatura otoczenia 14–22 C; l powierzchnia przykrycia próbki 16%; l tarcie technicznie suche. W badaniach wyznaczono przebieg współczynnika i temperatury tarcia w zależności od obciążenia przy różnych wartościach prędkości. Po cyklu badań zmierzono wartość intensywności zużycia za pomocą wagi analitycznej WA-32 (produkcji Zakładów Mechaniki Precyzyjnej w Gdańsku). Temperaturę i współczynnik tarcia, rejestrowano co 250 m (przy obciążeniu zmienianym co 600 sek.). Ponadto rejestrowano również zależność współczynnika tarcia od drogi tarcia. Próbki były ważone przed i po każdym teście, co pozwoliło na wyznaczenie ich zużycia [8].

35

Tabela 1. Skład jakościowy kompozytów Nr kompozytu

Rodzaj lepiszcza

Rodzaj napełniacza

1

Politetrafluoroetylen PTFE

Proszek brązu (CuSn)

2

Żywica epoksydowa Epidian 5 Utwardzacz: trietylenotetraamina

35% PTFE + 65% proszku brązu (CuSn); Włókna bawełny Linters

3

Żywica epoksydowa Epidian 5 Utwardzacz: trietylenotetraamina

65% PTFE+ 35% proszku brązu (CuSn); Włókna bawełny Linters

4

Rezolowa żywica fenolowo- formaldehydowa AW1

35% PTFE +65% proszku brązu (CuSn); Włókna bawełny Linters

5

Rezolowa żywica fenolowo-formaldehydowo - fenolowa FDP

35% PTFE +65% proszku brązu (CuSn); Włókna bawełny Linters

Rys. 2. Tester T-05 – widok skojarzenia próbka -przeciwpróbka (krążek)

Rezultaty badań

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Rys. 3. Średnia temperatura węzła tarcia dla kompozytów [oC]

Rys. 4. Współczynnik tarcia dla kompozytów t

Średnią temperaturę węzła tarcia (we wszystkich przypadkach) można uznać jako zadowalającą. Najlepsze wyniki osiągnęły próbki kompozytów z lepiszczem epoksydowym (73oC dla kompozytu 2, 57oC dla 3). Kompozyt 5, z lepiszczem z żywicy fenolowo-formaldehydowo-fenolowej, wykazał podczas tarcia temperaturę 79oC. Najwyższą wartość (110oC) uzyskano dla kompozytu 4, z lepiszczem z żywicy fenolowo-formaldehydowej (rys. 3). Charakterystyki tarciowo-zużyciowe kompozytów z lepiszczem z żywicy epoksydowej (kompozyt 2 i 3) i z żywic rezolowych: (kompozyt 4 i 5) osiągają podobne wartości. W przypadku kompozytów z lepiszczem epoksydowym współczynnik tarcia uzyskany dla kompozytu 2 wynosił μ = 0,321, natomiast dla kompozytu 3 μ = 0,252.


36

Rys. 5. Twardość badanych kompozytów [Sh]

Rys. 6. Zużycie badanych kompozytów [g]

Rys. 7. a) powierzchnia tarcia kompozytu 1, widoczne są poprzeczne do kierunku tarcia mikropęknięcia; b) Widok taśmy w płaszczyźnie ścinania widoczny teflon w postaci płatkowej (powiększenie x400)

Rys. 8. Charakterystyki rentgenograficzne powierzchni przeciwpróbki metalowej (stal 45 o twardości HRC 48) współpracującej w procesie tarcia z próbką kompozytu 1 z lepiszczem z PTFE

technologie Współczynniki tarcia uzyskane podczas badań dla próbek opartych na żywicach rezolowych są wyższe (dla 4 μ =0,331, dla 5 μ = 0,355) (rys. 4). Najwyższą twardość uzyskały próbki oparte na żywicy epoksydowej (2 i 3). W przypadku żywic rezolowych zastosowanie żywicy fenolowo-formaldehydowo-fenolowej (FDP) powoduje zwiększenie twardości (rys. 5). Porównując te wyniki z wynikami badań tribologicznych, można stwierdzić, że wśród badanych kompozytów próbki kompozytów epoksydowych – o najwyższej twardości, charakteryzowały się również najniższym zużyciem (rys 6). Kompozyty z lepiszczem epoksydowym wykazały zdecydowanie niższe zużycie. Dla kompozytu 1, gdzie jako napełniacz zastosowano proszek brązu, uzyskano wyniki zbliżone do wyników dla próbek kompozytów epoksydowych (2, 3). Przy niskim średnim współczynniku tarcia (μ = 0,120) obserwowano stosunkowo wysoką temperaturę tarcia (89oC), ale niskie zużycie. W przypadku kompozytów epoksydowych (2 i 3) – przy wzroście udziału dyspersji PTFE – nastąpiło obniżenie zużycia i współczynnika tarcia oraz temperatury wyzwalającej się podczas tarcia. W przypadku kompozytu z lepiszczem z PTFE (kompozyt 1) nastąpiło płynięcie plastyczne próbki. Zaobserwowano tworzenie się na powierzchni tarcia warstwy poślizgowej, jej pękanie, (rys. 7a) oraz jej ścinanie (rys. 7b). Produkty zużycia wypływają z obszaru tarcia w postaci bardzo cienkiej, łamiącej się taśmy. Zaobserwowane zjawiska są zgodne z opisanym w pracy [8] mechanizmem zużycia. Nastąpiło widoczne przenoszenie składników kompozytu (Cu, Sn, PTFE) na stalową przeciwpróbkę. Analiza rentgenograficzna wykazała wzbogacenie warstwy wierzchniej w: miedź, cynę i fluor (rys. 8). Analizując wyniki badań rentgenowskich dla kompozytu epoksydowego, zawierającego większą zawartość PTFE (kompozyt 3), można zauważyć, że zdecydowanie wzrasta zawartość miedzi na powierzchni przeciwpróbki, przeniesionej z materiału klocka (rys. 9). W przypadku próbki z lepiszczem z żywicy fenolowo-formaldehydowej AW1 (kompozyt 4) analiza rentgenograficzna powierzchni rolki kompozytu wskazuje na umiarkowane wydzielanie miedzi na powierzchni, poddanej procesowi tarcia, pochodzącej z przeciwpróbki wykonanej ze stopu łożyskowego. Zauważalne są także charakterystyczne pasma promieniowania dla pierwiastków wchodzących w skład

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


technologie Rys. 9. Charakterystyki rentgenograficzne: a) powierzchni przeciwpróbki metalowej (stal 45 o twardości HRC 48), b) współpracującej w procesie tarcia z próbką kompozytu z lepiszczem epoksydowym (kompozyt 3)

Rys. 10. Charakterystyki rentgenograficzne: a) powierzchni przeciwpróbki metalowej (stal 45 o twardości HRC 48), b) współpracującej w procesie tarcia z próbką kompozytu z lepiszczem fenolowo-formaldehydowym (kompozyt 4)

a)

b)

a)

b)

stopu łożyskowego, czyli: żelaza, cyny, fluoru (rys. 10). Tak odmienne zachowania można tłumaczyć różnymi mechanizmami zużywania żywicy fenolowo-formaldehydowej i żywicy epoksydowej.

Podsumowanie Podsumowując należy stwierdzić, że: 1. Zwiększenie udziału politetrafluoroetylenu w kompozytach epoksydowych powoduje poprawę właściwości tribologicznych, a także obniżenie zużycia i poprawę odporności termicznej; 2. Wyniki analizy rentgenograficznej badanych próbek i przeciwpróbek wskazują, że podczas procesu tarcia zachodzi zjawisko selektywnego przenoszenia, które prowadzi do wytworzenia na współpracujących powierzchniach obu partnerów cienkich warstewek powierzchniowych, przejmujących funkcję warstwy przeciwzużyciowej. 3. Kompozyty oparte na żywicach rezolowych uzyskały charakterystyki tribologiczne zbliżone do kompozytów, opartych na żywicach epoksydowych, zawierających ten sam rodzaj napełniacza, dyspersję politetrafluoroetylenu (PTFE). Możliwość ta jednak może być determinowana przez określone wa-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

runki (żywice rezolowe uzyskały nieco wyższy współczynnik tarcia oraz temperaturę, wyzwalającą się w węźle tarcia) w zakładanym węźle tarciowym; 4. Istnieje możliwość zastosowania tańszych żywic rezolowych do wytwarzania kompozytów ślizgowych.

Literatura [1] B. Challen, R. Barnescu: Diesel Engine Reference Book. Butterworth-Heineman, Oxford 1999. [2] A. Mazurkiewicz: Ocena właściwości i kształtowania ubytkowego kompozytu PTFE-brąz, Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, R. 17, nr 6, 2017. [3] K. Trębicki, A. Królicka: Próby wytrzymałościowe kompozytów polimerowych, Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, R. 18, nr 9, 2017. [4] S.X. Huang, K. Paxton: A Macrocomposite Al Brake Rotor for Reduced Weight and Improved Performance. Journal of Metals, Vol. 50, No. 8, 1998. [5] B. Siepracka, J. Szumniak, S. Stawarz: Wpływ rodzaju osnowy na właściwości tribologiczne kompozytów ślizgowych z dyspersją teflonową, Tribologia 4/2003.

37

[6] Z.Lawrowski: Bezobsługowe łożyska ślizgowe, Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006. [7] K. Trębicki, A. Królicka: Wpływ struktury materiałów kompozytowych na właściwości mechaniczne, Autobusy: Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, R. 18, nr 9, 2017. [8] B. Siepracka, J. Szumniak, S. Stawarz, J. Gajewska: Wpływ rodzaju lepiszcza na własności kompozytów ślizgowych, Inżynieria Powierzchni, 2005, Nr 4, s. 39-46.

Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe” 2018 nr 12.

dr inż. Sylwester Stawarz dr inż. Magdalena Stawarz mgr inż. Robert Gumiński dr inż. Wojciech Kucharczyk Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu Wydział Mechaniczny, IBM, ZIM


38

technologie

Postępy w ocenie NDT jakości kompozytów polimerowych w warunkach produkcyjnych JERZY NOWACKI, NORBERT SIECZKIEWICZ

W artykule przedstawiono perspektywiczne systemy badań nieniszczących kompozytów polimerowych w aspekcie aktualnych rozwiązań w obszarze metodyki i urządzeń. Opracowano wykaz dostępnych norm dotyczących badań nieniszczących kompozytów polimerowych ustanowionych przez ASTM International, Międzynarodową Organizację Normalizacyjną ISO oraz SAE. W eksperymencie przeprowadzono próby możliwości zastosowania kamery Flir ONE w warsztatowych badaniach NDT kompozytowych płyt węglowo-epoksydowych. Wykazano możliwość wykorzystywania kamery termowizyjnej Flir One do podstawowej kontroli kompozytów polimerowych w małych zakładach produkcyjnych Szerokie zastosowanie kompozytów polimerowych oraz wysokie wymagania dotyczące niezawodności i wymaganych współczynników bezpieczeństwa, osiąga-

jących wartość 1.5 według amerykańskich przepisów lotniczych organizacji Federal Aviation Administration (FAR § 25.303) [1] w lotnictwie i kosmonautyce zadecydo-

wało o szczególnym znaczeniu badań nieniszczących w tych przemysłach. Z analizy danych sprzedażowych firmy Toray – lidera w produkcji włókna węglowego [2], jednym z największych odbiorców produktów tej firmy jest przemysł lotniczy i kosmonautyczny [3]. Przykładem samolotów pasażerskich, w których zastosowano kompozyty na dużą skalę są konstrukcje samolotów Airbus A350 XWB oraz Boeing B787 Dreamliner, które wykonane są odpowiednio z 53% i 50% materiałów kompozytowych [4, 5]. W 2014 agencja rządu Stanów Zjednoczonych NASA stworzyła kompozytowy zbiornik na paliwo o średnicy 5,5 metra. Space Exploration Technologies Corpora-

Tabela 1. Wykaz norm dotyczących badań nieniszczących kompozytów Numer normy

Tytuł normy Metoda emisji akustycznej

ASTM E1495/ E1495M-12 ASTM E2191/ E2191M - 16 ASTM E2661/ E2661M-15 PN-EN 15857:2010

ASTM E2662-15

ASTM E2580-12

ASTM E2581-14

ASTM E2582-07 PN-EN 4179:2017-03 ASTM E2533-16a ASTM E2981-15 SAE ARP5606A SAE ARP5605A

Standard Guide for Acousto-Ultrasonic Assessment of Composites, Laminates, and Bonded Joints Standard Practice for Examination of Gas-Filled Filament-Wound Composite Pressure Vessels Using Acoustic Emission Standard Practice for Acoustic Emission Examination of Plate-like and Flat Panel Composite Structures Used in Aerospace Applications Badania nieniszczące - Emisja akustyczna - Badanie polimerów wzmocnionych włóknem - Określona metodologia i ogólne kryteria oceny Metoda radiologiczna Standard Practice for Radiographic Examination of Flat Panel Composites and Sandwich Core Materials Used in Aerospace Applications Metoda ultradźwiękowa Standard Practice for Ultrasonic Testing of Flat Panel Composites and Sandwich Core Materials Used in Aerospace Applications Szerografia Standard Practice for Shearography of Polymer Matrix Composites and Sandwich Core Materials in Aerospace Applications Metoda termograficzna Standard Practice for Infrared Flash Thermography of Composite Panels and Repair Patches Used in Aerospace Applications Personel badań nieniszczących Lotnictwo i kosmonautyka - Kwalifikacja i zatwierdzanie personelu badań nieniszczących Normy ogólnego przeznaczenia Standard Guide for Nondestructive Testing of Polymer Matrix Composites Used in Aerospace Applications Standard Guide for Nondestructive Testing of the Composite Overwraps in Filament Wound Pressure Vessels Used in Aerospace Applications Composite Honeycomb NDI Reference Standards Solid Composite Laminate NDI Reference Standards

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


tion (SpaceX), a obecnie pracuje nad projektem Interplanetary Transport System, którego celem będzie możliwość wysłania wyprawy złożonej z co najmniej 100 osób na Marsa [6]. Kluczowym aspektem realizacji tej wyprawy ma być opanowanie produkcji zbiornika na paliwo o średnicy 12 metrów, wykonanego z kompozytu węglowego [7]. Z powodu dużego zapotrzebowania przemysłu lotniczego na materiały kompozytowe, to właśnie tam intensywnie rozwijane są technologie dotyczące materiałów kompozytowych, w tym także sektor badań nieniszczących. Dlatego też normy SAE i ASTM obejmują badania nieniszczące kompozytów w zastosowaniach lotniczych i kosmonautycznych (tab. 1).

