Kompozity jako výzva pro obrábění 21. století

Nejen průmysl kompozitů hledí na budoucnost s důvěrou. Potěšující je, že až dvě třetiny světových výrobců obráběcích strojů a nástrojů plánují větší angažovanost v  obrábění kompozitů. Největší zájem je pociťován od dodavatelů německého a asijského automobilového a leteckého průmyslu.

Nasazení kompozitů však není zcela bez obav; podle Franka Barthelmä z GFE e.V., Schmalkalden, si řešení žádají riziko delaminace, krátká životnost nástrojů, vznik prachových částic v řezu aj., což vyžaduje změnu celého výrobního řetězce od koncepce strojů, parametrů obrábění, jakosti komponent i nástrojů. Některé se GFE již podařilo vyřešit: vhodnými technikami povrchových úprav nástrojů, jako jsou jemné leštění kartáči, vlečné broušení v ponoru (drag finishing) nebo mikrotryskání, lze přesně a definovaně vytvářet poloměry řezné špičky velikosti pouhých několika mikrometrů, a to po celé délce hrany. Barthelmä zdůrazňuje jejich význam u víceúčelových nástrojů pro ochranu před delaminací vrstev.

Jiným krokem je aplikace povlaků. Oxinitridové povlaky obsahující kyslík se ukázaly jako zvláště účinné pro zvýšení životnosti nástroje ve srovnání s tradičními celokarbidovými nástroji až na dvojnásobek. Ještě lepší výsledky očekává GFE od povlaků typu diamond-like-carbon (DLC) jako alternativy drahých povlaků polykrystalického diamantu (PCD) nebo diamantových CVD povlaků.

Přispět musí i výrobci obráběcích strojů. Podle Barthelmä je jedním z předpokladů výkonného obrábění kompozitů kombinace vysokorychlostního obrábění se zapouzdřenými integrovanými vřeteny s vysokou dynamikou stroje a víceosým obráběním – například pětiosým v kombinaci se simultánním obráběním. Velká naděje je spatřována také v hybridních metodách, například ve frézování s ultrazvukovou asistencí.

Za výrobce nástrojů se k problému vyjadřuje Peter Büttler ze skupiny Komet Group, když shrnuje rozmanité a kontroverzní požadavky a uvádí: „Na jedné straně se vyztužující vlákna liší v materiálu, délce, tloušťce a orientaci, zatímco na druhé straně je na trhu přes 100 různých typů plastů jako matric: termosetů, termoplastů a elastomerů. U všech je klíčem k úspěchu vysokorychlostní obrábění, avšak s nízkým vývojem tepla třením v řezu. Důležitá je úzká spolupráce mezi uživatelem a výrobcem nástroje s přihlédnutím rozdílu mezi obráběním na CNC výrobním centru, robotickým nebo manuálním obráběním a rozdíly mezi způsoby upnutí, chlazení, mazání, rychlostí a jinými faktory.“

Univerzální nástroj pro nejširší aplikace by byl žádoucí; v tomto okamžiku však je nesplnitelným přáním, protože extrémně nehomogenní kompozity staví před obrábění velmi rozdílné nároky, jak vysvětluje Diethard Thomas z LMT Group. Obecně se nástroje kompozitům přizpůsobují, avšak u vrstvených kompozitů může být řešením hledisko výkonnosti, kde se řezné parametry přizpůsobují vrstvám o nejvyšší houževnatostí, jako je tomu například u kompozitů typu uhlíkový kompozit (CFRP)/hliník nebo uhlíkový kompozit (CFRP)/titan. Thomas vidí řešení a pokrok v tom, že se nástrojové materiály stále mění a optimalizují s vývojem procesu obrábění, designu nástroje a doporučených řezných podmínek.

Někteří výrobci nástrojů a kompozitů varují před zjednodušováním tím, že se všechny kompozity porovnávají pouze s CFRP. Zástupci firem Paul Horn a Mapal, jakož i výrobce kompozitů Aerospace & Composites uvádějí, že všechny kompozity lze obrábět stejnými nástroji, avšak za rozdílných řezných podmínek s přihlédnutím k nejhůře obrobitelným. Speciální povlaky, jako například nanokrystalické, zvyšují životnost nástrojů a snižují výrobní náklady, zvláště při vrtání otvorů.