Innowacyjne techniki badań nieniszczących Do podstawowych metod badań nieniszczących kompozytów należą techniki ultradźwiękowe, termowizyjne, radiologiczne, wizualne, penetracyjne, prądów wirowych, emisji akustycznej, drgań rezonansowych i optyczne [8]. W związku z dynamicznym wzrostem popytu na roboty w gospodarce światowej oraz Polskiej, jak wynika z badań przeprowadzonych przez Instytut Badań nad Gospodarką Rynkową [9, 10], można oczekiwać, że w najbliższej przyszłości coraz większe znaczenie będą zyskiwać zrobotyzowane badania NDT. Techniki ultradźwiękowe Firma TWI pracowała nad projektem IntACom, którego celem było zwiększenie wydajności badań nieniszczących [11, 12, 13]. Efektem projektu było stworzenie zrobotyzowanej celi inspekcyjnej składającej się z dwóch 6-osiowych robotów. Efektor robota wykorzystuje pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy oraz metodę ultradźwiękową phased array (Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT)), które zostały zamontowane w dyszy strumienia wody. Dysza, wykonana metodą druku 3D, zapewnia stałe sprzężenie akustyczne, kierując wiązkę fal na powierzchnię elementu. Aby ochronić głowicę przed uszkodzeniami zastosowano magnetyczny uchwyt wraz z mikrowyłącznikami, które w momencie kolizji i rozdzielania się uchwytu, zatrzymują robota [14]. Firma GE oferuje produkt, służący do zrobotyzowanej inspekcji kompozytów, pod nazwą Hydrastar. Występuje on w dwóch konfiguracjach robotów – pojedynczej i podwójnej. System pomiarowy umieszczony na końcu ramienia robota może wykorzystywać technologię phased array lub konwencjonalną Through Transmission Ultrasonic (TTU). Za pomocą odpo-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

wiednich głowic w jednym przejściu można kontrolować promienie zewnętrzne i wewnętrzne, teowniki lub przyspieszyć procedurę badań za pomocą głowicy cechującej się 15-milimetrowym obszarem skanowania. Oferowana jest również głowica wykorzystująca technikę Pulse Echo o szerokości skanowania 38 mm [15]. Stosowanie wody, jako cieczy sprzęgającej wymaga zastosowania pomp (możliwy hałas), kontroli stanu instalacji, filtrów oraz dbania o jakość wody [16]. Aby uniknąć tych niedogodności, należałoby rozważyć zastosowanie w przyszłych projektach Laser Ultrasonics (LUS). Metoda ta wykorzystuje termosprężyste właściwości materiałów kompozytowych. Materiał absorbuje światło laserowe, które następnie przetwarzane jest na ciepło. Nagrzany obszar rozszerza się, wywołując naprężenia normalne i styczne, a więc niejako falę naprężeń. Cechą kompozytów o osnowie organicznej jest to, że fala ta zawsze rozchodzi się prostopadle do powierzchni. Dzięki temu brak jest szczególnych wymagań, co do ustawienia elementów badanych, gdyż wiązka lasera może padać pod różnymi kątami. Układ detekcji wykorzystuje interferometr Fabry’ego-Perota i laser pulsacyjny. Rozwiązanie takie oferuje firma PAR Systems pod nazwą handlową LaserUT® [17, 18]. DolphiCam 2D Ultrasonic Array Camera jest urządzeniem służącym do ultradźwiękowych badań kompozytów, które można podłączyć do tableta lub komputera poprzez interfejs USB. Pozwala ono na pracę na sucho na błyszczących powierzchniach, zaś ciecz sprzęgająca może być wymagana na chropowatych powierzchniach. Za jego pomocą możliwe jest tworzenie obrazów typu A, B, C-scan. Na rynku dostępne są dwa modele, jeden o oznaczeniu CF08, który pozwala na badanie kompozytów CFRP o grubości do 8 mm, oraz drugi o oznaczeniu CF16, za pomocą którego można analizować materiały do grubości 16 mm. Kamera jest wykorzystywana podczas badań nieniszczących zbiornika paliwa wykonanego z kompozytu węglowego, wykorzystywanego w samolocie Boeing 787 Dreamliner [19, 20]. Techniki emisji akustycznej WichiTech RD3 oraz Mitsui Woodpecker są urządzeniami służącymi do badań kompozytów metodą akustyczną, eliminującymi błąd ludzki, który może wystąpić przy klasycznym opukiwaniu młotkiem, np. w pomieszczeniach o dużym natężeniu hałasu. Najnowszy model tego urządzenia firmy Mitsui, WP-632AM, wyposażony jest w ekran LCD, który wyświetla wartości zmierzone i rzeczywiste celem szybkiego porównania przez operatora, pozwala również na dostęp do historii pomiarów.

39

Urządzenie można wyposażyć w opcjonalny ploter XY, który umożliwia stworzenie kolorowej mapy składającej się z kafelków (punktów pomiarowych) w różnych odcieniach. Zapewnia to szybkie określenie ilości defektów oraz ukazuje przybliżoną wielkość i lokalizację wady w czasie rzeczywistym [21, 22, 23, 24]. Techniki termograficzne Wykonywanie pomiarów termograficznych metodą impulsową może być używane do wykrywania rozwarstwień w materiałach kompozytowych. Firma Flir opisała na swojej stronie internetowej wykorzystanie kamery FLIR SC7000 do kontroli kompozytowych ram rowerowych [25]. Mając na uwadze fakt, iż termografia staje się coraz bardziej dostępna, jak na przykład sensor FLIR Lepton®, który został zastosowany w smartfonie CAT S60 [26], czy też obecne na rynku akcesoria do telefonów z systemem iOS i Android, takie jak Flir ONE, Seek Thermal CompactPRO oraz I3 Systems Inc. Thermal Expert, jest to bardzo obiecujący kierunek rozwoju badań nieniszczących kompozytów w małych warsztatach. Rozwiązaniem, które zostało opracowane w szczególności na potrzeby badań materiałów kompozytowych jest produkt C-ChcekIR opracowany przez firmę Automation Technology GmbH. C-CheckIR wykorzystuje technikę aktywnej termografii. Rozwiązanie to pozwala na przeanalizowanie obszaru o wymiarach 0,5x0,4m, z możliwością zawężania oraz rozszerzania granic badanego rejonu. Czas pomiaru przeciętnie wynosi mniej niż 15 sekund, nie jest wymagane przygotowywanie powierzchni przed badaniem. System C-CheckIR umożliwia badanie elementów na bieżąco oraz może zostać zrobotyzowany. Produkt jest także dostępny jako urządzenie, które może służyć do badań w lotnictwie zgodnie z procedurą Airbus NTM 55-40-50 [27]. Thermal Wave Imaging (TWI) również oferuje produkty wykorzystujące termografię do badań nieniszczących materiałów kompozytowych. W ofercie posiadają systemy dla przemysłu i laboratoriów, urządzenia zrobotyzowane oraz przenośny system VoyagerIR [28]. Techniki shearografii laserowej Szerografię oferuje firma Dantec Dynamics, np. jako przenośne systemy FlawExplorer składające się układu pomiarowego i terminalu PC. System wyposażony jest w 4 lub 8 diod laserowych, pozwalając na badanie pola o powierzchni od 100x100 mm do 2x2 m na jedno zdjęcie. System może zostać łatwo zautomatyzowany w połączeniu z robotem w celu wykonywania zrobotyzowanych badań NDT.

t

technologie


40

technologie

Drugim systemem oferowanym przez firmę Dantec Dynamics, jest produkt o nazwie Q810. Jest to system wyposażony w głowicę próżniową, pracujący niezależnie od warunków otoczenia, pozwalający na przebadanie pola o powierzchni 300 mm x 200 mm co 10 sekund. Zarówno optyka, jak i dioda lasera, są hermetycznie chronione przed pyłem i zanieczyszczeniami. Samodopasowująca się uszczelka pozwala na badanie powierzchni o skomplikowanych kształtach. Oprogramowanie dołączone do urządzenia ma możliwość automatycznego wykrywania wad, eliminujące błąd ludzki [29, 30, 31].

Próby termograficznych badań delaminacji kompozytu węglowo-epoksydowego Cel badań W kompozytach jedną z wad, która występuje stosunkowo często i może doprowadzić do zniszczenia elementu, jest delaminacja. Rozwarstwienie wiąże się z utratą sztywności i wytrzymałości, co jest

niewskazane, gdy trzeba zapewnić wymaganą niezawodność i bezpieczeństwo konstrukcji. W przypadku kompozytów „sandwich” z przekładkami w postaci plastra miodu, wykorzystywanych w przemyśle lotniczym, problemem jest wilgoć, która przez mikropęknięcia na powierzchni nośnych warstw kompozytowych może przedostać się do wnętrza komórek rdzenia. Woda może również dostać się do kompozytu przez miejsca elementów złącznych. Samolot na wysokości przelotowej narażony jest na działanie wysokich ujemnych temperatur, co w przypadku zawilgoconej przekładki, może spowodować zwiększenie objętości zamarzającej wody i w konsekwencji uszkodzeń struktury, a nawet zerwania części poszycia [32]. W związku z tym istnieje potrzeba sprawdzenia możliwości wykorzystania kamery termograficznej kompatybilnej ze smart-

fonem do szybkich inspekcji struktur kompozytowych. Materiał i metoda badań Próby termograficznych badań delaminacji kompozytu węglowo-epoksydowego przeprowadzono z użyciem kamery termowizyjnej i akcesorium Flir One do telefonu z systemem iOS (rys. 1, 2). Firma Flir opracowała technologię MSX, która łączy obraz termiczny z konturami obrazu widzialnego, dzięki czemu obraz cechuje się większą szczegółowością. Rozdzielczość sensora wynosi 160x120 px, a czułość termiczna – 100 mK. Kamera posiada dwa obiektywy, więc przy bliskich odległościach od przedmiotu badanego może być widoczny problem paralaksy. Niedogodnością, przy niewielkiej wielkości zasymulowanych wad, jest zwiększenie szczegółowości obrazu poprzez wprowadzenie konturów obrazu widzialnego, co

Rys. 3. Próbka kompozytowa z folią PTFE (lewa) oraz sandwich (prawa)

Rys. 4. Fragment przekroju próbki kompozytowej z folią PTFE (lewa) oraz sandwich (prawa)

Rys. 1. Kamera termowizyjna Flir One podłączona do tableta iPad mini. Dzięki symetryczności złącza Lighting, kamerę można zamontować w jednym z dwóch kierunków – w stronę operatora lub przeciwnie do niego.

Rys. 2. Akcesorium Flir One do telefonu z systemem iOS (złącze Lighting)

Rys. 5. Lokalizacja i wymiary zasymulowanych wad

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


technologie

Rys. 6. Porównanie obrazu termicznego (lewy) z obrazem termicznym połączonym z konturami obrazu widzialnego (prawy). Wzrost szczegółowości widać szczególnie na powierzchni próbki, na której widoczny jest splot tkaniny węglowej

41

Rys. 7. Wady widoczne w próbkach. Próbka z folią PTFE wykazuje w obszarze defektów niższą temperaturę, gdyż kamera znajdowała się po przeciwnej stronie źródła ciepła. W przypadku próbki sandwich została ona obrócona tak, aby nagrzana strona próbki skierowana była w stronę kamery, stąd wada widoczna jest jako obszar o wyższej temperaturze

Rys. 9. Soczewki użyte w badaniu

Rys. 8. Wady widoczne na próbce sandwich, na brzegach próbki obecne są miejsca, przez które wprowadzano ciecz za pomocą strzykawki

może przeszkodzić w prawidłowej ocenie próbek. W związku z tym jako oprogramowanie użyte do zapisania zdjęć termograficznych wybrano Thermal Camera+ For Flir ONE autorstwa Georga Friedricha. Aplikacja ta pozwala na wyłączenie funkcji MSX. Badania przeprowadzono na próbkach kompozytowych węglowo-epoksydowych o wymiarach 100 x 100 mm (rys. 3, 4). W celu zasymulowania rozwarstwienia w próbce wykonanej metodą RTM wprowadzono fragment folii wykonanej z PTFE, o wymiarach 30 x 30 mm, pomiędzy środkowymi warstwami zbrojenia rys. 5). Grubość próbki z delaminacją wynosiła 2 mm. W przypadku próbki przekładkowej grubość nośnych warstw kompozytowych wynosi 1,3 mm. Grubość przekładki ulowej to 3 mm, zaś całkowita grubość próbki to 4,3 mm. Wodę wewnątrz komórek rdzenia

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

wprowadzono strzykawką lekarską, wbijając igłę w wybranych miejscach próbki. Próbki zostały położone na stole grzewczym i ogrzane do temperatury około 90°C. Następnie próbki przełożono na blachę rozgrzaną do temperatury około 50oC. Próbkę sandwich podczas przekładania obrócono o 180° tak, aby strona nagrzana była w kierunku kamery termowizyjnej. W wyniku badań zarejestrowano obrazy termiczne i obrazy termiczne połączone z konturami obrazu widzialnego próbek z zasymulowanymi wadami (rys. 6–8). Jakość obrazu Problemem podczas badania małych elementów lub z bliskich odległości może być brak ostrości obrazu termowizyjnego. W celu jego poprawy można zastosować optykę wykonaną z np. arsenku galu GaAs,

selenku cynku ZnSe lub germanu Ge (rys. 9). Wadą ZnSe jest jego skłonność do zarysowań. Soczewki wykonane ZnSe oraz GaAs użyte do badań mają 20 mm średnicy oraz ogniskową 64,5 mm. Soczewka z Ge ma średnicę 12 mm oraz ogniskową 50,8 mm. Telefon wraz z kamerą termowizyjną zamontowano na statywie. Odległość kamery od przedmiotu badanego, czyli karty dźwiękowej USB była stała. Kolejno przykładano soczewki do obiektywu kamery Flir One i zapisywano zdjęcia. Zastosowanie soczewek GaAs, ZnSe i Ge spowodowało widoczne powiększenie obrazu oraz jego szczegółowości (rys. 10, 11). Wymiary i umiejscowienie wad W celu opisania rozmiaru oraz lokalizacji wad wykorzystano oprogramowanie Area Calculator - SketchAndCalc firmy Icalc, Inc.

t

Rys. 10. Karta dźwiękowa USB. Widoczne powiększenie obrazu oraz zwiększenie jego jakości po zastosowaniu każdej z soczewek


42

technologie

Rys. 11. Porównanie wielkości powiększenia obiektu z wykorzystaniem soczewki GaAs/ ZnSe z wielkością obrazu zarejestrowanego bez soczewki

Program oferowany jest w postaci aplikacji internetowej oraz aplikacji mobilnej. Zaletą drugiego rozwiązania jest możliwość edycji termogramu na tym samym urządzeniu, którym wykonano zapis zdjęcia z kamery Flir ONE. Program ten pozwala na wprowadzenie wartości referencyjnej długości z uprzednio wykonanego zdjęcia. W przypadku znanych wymiarów próbki, tj. 100x100 mm, jako wartość referencyjną przyjęto jedną z krawędzi próbki. Następnie za pomocą rysika oznaczano na ekranie kontury wad. Program automatycznie generował, na podstawie wprowadzonych punktów, obwód oraz pole powierzchni oznaczonych obszarów. Fragment folii PTFE miał wymiary 30x30mm i uzyskane wyniki były bardzo zbliżone do tej wartości. Również spróbowano określić lokalizację wady, a dokładniej narożnika folii PTFE (rys. 12–15). W przypadku próbki sandwich określono jedynie wielkości wad.

Rys.12. Określenie wielkości zasymulowanej wady w postaci folii PTFE

Rys.13. Określenie lokalizacji wady w postaci folii PTFE

Wnioski W wyniku przeprowadzonych testów wykazano przydatność szczególnie podczas produkcji seryjnej kamery termowizyjnej Flir One w warsztatowych badaniach delaminacji kompozytów epoksydowo – węglowych. Opracowanie technik termograficznych badań delaminacji kompozytów polimerowych z użyciem kamery termowizyjnej i akcesorium Flir One do telefonu z systemem iOS otwiera możliwość prowadzenia podstawowej inspekcji materiałów kompozytowych w małych zakładach produkcyjnych, a nawet ze względu na prostotę - również przez hobbystów. Istnieje potrzeba przeprowadzenia dalszych badań w celu określenia możliwości wykrywania innych wad, np. porów, jak również określenia wielkości wad możliwych do wykrycia analizowaną metodą. W celu poprawy jakości obrazowania małych elementów za pomocą mobilnej kamery Flir One można zastosować tanie i łatwo dostępne soczewki do laserów.

Rys.14. Określenie wielkości jednej z dwóch wad w próbce sandwich

Rys.15. Określenie wielkości jednej z dwóch wad w próbce sandwich

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


technologie Przyszłością badań materiałów kompozytowych jest możliwość ich automatyzacji lub robotyzacji, co umożliwi wykluczenie ewentualnego błędu człowieka podczas pomiarów oraz przyspieszy proces badania NDT, co ma znaczenie szczególnie podczas produkcji seryjnej.

Literatura [1] F. R. Shanley: Historical Note on the 1.5 Factor of Safety for Aircraft Structures”, Journal of the Aerospace Sciences, Vol. 29, No. 2 (1962), pp. 243-244. [2] http://www.rmi.org/RFGraph-Carbon_ fiber_market_share_by_company, dostępny w sieci: 06.03.2017. [3] http://www.toray.com/ir/individual/ind_ _012.html, dostępny w sieci: 25.07.2017. [4] B. Lu,:The Boeing 787 Dreamliner Designing an Aircraft for the Future, http:// www.jyi.org/issue/the-boeing-787-dreamliner-designing-an-aircraft-for-the-future/, dostępny w sieci: 25.07.2017. [5] K. Campbell: Airbus to start manufacturing parts for new A350 XWB in late ’09, http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-for-new-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11, dostępny w sieci: 25.07.2017. [6] M. Wall: SpaceX’s Elon Musk Unveils Interplanetary Spaceship to Colonize Mars http://www.space.com/34210-elon-musk-unveils-spacex-mars-colony-ship. html, dostępny w sieci: 25.07.2017. [7] D. Mosher, E. Musk is about to test the‚ trickiest’ part of his Mars spaceship – a giant, potentially explosive black orb, http://www.businessinsider.com/spacexcarfuel-tank-ocean-ship-test-2016-10?IR=T, dostępny w sieci: 25.07.2017. [8] S. Ochelski: Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych, WNT, 2004. [9] K. Łapiński: Wpływ robotyzacjina konkurencyjność polskich przedsiębiorstw, http://ahk.pl/fileadmin/ahk_polen/DEinternational/Automatik2016/Krzysztof_Lapinski_INBnGR.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [10] K. Łapiński, M. Peterlik, B. Wyżnikiewicz: Wpływ robotyzacji na konku-

rencyjność polskich przedsiębiorstw, http://www.ibngr.pl/content/download/2067/19573/file/Roboty_2015.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [11] http://www.aerospacetestinginternational.com/articles.php?ArticleID=1185, dostępny w sieci: 25.07.2017. [12] http://www.twi-global.com/news-events/news/2014-09-robotic-automated-ndt-inspection-boost-for-the-aerospace-industry/, dostępny w sieci: 25.07.2017. [13] I. Cooper, I. Nicholson, D. Yan, B. Wright, D. Liaptsis, C. Mineo: Development of a Fast Inspection Systemfor Complex Composite Structure - the Intacom Project, http://www.ndt.net/article/ aero2013/content/papers/45_Cooper. pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [14] B. Wright, I. Cooper, P.I. Nicholson, C. Mineo, S.G. Pierce: PAUT Inspection of Complex Shaped Composite Materials through 6 DOFs Robotic Manipulators, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/ paut-inspection-of-complex-shapedcomposite-materials-through-6-dofs-robotic-manipulators, dostępny w sieci: 25.07.2017. [15] https://www.gemeasurement.com/ sites/gemc.dev/files/geit-60026_hydrastar_en_0.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [16] J. Szelążek: Tworzywa sztuczne jako ośrodki sprzęgające w ultradźwiękowych badaniach materiałów, Tworzywa Sztuczne i Chemia, Vol.52, No.2, pp.21-24, 2010. [17] http://www.par.com/files/9913/6640/ 3159/WhatisLaserUT.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [18] O. Petillon, J.P. Dupuis, D. David, H. Voillaume, H. Tretout: Laser Ultrasonics: a Noncontacting NDT System, http://lib. dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2173&context=qnde, dostępny w sieci: 25.07.2017. [19] http://www.jrtech.co.uk/products/ndtand-inspection/141-dolphicam-2d-ultrasonic-array-camera, dostępny w sieci: 25.07.2017. [20] http://www.avionteq.com/Document/ Dolphicam.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017.

[21] http://www.jrtech.co.uk/products/ndtand-inspection/99-woodpecker-wp632-handpiece, dostępny w sieci: 25.07.2017. [22] http://www.jrtech.co.uk/en/ndt-and-inspection/115-launch-of-new-woodpecker-wp-632am, dostępny w sieci: 25.07.2017. 23] http://wp632.cadex.co.jp/products/ woodpecker.htm, dostępny w sieci: 25.07.2017. [24] http://www.wichitech.com/blog/index. php/diagnose-equipment-issues-fast-with-the-rd3-hammer-at-wichitech/, dostępny w sieci: 25.07.2017. [25] http://www.flirmedia.com/MMC/THG/ Brochures/T820254/T820254_EN.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [26] http://www.catphones.com/en-gb/ features/integrated-thermal-imaging, dostępny w sieci: 25.07.2017. [27] http://www.automationtechnology. de/cms/wp-content/uploads/ 2016/05/c-checkir-sensor_web-.pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [28] http://www.thermalwave.com/1/376/ index.asp, dostępny w sieci: 25.07.2017 [29] https://www.dantecdynamics.com/ shearography-non-destructive-testing, dostępny w sieci: 25.07.2017. [30] http://www.prager-elektronik.at/datenblaetter/schwingung/PI-Q-810_09_01. pdf, dostępny w sieci: 25.07.2017. [31] https://www.dantecdynamics.com/ news/new-ndt-system-inspect-areas-up-to-2-m2, dostępny w sieci: 25.07.2017. [32] D.O. Thompson, D.E. Chimenti: Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Volume 15A, reprint of the original 1st ed. 1996 Springer-Verlag New York Inc., 2013. Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Badania Nieniszczące i Diagnostyka”, 2018, nr 1, s. 11-17.

prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki mgr inż. Norbert Sieczkiewicz Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Instytut Inżynierii Materiałowej Al. Piastów 19, 70-310 Szczecin tel. 91 449 47 51, fax 91 449 43 56 e-mail: jnowacki@zut.edu.pl reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

43


44

materiały kompozytowe

Kompozyty polimerowe z napełniaczem naturalnym ANNA WŁODARCZYK-FLIGIER, MAGDALENA POLOK-RUBINIEC, BŁAŻEJ CHMIELNICKI

W ostatnich kilkunastu latach można zauważyć wzrost zainteresowania materiałami kompozytowymi WPC. W artykule przedstawiono charakterystykę tych materiałów wzmacnianych naturalnymi surowcami. Istotną ich zaletą jest między innymi możliwość otrzymywania kompozytów tradycyjnymi metodami przetwórstwa plastycznego (wytłaczania i wtryskiwania). Ze względu na dobre własności wytrzymałościowe i użytkowe, a także atrybuty wizualne, znalazły zastosowanie na deski tarasowe, place zabaw, balustrady, pokrycia dachowe itp.

Poszukiwania nowych materiałów o konkretnych szczególnych własnościach, jakich nie mogą uzyskać tradycyjne materiały konstrukcyjne, spowodowały zainteresowanie materiałami kompozytowymi. Materiał kompozytowy definiuje się jako materiał składający się z co najmniej dwóch składników, z których jeden pełni funkcję osnowy, a drugi wzmocnienia. Składniki są tak dobrane, żeby każdy z nich zachował swoje własności, a jednocześnie nadał nowo wytworzonemu materiałowi kompozytowemu własności lepsze lub nowe [1–3]. Od kilkunastu lat można zaobserwować wciąż rosnące zainteresowanie materiałami kompozytowymi z tworzyw polimerowych wzmacnianych napełniaczami pochodzenia roślinnego, które stanowią alternatywę dla tradycyjnych napełniaczy. Jednym z powodów wytwarzania takich materiałów był wciąż rosnący koszt wytwarzania produktów polimerowych. Największą grupę zarówno w Polsce, jak i w innych państwach stanowią materiały wzmocnione, ze względu na jego łatwą dostępność, różnymi gatunkami drewna. Wciąż rosnące zainteresowanie materiałami kompozytami polimerowo-drzewnymi wynika z dobrych własności wytworów z nich otrzymanych, przez połączenie korzystnych cech zarówno osnowy, jak i wzmacniacza [4–8]. Celem wytworzenia materiałów kompozytowych WPC było zastąpienie dotychczasowej mączki drzewnej mączką z łupin orzechów laskowych, co ma zmniejszyć chłonność wody oraz polepszyć własności użytkowe, które umożliwiłyby ich zastosowanie m.in. na elementy ogrodowe (deski tarasowe, balustrady, place zabaw, pokrycia dachowe itp.).

Jednym ze sposobów wykorzystania naturalnych surowców w tym drewna, które stanowią odpady, jest zastosowanie ich jako napełniacza do produkcji materiałów kompozytowych typu WPC (Wood Plastic Composites). W definicji materiałów kompozytowych WPC w różnych artykułach łączy się kryteria, jakie te materiały muszą spełniać. Według tej definicji „WPC są kompozytami dającymi się przetworzyć termoplastycznie, w skład których wchodzą drewno, tworzywo polimerowe i środki pomocnicze w różnym udziale”. W materiałach WPC najistotniejsze jest to, żeby chociaż raz były on w sposób termoplastyczny przetworzone. W skład tych kompozytów nie muszą wchodzić tylko tworzywa termoplastyczne, w literaturze można spotkać też materiał utwardzalny jako materiał osnowy materiałów WPC. Niestety wielu odbiorcom na rynku źle kojarzy się w nazewnictwie słowo „polimer” czy też „sztuczne”, na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono nawet spadek sprzedaży tych materiałów. Wiele firm z tego powodu stosuje nazwy „tworzywo drewniane” czy „kompozyty drewniane” [1, 4–8, 9–32]. Materiały WPC łączą w sobie zalety zarówno tworzyw wielkocząsteczkowych, jakimi są materiały polimerowe, jak i surowców naturalnych, co pozwala na uzyskanie nowych materiałów dających się obrabiać standardowymi narzędziami stosowanymi w obróbce drewna, jak i formować metodami przetwórstwa polimerów [4, 6, 21]. Własności otrzymanych materiałów kompozytowych WPC zależą od rodzaju, udziału procentowego i wielkości cząstek wzmacniających, a także od rodzaju materiału zastosowanego na osnowę.

W zależności od proporcji osnowy i materiału wzmacniającego można uzyskać wiele materiałów kompozytowych o różnej budowie, a jest to związane z różnymi własnościami. W zależności od zawartości cząstek wzmacniacza naturalnego w osnowie, podzielić można je na trzy podstawowe grupy: 1. Do 30% zawartości wzmacniacza – materiał taki swoimi własnościami zbliżony jest do polimeru osnowy. Materiały te cechują się dobrą przetwarzalnością, a także bardzo ciekawym, dekoracyjnym wyglądem. Stosunkowo niski udział cząstek wzmacniających pozwala na wykorzystanie drogich gatunków napełniaczy drzewnych w celu osiągnięcia pożądanych cech dekoracyjnych i zachowaniu wysokich własności mechanicznych. Możliwe jest również wykorzystanie taniego surowca naturalnego gorszej jakości w celu obniżenia kosztu produkcji. Ze względu na niewielką zawartość napełniacza, w wielu aplikacjach nie jest konieczna specjalna modyfikacja powierzchni napełniacza w celu zachowania wysokich własności wytrzymałościowych. 2. Od 30% do 70% zawartości wzmacniacza – materiały takie są przedstawicielami typowych kompozytów WPC. Materiał łączy w sobie cechy drewna i materiału polimerowego. Zwykle ze względu na wysoką zawartość napełniacza, w celu zapewnienia odpowiednich własności mechanicznych, konieczna jest modyfikacja powierzchni cząstek drewna, a także zastosowanie odpowiednich dodatków ułatwiających przetwarzanie polimerów. 3. Od 70% do 90% zawartości wzmacniacza – materiał taki nazywany jest „płynnym drewnem”. W przypadku tych materiałów mączka drzewna stanowi najczęściej napełniacz żywic utwardzalnych [6, 9, 13, 15, 33–36].

Materiały polimerowe jako osnowa materiałów WPC Zaletą kompozytów WPC w stosunku do typowych polimerów jest upodobnienie ich wyglądu do drewna, przy

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


materiały kompozytowe

Drewno jako napełniacz w materiałach WPC Drewno od tysiącleci stosowane jest jak materiał konstrukcyjny ze względu na dużą wytrzymałość właściwą, daje się łatwo kształtować i obrabiać nieskomplikowanymi i tanimi metodami przy użyciu uniwersalnych narzędzi. Niestety jego wadą jest łatwopalność, anizotropia właściwości mechanicznych, co źle wpływa na stabilność wymiarową wytworzonych elementów, a także nieodporność na wilgoć, grzyby oraz mikroorganizmy biologiczne. Jest to bardzo ważne przy zastosowaniu drewna na elementy zewnętrzne, co wiąże się z koniecznością ciągłego impregnowania. Niestety naturalnie w drewnie występują wady w postaci sęków, co też wpływa niekorzystnie na własności produktów z nich wykonanych [9, 15].