Zatímco výrobci nástrojů se připravují na lukrativní trh zpracování kompozitů, pro výrobce klasických obráběcích strojů kompozity představují fundamentální problém. Jejich stroje jsou příliš malé a velmi drahé. Podle Ivicy Kolarice z Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisation (IPA) pocházejí tyto stroje z dob počátků obrábění standardních plastů. Situace se musí změnit s konfliktními požadavky automobilového průmyslu na vysokou produkci a vysokou přesnost, na rozdíl od leteckého průmyslu a výroby větrných elektráren s rozměrnými díly a nižšími nároky na přesnost. Stroje se musejí stát nákladově efektivní.

To uznává i Matthias Meyer z MAS IAS, jenž vysvětluje, že pracovní prostor stroje pro velké, dlouhé a tenkostěnné komponenty musí být dostatečný a musí umožňovat čtyř- až pětiosé obrábění s řeznými hranami kolmými k obráběnému povrchu. Liší se i požadavky na vřetena, které jsou rozdílné od obrábění kovů. V dělení se musí řezání vodním paprskem vyrovnávat s rizikem poškození dílu a velkými objemy vznikajícího nebezpečného odpadu. Proto se MAS rozhodl upustit od řezání vodním paprskem a volit obrysové frézování (routing) a využití získaného know-how.

Vznik abrazivního a vodivého prachu během obrábění je velký problém. Integrace perfektně funkčního holistického konceptu extrakce jemného prachu je důležitým faktorem. K vysoce účinnému odtahu s rekuperací tepla má mít stroj uzavřený pracovní prostor s integrovaným odsáváním pro minimalizaci zdravotních rizik a eliminaci poškození pohonů a vedení úsadami prachu. Všechny elektrické komponenty by měly být chráněny, vřeteno navíc i před olejem.

Klíčovou výzvou vedle snížení nákladů a zvýšení životnosti nástrojů jsou zlepšení bezpečnosti a ochrany zdraví při práci. Znamená to integraci odsávání do místa zdroje prachu a uzavření obráběcích strojů do prachotěsných jednotek včetně nekonvenčního transportu prachu potrubními dopravníky.

Příkladem výrobce klasických obráběcích strojů, jenž přijal výzvu obrábění kompozitů, je DMG Mori. Navíc k dlouhodobě osvědčené koncepci strojů a vysoké dynamice si stroje mohou a musejí poradit s tvorbou a zpracováním abrazivního prachu, jak říká Patrick Diederich ze Sauer GmbH, Pfronten, součásti DMG Mori. Portfolio firmy zahrnuje stroje hybridní koncepce s ultrazvukovou asistencí (například Ultrasonic 85 a Ultrasonic 260), užívanou pro obrábění obtížně obrobitelných materiálů. Ovládání otáček nástroje je nadřazen systém induktivního aktuátoru s přídavnou oscilační pohybovou kinematikou v podélném směru. Tím se dosahuje významného snížení nutné síly až o 40 %, čistší řezné hrany a brání delaminaci a štěpení vláken a spolu se současným zvýšením posuvu i vyšší výkonnosti.

Zpracování kompozitů klade vysoké požadavky na vývoj strojů; kombinace různých materiálů s extrémně anizotropním chováním materiálu žádá optimalizaci všech výrobních dat, nástrojů a výběru chladicích a mazacích kapalin. Vývoj strojů musí brát v úvahu nejen obrábění kompozitů včetně obrábění hran víceosým frézováním, ale též následné operace, jako například lepení a lakování.

Avšak i vlastní obráběcí stroje mohou těžit z aplikací kompozitů; v DMG Mori jsou hledány oblasti, kde jejich nasazení může přinést prospěch. Podle firmy Sauer se prvotní zájem soustřeďuje na pohyb hmot a zvýšení energetické účinnosti s cílem vyšší dynamiky vlivem nižší měrné hmotnosti kompozitových dílů.

Na mezinárodním veletrhu AMB 2014, který se koná 16.–20. září 2014 ve Stuttgartu, představí na 1 300 vystavovatelů své inovace v oblasti technologií obrábění kovů a kompozitů, obráběcích strojů a nástrojů, měřicí techniky a CAD/CAM/CAE softwaru.

Alexandr Abušinov s využitím tiskových informací AMB 2014

abusinov@seznam.cz