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Drewno stosowane jako napełniacz w materiałach WPC głównie pochodzi z odpadów z zakładów zajmujących się obróbką drewna, z różnych gatunków drzew iglastych czy też liściastych. Może występować w postaci trocin, wiórów, pyłu czy też mączki w zależności od potrzeb wykorzystania wytworzonych materiałów. Istotnym elementem wykorzystania odpadów z drewna jest jego skład, który zależny jest od procesu uzyskiwania odpadów, a także od czystości drewna,

co wiąże się z regionem występowania [9, 15, 41]. Zaletą stosowania odpadów drzewnych jest ich niska wilgotność, co wpływa na możliwość pominięcia długotrwałego i energochłonnego etapu suszenia, a tym samym zmniejszenia kosztów produkcji materiałów WPC. Dobór rodzaju drewna, jego gatunku, wilgotności, a także postaci, w jakiej zostanie zastosowany do wytworzenia kompozytów WPC, wpływa na własności wytrzymałościowe i użytkowego gotowych elementów.

Rys.1. Przykładowe zastosowanie desek WPC na taras i jacuzzi

Rys. 2. Deska z materiału WPC

Rys. 3. Materiały WPC w zastosowaniu w architekturze miejskiej t

zachowaniu wysokiej odporności na działanie czynników środowiskowych i zmniejszenie wrażliwości na degradację mikrobiologiczną, której ulegają surowce naturalne. Przyczyną wzrastającego zapotrzebowania na elementy z materiałów WPC jest również to, że, wyczerpywanie się złóż ropy i węgla jest procesem nieodwracalnym, co nieuchronnie prowadzi do wzrostu cen tworzyw polimerowych. Zastąpienie chociaż ich części innymi materiałami jest dobrym posunięciem przede wszystkim ze względów ekonomicznych oraz ekologicznych [2, 6, 7, 37]. Najczęściej do wytwarzania kompozytów WPC stosuje się polimery wielkotonażowe takie jak: poliolefiny lub PCV, rzadziej PS, ABS lub polimery biodegradowalne. Na rynku europejskim do produkcji elementów z kompozytów WPC głównie wykorzystuje się PP, natomiast w USA PE, który pochodzi najczęściej z recyklingu. Głównym powodem stosowania właśnie tych materiałów polimerowych są ich charakterystyczne własności. Jedną z nich jest mała chłonność wody, co stanowi dobrą barierę dla wilgoci, która może wnikać do drewna pełniącego rolę wzmacniacza [4, 8, 13, 15, 18, 20, 23, 27, 28, 38]. Istotne jest też to, że, temperatura przetwarzania materiałów kompozytowych WPC nie powinna przekraczać o o 180 C do 200 C, co wynika z możliwości rozkładu niektórych składników drewna, co z kolei wiąże się z gatunkiem i rodzajem wykorzystywanego do produkcji napełniacza drewna. Jednak w większości publikacji na temat przetwarzania materiałów zawierających jako wzmocnienie cząsteczki drewna za temperaturę grao niczną przyjmuje się 200 C [4-7, 9, 11, 15, 20, 25, 27, 36, 39, 40].

45


46

materiały kompozytowe

Ze względu na wciąż rosnące ceny drewna, które spowodowane są zmianami politycznymi i gospodarczymi u największych odbiorców, wykorzystuje się inne naturalne surowce do wzmacniana materiałach WPC. Można wykorzystywać m.in. niejadalne części owoców, ziarna zbóż, łodygi roślin, łupiny z różnych gatunków orzechów, dzięki temu można uzyskać wymagane przez konsumenta cechy: estetyka, niewielka masa produktu, wysoka odporność na działanie czynników UV, wilgoć czy też grzyby [6, 16, 29, 38, 43, 42].

Zastosowanie materiałów WPC Najwięcej elementów z materiałów WPC produkuje się w Stanach Zjednoczonych, gdzie głównie produkuje się profile deskopodobne, które mają zastąpić deski drewniane w zastosowaniu na budynki (m.in. werandy, tarasy, dachy) (rys. 1, 2). Deski kompozytowe są rewelacyjną alternatywą dla desek drewnianych, ponieważ nie są tak problematyczne i pracochłonne w utrzymaniu jak drewniane. W Niemczech kompozyty WPC głównie mają zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie duże znaczenie ma m.in. bezpieczeństwo, co wymaga usunięcia ostrych krawędzi, a także dbałości o dobre własności akustyczne (elementy drzwi, tylne siedzenia, deski rozdzielcze, panele nadwozia i inne elementy). W Chinach zastosowanie tych materiałów jest szerokie od produkcji profili okiennych, drzwi, doniczek, ławek, po systemy termicznej izolacji [11, 19, 20, 23, 44]. Elementy z materiałów WPC ze względu na swoje walory estetyczne, które są wynikiem atrakcyjnego wyglądu napełniacza organicznego w osnowie polimerowej, jak również możliwość trwałego barwienia w masie osnowy polimerowej, a także dobre własności użytkowe, znajdują zastosowanie w przestrzeni miejskiej (rys. 3). Materiały WPC mogą też znaleźć swoje zastosowanie do konstruowania sprzętu sportowego, np. łuków, kijów baseballowych, czy też nart [13, 45, 46]. Producenci wyrobów z materiałów WPC kładą duży nacisk na bezpieczeństwo wyprodukowanych elementów, między innymi na ich trwałość w warunkach użytkowych, przede wszystkim na zewnątrz, gdzie mogą wystąpić np. zmiany wyglądu (zmatownie, spękanie) [47].

Przetwórstwo materiałów kompozytowych WPC Proces mielenia surowców naturalnych pełniących rolę wzmacniacza w materia-

łach WPC prowadzony jest w młynach przemysłowych. Najczęściej wykonuje się to w kilku etapach. Na każdym etapie mielenia otrzymuje się drobniejszą frakcję, aż do uzyskania pożądanego rozdrobnienia napełniacza. Dla kompozytów WPC najodpowiedniejsza jest wielkość ziarna poniżej 500 μm. Materiały kompozytowe napełnione mączką i cząstkami o większych wymiarach cechują się gorszymi własnościami mechanicznymi, jednak mogą wykazywać niezaprzeczalne walory dekoracyjne i estetyczne [9, 48–50]. Polimery stosowane w materiałach WPC, które pełnią rolę osnowy miesza się z napełniaczem różnymi metodami. Zależne to jest od rodzaju i postaci, w jakiej one występują (proszek, włókna, mączka). Źle zhomogenizowany materiał kompozytowy wewnątrz swojej struktury będzie posiadał pory, czyli puste przestrzenie, co wpływa niekorzystnie na własności mechaniczne wytworzonego materiału. Tworzenie się skupisk przez cząstki wzmacniacza w osnowie polimerowej, również powoduje obniżenie własności mechanicznych, w celu ich uniknięcia ślimaki wytłaczarki muszą być odpowiednio skonstruowane. Kolejnym ważnym czynnikiem jest lepkość polimerów w stanie stopionym i zwilżalność wzmacniacza przez polimer, co wiąże się z kolejnością wprowadzania wzmocnienia i składników mieszaniny [2, 51–54]. Właśnie adhezja między osnową a napełniaczem ma duże znaczenie przy wytwarzaniu materiałów WPC. W celu poprawy kompatybilności osnowy i wzmacniacza modyfikuje się fizycznie i chemicznie osnowę, czyli polimer, bądź też napełniacz albo stosuje się dodatkowe substancje – związki sprzęgające, tzw. kompatybilizatory, wykazujące powinowactwo zarówno do materiału osnowy, jak i napełniacza [2, 51–56]. Przetwarzanie materiałów kompozytowych WPC odbywać może się w powszechnie stosowanych urządzeniach, jakimi są wytłaczarki i wtryskarki. Ze względu na możliwość powstawania aglomeratów napełniacza w czasie przetwórstwa materiału kompozytowego pożądane są systemy grawimetrycznego dozowania mączki z surowca naturalnego i polimeru do strefy zasilania urządzenia przetwórczego. Do wytwarzania elementów z kompozytów WPC stosuje się metody wytłaczania, przy pomocy wytłaczarek jednoślimakowych, a coraz częściej i dwuślimakowych przeciwbieżnych o odpowiednio dobranej konfiguracji ślimaków [7–9, 14, 21, 22, 36]. Mieszaniny WPC, które zawierają do ok. 40% wzmacniacza naturalnego można przetwarzać

za pomocą typowych maszyn przetwórczych stosowanych do wytwarzania PP lub PVC. Natomiast w przypadku mieszanin o znacznie większej zawartości wzmocnienia nawet do 80% pojawia się problem z pokonaniem wysokich oporów tarcia występujących w kanale śrubowym ślimaka na skutek dużej ilości wzmocnienia oraz ciśnienia, jakie panuje w głowicy wytłaczarki przekraczającego nawet 100 MPa [14, 36]. Urządzenia do wytłaczania muszą być wyposażone w systemy odgazowania. Wadą tego rozwiązania jest konieczność uplastyczniania się polimeru wraz ze wzmocnieniem pochodzenia roślinnego, co naraża go na dłuższy czas oddziaływania temperatury i powoduje większe ryzyko przypalenia. Rozwiązaniem tego problemu są specjalizowane systemy do przetwarzania materiałów WPC, których główną zaletą jest oddzielenie procesu uplastyczniania polimeru i mieszania go ze wzmacniaczem. Składają się one najczęściej z dwóch skojarzonych ze sobą wytłaczarek, przy czym w jednej następuje uplastycznianie polimeru, do którego podawana jest grawimetrycznie mączka z drugiego urządzenia, w którym została podgrzana i osuszona. Powoduje to znaczne skrócenie czasu narażenia mączki na działanie wysokiej temperatury koniecznej do przetworzenia materiału wielkocząsteczkowego. Wadą tego rozwiązania jest wysoka cena i znaczny, w stosunku do klasycznych urządzeń, stopień skomplikowania całego procesu. Przetwórstwo wtryskowe materiałów kompozytowych WPC odbywa się przy użyciu uniwersalnych wtryskarek. Wymagane są odpowiednio dobrane kształty i przekroje przewężek w formie wtryskowej, a także ograniczenie długości kanałów doprowadzających [6, 14]. Zwykle nie prowadzi się procesu mieszania polimeru i mączki bezpośrednio w maszynie, a stosuje się gotowe granulaty uzyskane metodą wytłaczania. Przetwórstwo materiałów kompozytowych WPC składa się najczęściej z trzech etapów [6, 15, 36]: 1. przetwórstwo napełniacza (mielenie, przesiewanie, suszenie); 2. mieszanie napełniacza z osnową polimerową (mączka pochodzenia naturalnego); 3. formowanie gotowych produktów metodami: wytryskiwania, wytłaczania bądź prasowania. Do otrzymywania wyrobów wielkogabarytowych stosuje się metodę wytłaczania z prasowaniem, co umożliwia wytworzenie wyrobów o masie 20–50 kg i zawartości wzmacniacza w postaci

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


mączki drzewnej od 50 do 60%. Do takich elementów można zaliczyć m.in. palety, donice czy elementy do przemysłu samochodowego [29]. W celu uzyskania profili o wyglądzie powierzchni zbliżonym do naturalnego drewna, w linii produkcyjnej umieszczane są dodatkowe urządzenia, które dzięki specjalnie wyprofilowanym walcom nadają powierzchni pożądany wygląd nawet wraz ze słojami, jakie występują w naturalnym drewnie [9, 57–59]. Własności wytworzonych materiałów WPC metodą wtryskiwania zależą od: l przetworzonego tworzywa polimerowego (m.in. budowy i składu chemicznego polimeru, rodzaju zastosowanego materiału wzmocnienia, wilgotności, jednorodności, wielkości frakcji, udziału napełniacza, lepkości tworzywa); l wtryskarki (rodzaju, wymiarów, stanu technicznego, wyposażenia); l formy wtryskowej (m.in. konstrukcji i jakości wykonania układu doprowadzania mieszanki, sposobu regulacji temperatury, odpowietrzania, rodzaju materiału formy, stopnia zużycia); l warunków wtryskiwania (temperatury wtryskiwania, temperatury i ciśnienia w formie, ciśnienia docisku, czasu wtryskiwania, docisku i chłodzenia wypraski itp.) [60–68].

Literatura [1] K. Lewandowski, K. Piszczek, M. Kaczmarek: Reologiczne własności kompozytów polimerowo-drzewnych, Developments in Mechanical Engineering 2014, 4, 2, 5-12. [2] R. Cyga, K. Czaja: Kompozyty polimerowe z napełniaczem roślinnym, Przemysł Chemiczny, 2008, 87/9, 932-936. [3] I. Hyla, J. Śleziona: Kompozyty-elementy mechaniki I projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2004. [4] S. Zajchowski, J. Tomaszewska: Kompozyty polimerowo-drzewne, Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud.-OL PAN, 2008, 183-188. [5] B. Chmielnicki, J. Konieczny: Właściwości kompozytów WPC o osnowie polietylowej napełnianych mączką z łupin orzechów, Przetwórstwo Tworzyw 1, 2014, 12-20. [6] B. Chmielnicki, J. Konieczny, J. Flisiak: Kompozyty WPC-wytwarzanie, przetwórstwo i możliwości zastosowania, Przetwórstwo Tworzyw 3, 2017, 172184. [7] S. Zajchowski, K. Patuszyński: Wpływ zawartości wody na właściwości kompozytów polipropylowych napełnia-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

nych mączką drzewną (WPC), Kompozyty, 5, 3, 2005, 35-39. [8] I. Kruszelnicka, D. Ginter-Kramarczyk, M. Michalkiewicz, A. Kloziński, S. Zajchowski, P. Jakubowska, J. Tomaszewska: Kompozyty polimerowo-drzewne w technologii zawieszonego złoża ruchomego, Polimery 2014, 59, 10, 739746. [9] B. Chmielnicki, S. Jurczyk: Kompozyty WPC jako alternatywa dla wytworów z drewna, Przetwórstwo Tworzyw 5, 2013, 477-484. [10] W. Frącz, G. Janowski: Zaawansowana analiza wytrzymałościowa wypraski z kompozytu WPC z uwzględnieniem powtryskowej orientacji włókien w osnowie polimerowej, Mechanik 7, 2016, 628-630. [11] Ł. Łukasik, G. Jankowski, Ś. Kuciel, A. Liber-Kneć: Kompozytowe profile wielokomorowe na osnowie polichlorku winylu z dodatkiem drewnianych trocin na tarasy i pomosty, Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne, 2011, 291297. [12] A. Wąsicki, M. Kur, M. Wolski: Wpływ starzenia atmosferycznego na niektóre właściwości folii z kompozytu polipropylen/mączka drzewna 50/50, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2014, 53, 2, 122-124. [13] M. Prochoń, M. Witczak, A. Biernacka: Drewno jako składnik biokompozytów polimerowych, Eliksir, 1,5, 2017, 24-26. [14] S. Zajchowski, C. Gozdecki, M. Kociszewski: Badania właściwości fizycznych i mechanicznych kompozytów polimerowo-drzewnych (WPC), Kompozyty 5, 2005, 3, 45-50. [15] S. Zajchowski, J. Ryszkowska: Kompozyty polimerowo-drzewne-charakterystyka ogólna oraz ich otrzymywanie z materiałów odpadowych, Polimery 10, 2009, 54, 674-682. [16] Stabilność wymiarowa, właściwości fizyczne, mechaniczne i cieplne kompozytów polietylenu dużej gęstości z łupinami orzecha ziemnego, Polimery 2013, 58, 6, 461-466. [17] K. Lewandowski, S. Zajchowski, J. Mirowski, A. Kościuszko: Ocena właściwości przetwórczych kompozytów polimerowo-drzewnych na osnowie poli(chlorku winylu), Chemik 2011, 65, 4, 329-336. [18] K. Lewandowski, S. Zajchowski, J. Tomaszewska: Wpływ temperatury na właściwości kompozytów PVC/drewno, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2010, 49, 5, 71-72. [19] K. Dębski: Praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, 2012.

47

[20] P. Lyutyy, P. Bekhta, J. Sedliacik, G. Ortynska: Properties of flat-pressed wood-polymer composites made using secondary polyethylene, Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, 2014, 56, 39-50. [21] C. Gozdecki, M. Kociszewski, S. Zajchowski, J. Mirowski: Badania kompozytów drzewno-polimerowych zawierających odpadowy materiał drzewny z produkcji płyt wiórowych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 2010, 49, 5, 41-42. [22] M. Oszust, D. Pieniak, M. Blukacz, A. Walczak: Badania wpływu dodatku antypirenu na wytrzymałość na ściskanie kompozytu WPC, Autobusy 2014, 5, 100-103. [23] I. Michalska-Pożoga, T. Rydzkowski: The effect of extrusion conditions for a screw-disk plasticizing system on the mechanical properties of wood-polymer composites (WPC), Polimery 2016, 61, 3, 202-210. [24] J.E. Winandy, N.M. Stark, C.M. Clemons: Considerations in recycling of wood-polastic composites, 5th Global Wood and Natural Fibre Composites Symposium, 2004, GermanyA6-1 – A6-9. [25] Ch. Burgstaller: Processing of thermal sensitive materials-a case study for wood plastic composites, Monatshefte für Chemie 2007, 138, 343-346. [26] S. Zajchowski, A. Grochowska, J. Tomaszewska, J. Mirowski: Ryszkowska J., Wpływ czynników środowiskowych na właściwości mechaniczne kompozytów polimerowo-drzewnych (WPC), Mechanika 2009, 3, 106, 401-404. [27] P. Postawa, T. Stachowiak, A Szarek: Badania właściwości kompozytów drewno-polimer metodą DMTA, Kompozyty, 2010, 3, 266-269. [28] C. Gozdecki, S. Zajchowski, M. Kociszewski, A. Wilczyński, J. Mirowsk: Effect of wood particle size on mechanical properties of industrial wood particle-polyethylene composites, Polimery 2011, 56, 5, 375-380. [29] S. Kuciel, A. Liber: Ocena skuteczności wzmacniania polietylenów mączką drzewną, Polimery 2005, 50, 6, 436-440. [30] A. Rudawska, S. Zajchowsk: Swobodna energia powierzchniowa kompozytów polimerowo-drzewnych, Polimery 2007, 52, 6, 453-455. [31] R.E. Ibach, C.M. Clemons, R.L. Schumann: Wood-plastic composites with reduced moisture: effects of chemical modification on durability in the laboratory and field, 9th International Conference on Wood & Biofiber Plastic Composites 2007, 259-266. [32] C.M. Clemons, R.E. Ibach: Effects of processing method and moisture hi-

t

materiały kompozytowe


48

materiały kompozytowe

story on laboratory fungal resistance of wood-HDPE composites, Forest Products Journal 2004, 54, 4, 50-57. [33] U. Buehlmann, D. Saloni, R.L. Lemaster:Wood Fiber-Plastic Composites, Machining and Surface Quality, Materiały konferencyjne 15th International Wood Machining Seminar Anaheim CA, 2001. [34] M. Ziąbka, B. Szaranie: Kompozyty polimerowe z dodatkiem włókien naturalnych, Kompozyty 10, 2, 2010, 138142. [35] C. Clemon: Woodfiber-plastic composites in the United States – history and current and future markets; Materiały USDA Forest Service, Forest Products Laboratory Madison, 2001. [36] K.O. Niska, M. Sain: Wood-polymer composites, Woodhead publishing in materials, 2008. [37] S. Kuciel, A. Liber-Kneć, S. Zajchowski: Wpływ biodegradacji na właściwości kompozytów na osnowie termoplastycznej skrobi napełnionej włóknami kenafu lub mączki drzewnej, Mechanika 2009, 3, 106, 195-200. [38] D. Tarkowska, Z. Tarkowski: Właściwości przetwórcze kompozytów polipropylenowych z napełniaczem w postaci rozdrobnionej słomy ryżowej, Przetwórstwo Tworzyw 2014, 6, 572-576. [39] B. English, R. Falk: Factors that affect the application of Woodfiber – Plastic Composites, Forest Products Society, 7, 1996, 189-194. [40] B. English: Wood fiber-reinforced plastics in construction, Materiały konferencyjne Building Technology, and Environ-mental Medison WI, 1996. [41] S. Kuciel, A. Liber-Kneć, S. Zajchowski: Kompozyty z włóknami naturalnymi na osnowie recyklatu polipropylenu, Polimery 2010, 55, 10, 718-725. [42] S. Kuciel, A. Liber-Kneć, S. Zajchowski: Wpływ temperatury na zmianę właściwości kompozytów PP z włóknami naturalnymi, Mechanika 2009, 3, 106, 201-204. [43] W. Dziadur, S. Kuciel, A. Tabor: Wpływ ilości dodatków mączki drzewnej na mikrostrukturę recyklatu polietylenu, Archiwum Odlewnictwa, 2006, 21 (2/2), 275-282. [44] A.K. Mohanty, M. Misra, L.T. Drzal: Natural fibers, biopolymers, and biocomposites, CRC Press, 2005. [45] P.F. Sommerhuber, J. Welling, A. Krause: Substitution potentials of recycled HDPE and wood particles from postconsumer packaging waste in Wood-Plastic Composites, Waste Management, 2015, 46, 76-85.

[46] E. Olakanmi, M. Strydom: Critical materials and processing challenges affecting the interface and functional performance of wood polymer composites, Materials Chemistry and Physics, 2016, 290-302. 47] D. Sobków, J. Barton, K. Czaja, M. Sudoł, M. Mozoń: Badania odporności materiałów na działanie czynników środowiska naturalnego, Chemik 2014, 4, 68, 347-350. [48] C. Burgstaller: Processing of Thermal Sensitive Materials Case Study for Wood Plastic Composites, Monatshefte fur Chemie 138, 2007. [49] El-Haggar, M. Salah, A. Mokhtar: Advances in Composite Materials – Analysis of Natural and Man-Made Materials, Wydawnictwo Intech Open, 2011. [50] K. Lewandowski, S. Zajchowski, K. Skórczewska, J. Mirowski, B. Majchrowicz: Reologiczne właściwości kompozytów polietylenu z napełniaczami naturalnymi, Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne, Gliwice, 2011, 285-290. [51] S. Zajchowski: Kompozyty Polimerowo-drzewne, Chemik, 2004, 1, 15-18. [52] P.W. Balasuriya, L. Ye, Y.W. Mai: Mechanical properties of wood flake–polyethylene composites. Part I: effects of processing methods and matrix melt flow behaviour, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 32, 5, 619-629. [53] C.F. Kuan, H.C. Kuan, C.M. Ma, C. Huang: Mechanical, thermal and morphological properties of water-crosslinked wood flour reinforced linear low-density polyethylene composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37, 10, 2006, 1696-1707. [54] E. McHenry, Z.H. Stachurski: Composite materials based on wood and nylon fibre, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 34, 2, 2003, 171-181. [55] A.K. Błędzki, M. Letman i inni: A comparison of compounding processes and wood type for wood fibre – PP composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 36, 6, 2005, 789-797. [56] A.K. Błędzki, M. Letman i inni: Wood and Natural Fibre Composites, Institut für Wekstofftechnik Kunststoff – und Recyclingtechnik, Kassel, 2005. [57] W. Wang, J. Morrell: Water sorption characteristics of two wood-plastic composites, Forest Products Journal, 12, 54, 2004. [58] N. Stark: Wood fiber derived from scrap pallets used in polypropylene

composites, Forest Products Journal, 6, 49, 1999. [59] C. Clemons: Wood-plastic composites in the United States, The interfacing of two industries, Forest Products Journal 6, 52, 2002, 10-18. [60] D. Kwiatkowski: Wpływ wybranych warunków wtryskiwania na odporność na pękanie kompozytu polipropylenu z talkiem, Polimery 2009, 54, 3, 221-226. [61] E. Baciąga: Kryteria wyboru metody wtryskiwania, Polimery 2007, 52, 172180. [62] Z. Majchrzak, J. Lipczyński: Otrzymywanie i charakterystyka kompozytów polipropylenowych, Polimery 2007, 52, 3, 190-194. [63] B. Kowalska: Skurcz wtryskowy a zależność p-v-T, Polimery 2007, 52, 280285. [64] T. Sterzyński, I. Śledź: Jednopolimerowe kompozyty polipropylenowe – wytwarzanie, struktura, właściwości, Polimery 2007, 52, 221-226. [65] T. Jachowicz, R. Sikora: Metody prognozowania zmian właściwości wytworów z tworzyw polimerowych, Polimery 2006, 51, 177-185. [66] E. Bociąga, T. Jaruga: Badania mikroskopowe przepływu tworzywa w kanałach 16-gniazdowej formy wtryskowej, Polimery 2006, 51, 843-851. [67] P. Postawa: Skurcz przetwórczy wyprasek a warunki wtryskiwania, Polimery 2005, 50, 201-207. [68] R. Sikora, E. Bociąga: Wybrane zagadnienia przepływu tworzywa w formie wtryskowej, Polimery 2003, 48, 100-105.

Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Przetwórstwo Tworzyw”, 2017, T. 23, nr 3 (177), s. 172-184.

dr inż. Anna Włodarczyk-Fligier dr inż. Magdalena Polok-Rubiniec Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechnika Śląska Wydział Mechaniczny-Technologiczny dr inż. Błażej Chmielnicki Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


49

materiały kompozytowe

Errata do publikacji z nr 1/2019 (s. 41–43) pt.

Warstwowe kompozyty Ti/Al/Ti otrzymane metodą dyfuzyjnego łączenia Dyskusja Prasowanie materiałów Ti6Al4V-Al-Ti6Al4V ukazało wiele problemów technologicznych, w tym związanych z procesem tworzenia dyfuzyjnego łączenia. Obecność tlenków na powierzchni cząstek proszku aluminium ogranicza procesy dyfuzyjne oraz sprzyja powstawaniu mikrostrukturalnych wad w strefie łączenia. Po zastosowaniu trzeciego zabiegu prasowania wytrzymałość na zginanie próbek kompozytowych jest o 7% mniejsza niż granica plastyczności stopu tytanu, a wytrzymałość na ścinanie połączenia

komponentów wynosi 51 MPa. Wartość ta jest porównywalna do wytrzymałości połączeń klejonych [5, 6], ale jest mniejsza od wartości 87 MPa wyznaczonej w próbie ścinania dla połączenia czystego lity tytan – lity stop Al, podanej w pracy [4].

Wnioski Wyniki badań wskazują na konieczność opracowania rozwiązania stabilizującego połączenie komponentów z tworzącą się z nich przejściową warstwą z układu Ti-Al podczas wytwarzania kompozytu. Wytworzone kompozyty z wykorzystaniem dyfuzyjne łączenie podczas

prasowania na gorąco, charakteryzuje poprawa wytrzymałości na ścinanie i zginanie po kolejnych trzech zabiegach. Nie uzyskano jednak pełnych własności wytrzymałościowych kompozytu odpowiadających okładzinie wykonanej z Ti6Al4V. Po trzecim prasowaniu na gorąco kompozyt ma granicę plastyczności zbliżoną do granicy plastyczności tytanu (960 MPa) i wytrzymałość połączenia na ścinanie 51 MPa. Dalsze badania zmierzające do zwiększenia własności wytrzymałościowych tych kompozytów powinny być ukierunkowane na wykorzystanie warstwy przejściowej z układu Ti-Al do ich poprawy.

Tabela 1. Udział objętościowy komponentów, wysokość rdzenia, gęstość kompozytu i rdzenia

Próbka

Udział objętościowy komponentów kompozytu, %

Wysokość rdzenia, mm

Gęstość średnia kompozytu, g/cm3

Gęstość rdzenia, g/cm3

Ti6Al4V

Al

Po pierwszym prasowaniu

27

73

5,4

2,97

2,34

Po drugim prasowaniu

36

64

3,6

3,29

2,59

Po trzecim prasowaniu

49

51

2,1

3,54

2,66

Tabela 3. Wyniki pomiaru twardości (HV0,5) komponentów kompozytu Próbka

Ti6Al4V

Aluminum

Po pierwszym prasowaniu

341

20

Po trzecim prasowaniu

318

49

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

mgr inż. Piotr Bednarczyk prof. dr hab. inż. Stefan Szczepanik dr inż. Piotr Nikiel AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków


50

materiały kompozytowe

Kompozyty w technice w aspektach materiałów nowej generacji DARIUSZ WOŹNIAK, LEON KUKIEŁKA

W artykule przedstawiono zarys wiedzy o kompozytach, ich klasyfikacji, niektórych zastosowaniach w technice militarnej i kosmicznej, jak też w wybranych aplikacjach przemysłowych. Współczesny przemysł, a w szczególności maszynowy i samochodowy, poszukuje nowych materiałów konstrukcyjnych o znacznie wyższej trwałości i lepszych właściwościach użytkowych od stosowanych dotychczas. Za wiodącą grupę materiałów, które w przyszłości mogą w istotny sposób wpływać na rozwój przemysłu motoryzacyjnego, uważa się kompozyty, stanowiące połączenie komponentów o różnych i uzupełniających się wzajemnie właściwościach. Jednym z kierunków poszukiwań badawczych są materiały kompozytowe na osnowie stopów aluminium, zbrojone cząstkami lub włóknami ceramicznymi. Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w różnych działach techniki, a perspektywy ich dalszego rozwoju są niezwykle korzystne. Wynika to z faktu, iż uzyskiwane przez nie właściwości często przewyższają znacznie właściwości materiałów klasycznych i powszechnie uważa się, że kompozyty są perspektywiczną rezerwą materiałową dla rozwijającej się techniki, wymagającej materiałów o coraz wyższych właściwościach mechanicznych, fizycznych czy chemicznych [3, 9]. Zapotrzebowanie na lekkie materiały konstrukcyjne o dużej wytrzymałości, twardości oraz odporności na zużycie staje się coraz bardziej powszechne. Zainicjowane ono zostało przez rozwój lekkich konstrukcji, jak: samoloty, statki kosmiczne, rakiety, pojazdy mechaniczne, a następnie pojawiło się w wielu innych dziedzinach działalności człowieka tak odległych od siebie, jak np. budownictwo czy produkcja wyczynowego sprzętu sportowego. Wysokich wymagań pod względem

właściwości mechanicznych nie mogły spełnić materiały uważane dotychczas za klasyczne. Coraz większą więc uwagę zaczęto zwracać na materiały złożone, składające się z dwóch lub więcej komponentów. Materiały te umożliwiają lepsze wykorzystanie cech komponentów oraz uzyskanie nowych właściwości, których nie mają komponenty zastosowane oddzielnie. W wielu współczesnych zastosowaniach tworzyw konstrukcyjnych wymagana jest jednocześnie wysoka wytrzymałość, sztywność i mała masa; dlatego jako kryterium porównawcze właściwości mechanicznych materiałów coraz częściej przyjmuje się wskaźniki lekkości, jak: względną wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i ściskanie, odniesione do gęstości lub też względny moduł sprężystości. Korzystny zespół tych cech zapewnia grupa nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych zwanych kompozytami. Najczęściej do grupy tej można zaliczyć tworzywa spełniające następujące warunki: l zostały wytworzone sztucznie; l składają się z co najmniej dwóch różnych chemicznie komponentów o wyraźnej granicy rozdziału między nimi; l rozmieszczenie komponentów (w skali makro) jest równomierne w całej objętości tworzywa; l właściwości ich różnią się od właściwości komponentów. Reasumując, do kompozytów można zaliczyć materiały, które makroskopowo jednorodne, składające się z połączonych wzajemnie komponentów, mają właściwości nowe w stosunku do komponentów.

Każdy materiał kompozytowy zawiera co najmniej dwa składniki: osnowę i fazę zbrojącą, najczęściej określaną mianem zbrojenia. Dzięki kompozytom stał się możliwy jakościowy skok we wzroście mocy silników, zmniejszenie gabarytów maszyn i konstrukcji, zwiększenie ładowności pojazdów i przyczep oraz jednostek lotniczych i kosmicznych [10], wzmocnienie pancerzy czołgów i wozów bojowych, rozwój różnych typów kamizelek kuloodpornych, hełmów wojskowych i sportowych, tarcz i osłon, specjalnych koców i plandek, komponent do opon, zbrojenie kabli i innych. Jednym z rozstrzygających kryteriów przydatności materiałów pracujących w tych warunkach jest ich wytrzymałość właściwa (względna) Rm/γ, gdzie: Rm – wytrzymałość na rozciąganie, E – moduł sprężystości E/γ – ciężar właściwy materiału. Pod tym względem odpowiednie kompozyty przewyższają wszystkie znane konstrukcyjne stopy metali (rys. 1).

Rys. 1. Wytrzymałość właściwa i właściwy moduł sprężystości wybranych materiałów [10]: 1 – aluminium; 2 – tytan i stal; 3 – stop Ti+włókna Be; 4 – stop Ti+włókna SiC; 5 – stop Ti+włókna borsiku (SiC/B/W); 6 – stop Al+włókna B; 7 – żywica epoksydowa + włókna węglowe; 8 – żywica epoksydowa + włókna B

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


51

materiały kompozytowe Tabela 1. Schemat możliwych kombinacji materiałów kompozytowych [10]

Podział i klasyfikacja kompozytów Kompozyty są już tak liczną grupą materiałów, że podzielono je na grupy i sklasyfikowano. Uwzględniając za podstawę klasyfikacji materiał osnowy, wyróżniamy kompozyty: metalowe, polimerowe i ceramiczne. Wariantem jest przy tym możliwość odwrócenia roli tych materiałów i wykonania z nich zbrojenia. Przy wariancie „każdy z każdym” osnowa-zbrojenie otrzymujemy 9 grup kompozytów, co stanowi podstawę kolejnej klasyfikacji, którą przedstawiono w tabeli 1. Wówczas uzyskujemy kompozyty o osnowie: m – metalowej, p – polimerowej, c – ceramicznej.

Umocnienie osnowa

Metal

Polimer

Ceramika

metal

m-m

m–p

m–c

polimer

p–m

p–p

p–c

ceramika

c–m

c– p

c–c

Rys. 2. Modele budowy kompozytów [10]: (a) warstwowe, (b) umacniane włóknami długimi, (c) umacnianie włóknami krótkimi, (d) umacniane siatką, tkaniną, (e) umacniane cząstkami

Klasyfikacja kompozytów

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Rys. 3. Schemat zbrojenia kompozytów warstwowych [10]: (a) i włóknistych (b)

Rys. 4. Właściwości mechaniczne typowych włókien zbrojących [12]

Na rysunku 4 przedstawiono analizę podstawowych typów włókien wzmacniających i porównanie ich właściwości mechanicznych ze stalą i aluminium.

Przykłady wykorzystania kompozytów warstwowych Materiały kompozytowe o budowie warstwowej [1, 10, 11, 12] to najczęściej warstwy tkanin, włókien, dzianin, połączone na przemian z warstwami osnowy. Materiałem osnowy może być tworzywo

sztuczne, metal lub ceramika. Produkowane od dawna laminaty z żywic zbrojnych włóknem lub tkaniną szklaną są bardzo przystępnym przykładem kompozytu warstwowego. Są one szeroko stosowane w budownictwie, przemyśle maszynowym, meblowym, modelarstwie, sprzęcie sportowym, gospodarstwie domowym itd. Do tej samej grupy kompozytów należą materiały ablacyjne do ochrony termicznej promów i rakiet, wykonywane m.in. na bazie żywic fenolowo – formaldehydowych z włóknem szklanym lub

t

W zależności od sposobu wzmocnienia osnowy i rodzaju wzmocnienia najczęściej stosuje się poniższe rodzaje włókien: węglowe np. typu PAN, szklane np. typu E, borowe, organiczne aramidowe, korundowe, z węglika krzemu. Wówczas uzyskujemy podstawowe typy: l warstwowe; l włókniste – umacnianie włóknami (ciągłymi lub krótkimi) o średnicy od ułamka μm do kilkuset μm i udziale objętościowym: od kilku do 70%, a także siatką, tkaniną, dzianiną i „quasi-dzianiną”; l umacniane cząstkami, w tym dyspersyjnymi o wielkości 0,01–1 μm i więcej oraz udziale objętościowym najczęściej 2–25%; l kompozyty in situ otrzymywane bezpośrednio ze stanu ciekłego przez kierunkową krystalizację eutektyk. Kompozyty warstwowe – rysunek 2a i 3a [10] zbudowane są z na przemian złożonych warstw osnowy i wypełniacza (napełniacza) tzw. sandwich. Umocnienie w kompozytach włóknistych umacnianych włóknami stanowią włókna różnych konstrukcji: linki, druty, kryształy włosowate tzw. wiskersy, a także taśmy, tkaniny, siatki, o różnym splocie. Realizuje się w ten sposób jedno-, dwu- lub trójosiowe umocnienie kompozytu z wysokim wskaźnikiem przyrostu wytrzymałości – rysunek 2b, c, d i rysunek 3b. Kompozyty umacniane cząstkami dyspersyjnymi zawierają sztucznie wprowadzane, równomiernie rozłożone cząstki węglików, tlenków, azotków i inne trwałe termicznie związki, nie reagujące ani nie rozpuszczające się w osnowie aż do temperatury topnienia faz. Przyjmuje się, że im drobniejsze są cząstki napełniacza i im mniejsza jest między nimi odległość (do określonego granicznego minimum), tym wyższa jest efektywność umocnienia.


52

materiały kompozytowe

Tabela 2. Parametry włókien aramidowych stosowanych w pancerzach [12] Parametry

Włokna stosowane w pancerzach Kavlar® kavlar® 29

Kavlar® Ht (129)

Włókna konstrukcyjne Kavlar® He (119)

Kavlar® 49

E-szkło

Węgiel HT-300

Drut stalowy

Nylon HT (T-728)

Wytrzymałość właściwa, cN/tex

205

235

205

205

-

-

-

86

Wytrzymałość na rozciąganie, MPa

2900

3320

2900

2900

3400

3530

2600

990

Moduł podczas rozciagania, GPa

60

75

45

120

70

235

200

5,6

Wydłużenie zrywające, %

3,6

3,6

4,5

1,9

4,5

1,5

2,0

5,6

Higroskopijność, %

7

7

7

3,5

0,1

-

0

4,5

Gęstość, g/cm3

1,44

1,44

1,44

1,44

2,60

1,76

7,85

1,14

Temperatura rozkładu, oC

~500

~500

~500

~500

~800

-

1600

265

węglowym. Niekiedy w tych materiałach stosuje się tkaninę szklaną, która w kilkuwarstwowym ułożeniu w spoiwie żywicznym zapewnia odpowiednio wysokie właściwości mechaniczne wyrobów. Są to najczęściej cienkościenne, lekkie rury, tuleje o dużej sztywności, przenoszące znaczne obciążenia osiowe i promieniowe. Nową generację stanowią kompozyty, w których spoiwo warstwowe stanowią blachy aluminiowe, tytanowe, miedziane, niklowe, kobaltowe, a warstwy głównych właściwości stanowią: ceramika, związki międzymetaliczne, inne metale lub polimery. W tabeli 2 przedstawiono parametry wybranej grupy włókien aramidowych stosowanych w pancerzach czołgów i wozów bojowych. Warstwowe kompozyty ceramiczne produkuje się do pracy w różnych warunkach np. temperaturowych, dlatego ich zastosowanie jest nadal wyłącznie specjalne, np. systemy osłon termicznych wahadłowców kosmicznych, płyty pancerne, elementy rakiet dalekiego zasięgu, materiały o specjalnych właściwościach optycznych i magnetycznych. Komponentami tego typu materiałów są najczęściej: ceramika, węgiel i metale, a zwłaszcza korund, grafit pizolityczny, węgliki, tlenki, azotki w kompozycji z aluminium, miedzią, tytanem, niklem, kobaltem, tantalem, żelazem. Budowę pancerza kompozytowego przedstawiono na rysunku 5. W przedstawionym rozwiązaniu zastosowanie kompozytu polimerowego ma różnorakie znaczenie. Zewnętrzna powierzchnia płytek ceramicznych pokryta jest warstwą kompozytu nylonowego z wzmocnieniem tkaniną poliamidową. Warstwę podkładową pod ceramikę stanowi kompozyt aramidowy. System działania takiego pancerza przedstawiono na rysunku 6. Innymi aplikacjami technicznymi z wykorzystaniem kompozytów są konstrukcje lotnicze, głównie wojskowe, chociaż coraz częściej i niektóre samoloty cywilne (rys. 7). Coraz częściej wykorzystuje się zwłaszcza kompozyty polimerowe w konstruk-

Rys. 5. Budowa ceramiczno-polimerowego pancerza kompozytowego [12]: a) folia antyodpryskowa; b) ceramika; c) klej; d) podłoże

Rys. 6. Mechanizm penetracji ceramiczno–polimerowego pancerza kompozytowego [12]

Rys. 7. Niektóre zastosowania zbrojonych włóknami węglowymi kompozytów polimerowych w konstrukcji samolotu pasażerskiego [7]: 1 - wręgi kadłuba; 2 - interceptory; 3 – pokrywy wnęk podwozia przedniego głównego; 4 – ster kierunku; 5 – ster wysokości; 6 – owiewki skrzydeł i sterów

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


materiały kompozytowe Rys. 8. Niektóre zastosowania zbrojonych włóknami węglowymi kompozytów polimerowych w konstrukcji samochodu [7]: 1 – maska silnika; 2 – część wewnętrzna nadwozia; 3 – część zewnętrzna nadwozia; 4 – konstrukcja dachu; 5 – podwozie; 6 - tablica rozdzielcza

cjach samochodów wyścigowych, jak też osobowych (rys. 8). We współczesnej technice występują już materiały kompozytowe wykonywane ze wszystkich grup materiałowych i ze wszystkimi systemami umocnienia jednocześnie. Są to nadal kompozyty, ale wchodzą w nowy układ kompozytowy, już o nowej klasyfikacji [2, 4, 5, 8, 9, 12].

Podsumowanie W niniejszym artykule przedstawiono zarys przemysłowego wykorzystania niektórych kompozytów, w tym w technice motoryzacyjnej, wojskowej i innych aplikacjach przemysłowych. Materiały kompozytowe stanowią obecnie jedną z najbardziej obiecujących i rozwijających się grup materiałów konstrukcyjnych. Analiza ich właściwości upoważnia do stwierdzenia, że są one niejednokrotnie w stanie spełnić bardzo wysokie wymagania nowoczesnej i stale rozwijającej się techniki w dość szerokim ujęciu. Podstawową korzyścią płynącą z zastosowania ich jako materiałów nowej generacji, może być znaczne obniżenie masy konstrukcji, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich właściwości mechanicznych.

Intensywnie rozwijającą się grupę tych materiałów stanowią m.in. kompozyty z osnową ze stopów aluminium, które często zbrojone są cząstkami Al2O3 lub SiC. Pewnym ograniczeniem zastosowań rozpatrywanego materiału w przemyśle krajowym mogą okazać się jednak problemy technologiczne. Mogą one dotyczyć nie tylko procesu wytwarzania, ale również i samej obróbki mechanicznej, która z uwagi na obecność bardzo twardych cząstek Al2O3 w strukturze materiału, jest znacznie utrudniona. Konieczność zastosowania w procesie produkcyjnym nowoczesnych urządzeń i narzędzi o wysokiej jakości z pewnością może mieć niekorzystny wpływ na efekt ekonomiczny, jednak pokonanie trudności powstających w procesach wytwórczych stanie się kluczem do komercjalizacji kompozytów w przemyśle samochodowym. Ze względu na obszerność zagadnienia i wymogi redakcyjne autorzy przedstawili minimum wiedzy w ujęciu praktycznym.

Lteratura [1] M.F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały inżynierskie. WNT Warszawa 1996, tom 2. [2] B. Ciszewski, W. Przetakiewicz: Nowoczesne materiały w technice. Bellona Warszawa 1993.

[3] J. Kapuściński, K. Puciłowski, S. Ciechowski: Projektowanie i technologia materiałów kompozytowych. Politechnika Warszawska. Warszawa 1981. [4] A. Gierek: Niektóre problemy inżynierii materiałowej. Skrypt. Politechnika Śląska. Gliwice 1994. [5] S. Neffe: Carbon, 25 (1987) 761. [6] R. Pampuch, J. Białoskórski, E. Walasek: Ceram. Intern.13 (1987) 63. [7] R. Pampuch, S. Błażewicz, J. Chłopek, A. Górecki, W. Kuś: Nowe materiały węglowe w technice i medycynie. PWN, Warszawa 1989. [8] J. Piekarczyk, E. Walasek, J. Białoskórski: 3rd Conf. Stereology In Materiale Science STERMAT’90. Szczyrk 1990. [9] S. Wojciechowski, S. Pawłowski, A. Gierek, B. Ciszewski: Ekspertyza – Kompozyty i ich wykorzystanie w różnych działach techniki. PAN. Komitet Naukoznawstwa i Komitet Nauki o Materiałach. Warszawa 1978. [10] F. Wojtkun, J.P. Sołncew: Materiały specjalnego przeznaczenia. Politechnika Radomska. Radom 2001. [11] F. Wojtkun, J.P. Sołncew: Niektóre problemy inżynierii materiałowej. Politechnika Radomska. Radom 1999, tom 2. [12] A. Wiśniewski: Ochrona wozów bojowych. Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia. Zeszyt 89. Zielonka 2003.

Artykuł był publikowany w czasopiśmie „Autobusy” 6/2014.

mgr inż. Dariusz Woźniak Stowarzyszenie Rzeczoznawców Techniki Samochodowej i Ruchu Drogowego w Warszawie Oddział w Koszalinie prof. dr hab. inż. Leon Kukiełka Politechnika Koszalińska reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

53


54

materiały kompozytowe

Czynniki wpływające na wytrzymałość mechaniczną

Kompozyty polimerowe zawierające włókna roślinne JUSTYNA MIEDZIANOWSKA , MARCIN MASŁOWSKI, KRZYSZTOF STRZELEC

W ostatnich latach znaczne zainteresowanie badawcze i aplikacyjne wzbudzają kompozyty polimerowe zawierające tani i odnawialny napełniacz naturalny. Podstawowe miejsce wśród naturalnych materiałów wzmacniających oraz wypełniających stosowanych do otrzymywania kompozycji polimerowych stanowią włókna roślinne. Zwrócenie uwagi na naturalne napełniacze, jako dodatki do materiałów kompozytowych związane jest z obecną tendencją wielu gałęzi przemysłu do recyklingu tworzyw, obniżania kosztów wytwórczych oraz produkcji materiałów przyjaznych i bezpiecznych dla środowiska. Prace badawcze nad rozwojem biokompozytów koncentrują się głównie na polepszeniu ich właściwości mechanicznych w celu rozszerzenia możliwości i zastosowań tej grupy materiałów. Niniejszy przegląd ma na celu przedstawienie analizy czynników wpływających na wytrzymałość mechaniczną kompozytów wzmacnianych włóknami naturalnymi, a także szczegółów osiągnięć z nimi związanych. Kompozyty są połączeniem dwóch lub więcej odrębnych, nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi. W kompozycie jeden ze składników jest wiążącym i nazywany jest matrycą, a pozostałe materiały (często o lepszych właściwościach wytrzymałościowych lub większej twardości) spełniają rolę wzmacniającą lub wypełniającą [1]. Obserwowane w ostatnich latach znaczące zintensyfikowanie prac badawczych, dotyczących wytwarzania nowych materiałów, koncentruje się na biokompozytach i biokompozycjach polimerowych. Ze względu na dużą dostępność, niską cenę i odnawialny charakter włókien naturalnych, od kilku dekad stanowią one jeden z najbardziej popularnych komponentów do wytwarzania przyjaznych środowisku materiałów polimerowych [2]. Podczas projektowania takich kompozytów, niezwykle istotnymi zagadnieniami są: l dobór ośrodka polimerowego; l dobór włókna naturalnego; l oddziaływanie faz na granicy polimer-włókno; l dyspersja włókien w polimerze; l proces przetwórczy; l orientacja włókien w ośrodku polimerowym. Dobór ośrodka polimerowego Ośrodek polimerowy jest ważną częścią materiału, wiążącą wszystkie składniki. Zapewnia barierę przed niekorzystnymi warunkami zewnętrznymi, chroni po-

wierzchnię włókien przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz przenosi obciążenia pomiędzy komponentami. Determinuje również kształt kompozytów, wygląd ich powierzchni, ogólną wytrzymałość oraz przeznaczenie [3]. Wybór ośrodka polimerowego jest ograniczony przez temperaturę, w której następuje rozkład termiczny włókna. Większość naturalnych włókien stosowanych jako wzmacniania kompozytów jest niestabilnych termicznie powyżej 200°C [4], czasami możliwe jest ich przetwarzanie w wyższej temperaturze przez krótki czas. Najbardziej powszechnymi polimerami, których przetwórstwo w tych warunkach jest możliwe są termoplasty: polietylen (PE), polipropylen (PP) [5], polistyren (PS) [6], poli(tereftalan etylenu) (PET) [7] i polichlorek winylu (PVC) [8]. Jako ośrodki polimerowe kompozytów zawierających włókna naturalne intensywnie badane i szeroko stosowane są również materiały termoutwardzalne, do których należą żywice epoksydowe [9], fenolowo-formaldehydowe i poliestrowe [10]. Znane są również elastomerowe kompozycje polimerowe, zawierające biododatki, gdzie jako matryce stosowano kauczuk naturalny [11], czy kauczuk butadienowo-styrenowy [12]. Obecnie społeczne obawy dotyczące środowiska, zmiany klimatu oraz ograniczone zasoby paliw kopalnych to ważne czynniki, które motywują naukowców do poszukiwania alternatywnych materiałów wytwarzanych bez udziału produktów pochodzących

z przerobu ropy naftowej. Aktualne trendy w rozwoju biokompozytów skupiają się na materiałach wytworzonych z biodegradowalnych poliestrów. Najbardziej popularne to poli(kwas mlekowy) (PLA) oraz polihydroksyalkaniany (PHA), które można wytwarzać z odnawialnych surowców. Badania dowodzą, że zastosowanie PLA, jako ośrodka polimerowego kompozytów z naturalnymi włóknami, pozwala na uzyskanie wyższej wytrzymałości mechanicznej oraz sztywności niż przy użyciu polipropylenu [13]. Ze względów ekologicznych coraz częściej źródłem polimerów do wytwarzania biokompozytów, zamiast czystych surowców, są recyklaty. Recyklat to materiał polimerowy, stanowiący odpad powstający przy produkcji lub tworzywo poużytkowe wytworzone na drodze recyklingu z butelek, reklamówek, plastikowych opakowań i tym podobnych. Niemniej jednak materiał taki charakteryzuje się zazwyczaj gorszymi parametrami, w porównaniu z czystym surowcem, co wpływa na jakość otrzymywanego kompozytu. Ponadto występuje szereg utrudnień związanych z kontrolą właściwości fizykochemicznych recyklatu, który stanowi zazwyczaj złożoną kompozycję polimerów [14]. Dobór włókna naturalnego Definicja włókien naturalnych zaproponowana przez Food and Agriculture Organization (FAO) na potrzeby Międzynarodowego Roku Włókien Naturalnych (IYNF 2009) opisuje je jako podłużne struktury produkowane przez rośliny i zwierzęta, które mogą być przędzone na filamenty, nici oraz liny [15]. Właściwości włókien naturalnych różnią się znacznie składem i strukturą chemiczną, które odnoszą się do typu włókna (tab. 1). Włókna roślinne ze względu na ich pochodzenie można podzielić na : l włókna z nasion: bawełna, kapok; l włókna z łodyg (łyka): juta, len, konopie, ketmia, kudzu, pokrzywa; l włókna z liści: agawa, sizal, ananas; l włókna z owoców: kokos, kapok, palma; l włókna z drewna: drzewa iglaste i liściaste; l włókna z traw i słomy: bambus, pszenica, ryż [16].

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


55

materiały kompozytowe

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

Tabela 1. Skład chemiczny wybranych włókien naturalnych [17]. Typ Włókna z traw i słomy Drewno Włókna z owoców

Włókna łodygowe

Włókna liści

Włókna z nasion

Włókno

Celuloza [%]

Hemiceluloza [%]

Trzcina

44

31

Lignina [%] 22

Pszenica

33-38

26-32

17-19

Ryż

28-36

23-28

14

Drzewa liściste

31-64

25-40

14-34

Drzewa iglaste

30-60

20-30

21-37

Kokos

36-43

0.5-1

41-45

Kapok

35

22

21.5

Palma

47

19

24

Juta

61-71

13-20

13

Len

75

10

3

Konopie

75

15

3

Ketmia

31-57

21-23

15-19

Kudzu

33

11

14

Pokrzywa

61-73

7

8

Banan

63-64

13-24

5

Sizal

26

38

26

Ananas

70-82

18

9

Bawełna

82-92

6

0

Kapok

64

13

23

Rys. 1. Struktura chemiczna ligniny, celulozy i hemicelulozy [17]

Rys. 2. Światowa produkcja włókien roślinnych z wyłączeniem bawełny w latach 2008-2012 [15]

Oddziaływania faz na granicy polimer-włókno Oddziaływania na granicy włókno-ośrodek polimerowy odgrywa istotną rolę w określaniu właściwości mechanicznych kompozytów. Naprężenia są przenoszone

między matrycą i napełniaczem, a więc silne połączenie międzyfazowe zapewnia otrzymanie optymalnego wzmocnienia. W przypadku kompozytów zawierających napełniacze roślinne występuje zwykle ograniczona interakcja między hydrofilowymi włóknami i polimerami, które są

t

W doborze włókien do wytwarzania kompozytów pochodzenie włókna odgrywa istotną rolę ze względu na jego skład chemiczny. Każde włókno roślinne zbudowane jest z trzech podstawowych komponentów: celulozy, hemicelulozy i ligniny. Dodatkowo, włókna lignocelulozowe zawierają również niewielkie ilości pektyn, wosków i substancji rozpuszczalnych w wodzie. Informacje o składzie chemicznym (tab.1.) włókien naturalnych są ważne, ponieważ determinują ich właściwości, a tym samym ich zastosowania. Celuloza jest głównym składnikiem strukturalnym włókien naturalnych, składa się z jednostek D-glukopiranozy, połączonych ze sobą wiązaniami 1,4-β-D-glikozydowymi. Obecne w strukturze grupy hydroksylowe (OH) zdolne do oddziaływań wodorowych, a także siły van der Waalsa powodują, że wykazuje ona obszary krystaliczne. Celuloza jest także odporna na utlenianie, środki alkaliczne oraz hydrolizę. Hemiceluloza pod względem budowy posiada bardziej rozbudowaną strukturę od celulozy, złożona jest z różnych jednostek cukrów, ma hydrofilowy charakter, jest niekrystaliczna i pełni rolę matrycy dla mikrofibryli celulozowych. Hemicelulozy rozpuszczają się w alkaliach i ulegają hydrolizie kwasowej. Lignina to hydrofobowy, nierozpuszczalny w wodzie oraz niekrystaliczny polimer, który wypełnia miejsce między hemicelulozą i celulozą [18]. Rys. 1. przedstawia struktury chemiczne cząstek celulozy, hemicelulozy i ligniny. W doborze włókien ważne są również warunki wzrostu, czas zbiorów, metoda pozyskiwania i przechowywanie. Ręcznie wyodrębnione włókna lniane mają wytrzymałość o 20% wyższą niż wydobyte mechanicznie [19]. Należy też pamiętać, że uprawy rolne są bardzo zależne od warunków pogodowych i wrażliwe na zagrożenia szkodnikami. Tylko najlepszej jakości włókna, dobrze wysuszone i zdrowe zapewniają największą wytrzmałość mechaniczną. Położenie geograficzne, związane z dostępnością włókien, odgrywa główną rolę w ich zastowowaniu jako biododatku do kompozytów polimerowych [20]. W Europie do produkcji biokompozytów wykorzystuje się głównie len oraz słomę zbożową, podczas gdy w Azji badania nad kompozytami zawierajacymi włókna naturalne koncentrują się na konopiach, bawełnie, jucie, sizalu, czy łuskach ryżu. Powszechność stosowania określonego typu włókien jest również wynikiem światowej produkcji roślin włóknistych. Z danych wynika, że globalnie najwięcej uprawia się juty, konopi i lnu, i to one mają swój największy udział w produkcji kompozytów wzmocnionych włóknami naturalnymi (rys. 2).


56

materiały kompozytowe

zwykle hydrofobowe. Prowadzi to do słabej adhezji miedzy nimi. Istotnym parametrem wpływającym na występowanie oddziaływań międzyfazowych jest zwilżalność powierzchni włókna przez polimer. Niewystarczające zwilżanie napełniacza skutkuje powstawaniem defektów, które mogą prowadzić do koncentracji naprężeń propagujących zniszczenie materiału. Kompatybilność składników kompozytu poprawia się poprzez modyfikację polimeru, lub częściej napełniacza, albo przez zastosowanie dodatkowych substancji. Powierzchnia napełniacza może być modyfikowana różnymi metodami: l chemicznymi, m.in. poprzez impregnację napełniacza środkiem kompatybilnym do osnowy, modyfikację środkami sprzęgającymi [21], acetylację [22], merceryzację [23], estryfikację [24]. Schemat typowych modyfikacji chemicznych pokazano na rys. 3; l poprzez modyfikację fizyczną, np. wyładowania koronowe, obróbkę termiczną lub plazmową [25]; l poprzez modyfikację biologiczną, obejmującą głównie obróbkę enzymatyczną [26]. Wykazano, że w zależności od zastosowanej modyfikacji obróbka może powodować zarówno zmiany chemiczne, jak i fizyczne w strukturze napełniacza, powodujące: zwiększoną polarność powierzchni (z powodu zwiększenia ilości grup karboksylowych i hydroksylowych na powierzchni), zmianę składu chemicznego, stopnia krystaliczności, chropowatości powierzchni włókna i innych własności. Dyspersja włókien w polimerze Jednym z głównych czynników determinujących właściwości kompozytów polimerowych jest dystrybucja napełniacza w ośrodku. Dobra dyspersja włókien sprzyja występowaniu połączeń na granicy faz włókno-polimer. Zmniejsza tym samym objętość pustych przestrzeni wokół włókna, wpływając pozytywnie na charakterystykę wytrzymałościową materiału. Zarówno długie, jak i krótkie włókna, wykazują tendencję do aglomeracji i agregacji [27]. Zjawisko aglomeracji oraz agregacji powoduje niestabilność zdyspergowania składników w kompozycji, co przekłada się na powstawanie niejednorodnych struktur w kompozytach, będących miejscem koncentracji naprężeń. Uzyskanie homogenicznej i stabilnej dystrybucji cząstek składników w matrycy polimerowej stanowi przedmiot i cel wielu prowadzonych badań naukowych. Jednym z rozwiązań, które prowadzi do równomiernego rozprowadzenia cząstek w ośrodku elastomerowym, zapewniając jednorodność właściwości oraz maksy-

malne wykorzystanie potencjału fazy rozproszonej jest zastosowanie różnego typu dodatków. Jako substancje poprawiające stopień dyspersji napełniaczy w ośrodku polimerowym stosuje się między innymi kwas stearynowy, czy ciecze jonowe [28].

Proces przetwórczy Metody przetwórstwa kompozytów polimerowych uzależnione są od rodzaju danego polimeru oraz postaci napełniacza (proszek, włókno, płatki). Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości biokompozytu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za pomocą spoiwa, włókien w procesie produkcji. Jednym z najważniejszych etapów przetwórstwa biokompozycji jest mieszanie, które odbywa się zwykle metodą wytłaczania lub wtrysku. Uzyskanie dobrego wymieszania sprzyja wzrostowi jednorodności kompozytu, co determinuje późniejsze właściwości fizyczne, chemiczne i użytkowe gotowego wyrobu. Istnieje szereg czynników, które warunkują skuteczność mieszania. Są to przede wszystkim odpowiednia konstrukcja maszyn oraz warunki procesowe. Do tych czynników możemy zaliczyć temperaturę, ciśnienie i prędkość obrotową ślimaka lub tłoku maszyny. Możliwe jest wystąpienie degradacji włókien, jeżeli zastosowana temperatura jest zbyt wysoka, co ogranicza termoplasty, jako ośrodki polimerowe stosowane do produkcji biokompozytów. Duża prędkość ślimaka może powodować powstawanie

pęcherzy powietrza w materiale, nadmierny wzrost temperatury spowodowany tarciem oraz uszkodzenia mechaniczne włókna. Natomiast niskie prędkości prowadzą do słabego mieszania i występowania niewystarczającego zwilżania włókien polimerem [29]. Orientacja włókien w ośrodku polimerowym Właściwości mechaniczne kompozytu polimerowego zależą nie tylko od właściwości jego składników (osnowy, wzmocnienia, połączenia), ale przede wszystkim od struktury, tj. przestrzennego rozmieszczenia elementów wzmacniających. Odpowiednia, ściśle określona orientacja włókien powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie, zwiększenie sztywności, wyższą gęstość oraz zwiększenie gładkości powierzchni [30]. Wśród kompozytów zawierających włókna można wyróżnić następujące rodzaje wzmocnienia struktury: l Wzmocnienie włóknem krótkim rozłożonym chaotycznie. Włókna o rozmiarze kilku milimetrów są losowo rozmieszczone w ośrodku polimerowym. W takich materiałach przyrost wytrzymałości kompozytu w stosunku do właściwości czystego polimeru jest umiarkowany − najczęściej wynosi około od kilku do kilkunastu procent. l Wzmocnienie jednokierunkowe włóknem długim. Kompozyty charakteryzują się dużą wytrzymałością i sztywnością w kierunku ułożenia włókien. Właściwości wytrzymałościowe w kierunku po-

Rys. 3. Schemat wybranych sposobów modyfikacji włókien naturalnych [18]

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


materiały kompozytowe przecznym do włókien mogą być nawet nieco niższe od właściwości polimeru niewzmocnionego. l Wzmocnienie wielowarstwowe, które stanowi typ struktury najczęściej stosowany w technice z zastosowaniem kompozytów tworzyw termoutwardzalnych (tzw. laminaty). Elementy płytowe i powłokowe tworzą często dziesiątki warstw, z których każda może posiadać inną strukturę oraz orientację wzmocnienia.

Podsumowanie Rozwój kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami naturalnymi jest ostatnio gorącym tematem ze względu na rosnący poziom świadomości społeczeństwa na temat ochrony środowiska, szczególnie w zakresie zmniejszania zużycia paliw kopalnych. Biokompozyty stanową doskonałą alternatywę dla w pełni syntetycznych materiałów, ponieważ charakteryzują się obniżonymi kosztami produkcji, zwiększoną bioderadowalnością, zawierają odnawialne surowce oraz często wykazują lepsze właściwości użytkowe. W pracy przedstawiono przegląd różnorodnych aspektów, mających wpływ na wytrzymałość mechaniczną kompozytów polimerowych wzmacnianych roślinnymi włóknami naturalnymi.

Literatura [1] H. Ku, H. Wang, N. Pattarachaiyakoop, M. Trada: A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites. Composites Part B Engineering, 42, 2011: 856–73. [2] O. Faruk, A.K. Bledzki, H.P. Fink, M. Sain: Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000-201, Progress in Polymer Science, 37, 2012: 1552–96. [3] J. Holbery, D. Houston: Natural-fiber-reinforced polymer composites in automotive applications, Jurnal of Minerals, Metals and Materials Society, 58, 2006: 80–6. [4] M. Asadieraghi, W.M.A. Wan Daud: Characterization of lignocellulosic biomass thermal degradation and physiochemical structure: Effects of demineralization by diverse acid solutions, Energy Conversion and Management, 82, 2014: 71–82. [5] A. Espert, F. Vilaplana, S. Karlsson: Comparison of water absorption in natural cellulosic fibres from wood and one-year crops in polypropylene composites and its influence on their mechanical properties, Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing, 35, 2004: 1267–76. [6] A.S. Singha, R.K. Rana: Natural fiber reinforced polystyrene composites: Effect of fiber loading, fiber dimensions and surface modification on mechanical proper-

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l

ties, Materials and Design, 41, 2012: 289–97. [7] T. Huq, A. Khan, N. Noor, M. Saha, R.A. Khan, M.A. Khan et al.: Fabrication and characterization of jute fiber-reinforced PET composite: Effect of LLDPE incorporation, Polymer-Plastics Technology Engineering, 49, 2010: 407–13. [8] Y. Xu, Q. Wu, Y. Lei, F. Yao, Q. Zhang: Natural fiber reinforced poly(vinyl chloride) composites: Effect of fiber type and impact modifier, Journal of Polymers and the Environment, 16, 2008, 250–7. [9] V. Mittal, R. Saini, S. Sinha: Natural fibermediated epoxy composites - A review, Composites Part B Engineering, 99, 2016: 425–35. [10] S.H. Aziz, M.P. Ansell, S.J. Clarke, S.R. Panteny : Modified polyester resins for natural fibre composites, Composites Science and Technology, 65, 2005: 525–35. [11] M. Masłowski, J. Miedzianowska, K. Strzelec: Natural rubber biocomposites containing corn, barley and wheat straw, Polymer Testing, 63, 2017: 84–91. [12] M. Haghighat, A. Zadhoush, S. Nouri Khorasani: Physicomechanical properties of -cellulose-filled styrene-butadiene rubber composites. Journal of Applied Polymer Science, 96, 2005: 2203–11. [13] O. Faruk, A.K. Bledzki, H-P. Fink, M. Sain: Progress Report on Natural Fiber Reinforced Composites, Macromolecular Materials and Engineering, 299, 2014: 9–26. [14] Y. Lei, Q. Wu, F. Yao, Y. Xu: Preparation and properties of recycled HDPE/natural fiber composites, Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing, 38, 2007: 1664–74. [15] M. Zimniewska, M. Wladyka-Przybylak: Natural Fibers for Composite Applications, Fibrous and Textile Materials for Composite Applications, 2016: 171–205. [16] M. Zimniewska, M. Wladyka-Przybylak, J. Mankowski: Cellulosic Bast Fibers, Their Structure and Properties Suitable for Composite Applications, Cellulose Fibers: Bio and Nano-Polymer Composites, 2011: 97–119. [17] Ş Yıldızhan, A. Çalık, M. Özcanlı, H. Serin: Bio-composite materials: a short review of recent trends, mechanical and chemical properties, and applications, European Mechanical Science, 2, 2018, 83–91. [18] T. Gurunathan, S. Mohanty, S.K. Nayak: A review of the recent developments in biocomposites based on natural fibres and their application perspectives, Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing, 77, 2015, 1–25. [19] G. Coroller, A. Lefeuvre, A. Le Duigou, A. Bourmaud, G. Ausias, T. Gaudry et al.: Effect of flax fibres individualisation on tensile failure of flax/epoxy unidirectional compo-

57

site, Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing,51, 2013, 62–70. [20] M.R. Sanjay, G.R. Arpitha, L.L. Naik, K. Gopalakrishna, B. Yogesha: Applications of Natural Fibers and Its Composites: An Overview, Natural Resources, 7, 2016, 108–14. [21] N. Saheb, J. Jog: Natural Fiber Polymer Composites: A Review, Advances in Polymer Technology, 2329, 2015, 351–63. [22] R.M. Rowell: Acetylation of natural fibers to improve performance, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2004, 418: 153–164. [23] M. Chalid, I. Prabowo: The Effects of Alkalization to the Mechanical Properties of the Ijuk Fiber Reinforced PLA Biocomposites, International Journal of Chemical, Molecilar, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, 9, 2015: 342–6. [24] J.B. Naik, S. Mishra: Esterification Effect of Maleic Anhydride on Surface and Volume Resistivity of Natural Fiber/Polystyrene Composites, Polymer-Plastics Technology and Engineering, 46, 2007: 537-540. [25] S. Mukhopadhyay, R. Fangueiro: Physical modification of natural fibers and thermoplastic films for composites – A review, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 22, 2009: 135–62. [26] N.D. Yilmaz: Effects of enzymatic treatments on the mechanical properties of corn husk fibers, Journal of the Textile Institute, 104, 2013: 396–406. [27] H. Peltola, B. Madsen, R. Joffe, K. Nättinen: The influence of biocomposite processing and composition on natural fiber length , dispersion and orientation, Journal of Material Sciences Engineering A, 1, 2011: 190–8. [28] M. Arifur Rahman, F. Parvin, M. Hasan, M.E. Hoque: Introduction to Manufacturing of Natural Fibre-Reinforced Polymer Composites, Manuf. Nat. Fibre Reinf. Polym. Compos., 2015, 17–43. [29] M. Ho, H. Wang, J. Lee, C. Ho, K. Lau, J. Leng et al.: Critical factors on manufacturing processes of natural fibre composites, Compos Part B, 43, 2012, 3549–62. [30] A. Jeziorny: Skrypty Dla Szkół Wyższych, Nauka o włóknie, Redakcja Wydawnictw Naukowych Politechniki Łódzkiej, Łódź, 1980.

Artykuł był opublikowany w czasopiśmie „Technologia i Jakość Wyrobów”, 63, 2017.

mgr inż. Justyna Miedzianowska dr inż. Marcin Masłowski dr hab. inż. Krzysztof Strzelec, prof. PŁ Instytut Technologii Polimerów i Barwników, Politechnika Łódzka


58

przegląd rynku

1–3 października 2019, Centrum Targowo – Konferencyjne Expo Silesia, Sosnowiec

TOOLEX – narzędzie biznesowego sukcesu Początek października to w Expo Silesia termin zarezerwowany na wydarzenie poświęcone obróbce metalu. Liderzy rynku, wartościowe spotkania merytoryczne oraz wysoki poziom zwiedzających – specjalistów, sprawia że Targi TOOLEX są rozpoznawalne i cenione w Polsce i na rynkach zagranicznych.

Kolejna edycja Międzynarodowych Targów Obrabiarek, Narzędzi i Technologii Obróbki TOOLEX została objęta patronatem przez liczne branżowe i rządowe instytucje, które od lat wspierają Targi merytorycznie. Udział w wydarzeniu potwierdzili już liderzy z branży oraz przedstawiciele polskiego i światowego przemysłu obrabiarkowego czy też narzędziowego. W roku ubiegłym Targi zgromadziły ponad 500 wystawców i współwystawców z 15 krajów, niemal 600 reprezentowanych marek, ponad 450 maszyn w ruchu. Wydarzenie odwiedziło niemal 10 tysięcy zwiedzających. Wśród nich blisko 50% to kadra zarządzająca: prezesi i kierownicy firm. Tar-

gi licznie odwiedzają również technologowie, operatorzy CNC, programiści, kontrolerzy jakości i technicy utrzymania ruchu. A wszystko to na 15 tys. m2 powierzchni w 2 pawilonach wystawienniczych. Wzorem ubiegłych edycji, równolegle odbędą się również Targi Olejów, Smarów i Płynów Technologicznych dla Przemysłu – OILexpo, którym towarzyszyć będzie Środowiskowe Seminarium Tribologów, organizowane przez Polskie Towarzystwo Tribologiczne oraz Katedrę Eksploatacji Pojazdów Samochodowych i Katedrę Logistyki i Technologii Lotniczych Wydziału Transportu Politechniki Śląskiej. Główną tematyką seminarium będą współczesne

problemy smarowania maszyn i urządzeń. Dwunastej już edycji targów TOOLEX będą towarzyszyć nowe salony tematyczne: TOOLEX dla Automotive – Salon Automatyzacji dla Automotive. To platforma wymiany informacji, doświadczeń i opinii dla sektora automotive w odniesieniu do automatyzacji produkcji i branży obróbki metalu. Dedykowana producentom i dystrybutorom zintegrowanych rozwiązań,

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


przegląd rynku

59

mieli okazję do zapoznania się z najnowszymi technologiami i nowinkami rynkowymi. Więcej informacji o targach można znaleźć na dedykowanych stronach lub kontaktując się bezpośrednio z zespołem organizującym powyższe wydarzenia.

ale także firmom, oferującym usługi wspierające obydwie gałęzie przemysłu. Przemysł w Ruchu – Salon Łożysk i Elementów Napędowych to jedyne wydarzenie w Polsce dedykowane producentom i dystrybutorom najwyżej jakości elementów do maszyn i urzą-

dzeń, a także usług związanych z techniką łożyskową. Do rozmów zapraszamy przedstawicieli zakładów przemysłowych, warsztatów, sklepów i klientów indywidualnych. Targom towarzyszyć będą liczne SEMINARIA, podczas których słuchacze będą

TOOLEX tel. 32 7887 538, 519 toolex@exposilesia.pl www.toolex.pl TOOLEX dla Automotive tel. 32 7887 554, 538 toolexdlaautomotive@exposilesia.pl www.toolexdlaautomotive.pl OILexpo tel. 32 7887 541 oilexpo@exposilesia.pl www.oilexpo.pl Przemysł w Ruchu tel. 32 7887 538 przemyslwruchu@exposilesia.pl www.przemyslwruchu.pl MIEJSCE TARGÓW: Centrum Targowo-Konferencyjne Expo Silesia ul. Braci Mieroszewskich 124 41-219 Sosnowiec www.exposilesia.pl reklama

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 2/2019 l


Profile for Tworzywa

Materiały Kompozytowe 2/2019  

Materiały Kompozytowe 2/2019  

Advertisement