W przyszłości laminaty z termoplastycznego włókna węglowego będą mogły być wiercone przy użyciu metod ultraszybkiego posuwu.
Przemysł lotniczy i motoryzacyjny to dwie branże, które najlepiej odzwierciedlają możliwości przemysłowe i kompletność łańcucha dostaw w nowoczesnych dziedzinach przemysłu, obejmujących niezliczone technologie i materiały. Włókno węglowe i materiały kompozytowe są obecnie bardzo popularnym nowym rodzajem materiału w produkcji przemysłowej, zyskującym korzystne zastosowania ze względu na swoje znakomite właściwości mechaniczne. W praktycznych zastosowaniach włókno węglowe służy jako materiał wzmacniający, który można łączyć z różnymi materiałami matrycy, umożliwiając jego przetwarzanie w różne kształty komponentów przemysłowych, z których część może znaleźć zastosowanie w sektorach przemysłu lotniczego i samochodowego.
Obecnie popularne termoutwardzalne włókno węglowe, a w przyszłości także korzystniejsze termoplastyczne włókno węglowe, uważane są za wysokowydajne materiały kompozytowe, które trudno prześcignąć. Jednakże przetwarzanie tych kompozytów z włókna węglowego w gotowe produkty stwarza pewne wyzwania, wymagające koordynacji różnych urządzeń i maszyn. Podstawowe operacje, takie jak wiercenie, cięcie i drążenie, są niezbędne. Nie należy jednak lekceważyć tych podstawowych etapów przetwarzania, ponieważ operacje obróbki są również w istotny sposób powiązane z wydajnością produktów z włókna węglowego. W artykule odniesiono się do międzynarodowej literatury naukowej w celu wprowadzenia metody ultraszybkiego wiercenia posuwowego i porównano ją z dwiema innymi metodami przetwarzania: wibracjami ultradźwiękowymi i cięciem strumieniem wody ze ścierniwem.
Trzy metody wiercenia w laminatach z termoplastycznego włókna węglowego (CF/PA6).
1. Ultraszybkie wiercenie z posuwem (UFFD): Ciepło cięcia i ciepło tarcia mogą prowadzić do stopienia matrycy termoplastycznej, wpływając na wydajność i wyniki wiercenia. Aby zbadać rzeczywiste efekty metody ultraszybkiego wiercenia posuwowego, utrwala się termoplastyczny laminat z włókna węglowego i dobiera prędkości posuwu 3000, 5000 i 7000 mm/min, stosując do pomiaru dynamometr trójskładnikowy.
2.Wiercenie ultradźwiękowe (UVD): W urządzeniu zainstalowany jest piezoelektryczny oscylator kwarcowy zapewniający stałą częstotliwość 70 kHz, umożliwiając obserwację rzeczywistych skutków wibracji ultradźwiękowych podczas wiercenia w termoplastycznych laminatach z włókna węglowego.
3. Wiercenie strumieniem wody ściernej (AWJ): Obróbka strumieniem wody ściernej jest obecnie główną metodą cięcia termoutwardzalnych produktów z włókna węglowego. Trajektoria strumienia wody ma kształt kołowy, a do wiercenia w termoplastycznym laminacie z włókna węglowego stosuje się określone ciśnienie wody, przy czym obserwuje się rzeczywiste efekty.
Demonstracja rzeczywistych efektów wiercenia z ultraszybkim posuwem
1.Porównanie efektów wiercenia: Porównując prędkość posuwu 3000 mm/min z małą prędkością posuwu 50 mm/min, w tym pierwszym przypadku szybciej osiąga się zakończenie cięcia, wyrzucając tylko niewielką ilość wiórów i nie pozostawiając zadziorów w pobliżu wywierconego otworu. Natomiast ta ostatnia wykazuje znaczne odkształcenie w momencie wnikania wiertła w laminat przedni, z większą ilością resztek wiórów i koronowatymi zadziorami wokół otworu. Szczytowy nacisk przy 3000 mm/min jest sześciokrotnie większy od 50 mm/min i osiąga prawie 22N, podczas gdy czas wiercenia wynosi tylko 1/60 tego ostatniego, co znacznie zwiększa wydajność wiercenia i poprawia jakość wiercenia.
2. Rozwarstwienie i zadziory: Obserwacje za pomocą mikroskopu pomiarowego 3D wykazały, że rozwarstwienia i zadziory powstają w stosunku do kierunku wejścia wiercenia, przy czym linią podziału jest 20 µm. Gdy prędkość posuwu wynosi 3000 mm/min, nie obserwuje się rozwarstwiania niezależnie od prędkości wrzeciona. Jeżeli jednak prędkość posuwu przekracza 3000 mm/min, a prędkość wrzeciona przekracza 20 000 min⁻¹, objętość rozwarstwiania wzrasta wraz ze wzrostem prędkości posuwu. Przypisuje się to większemu ciągowi generowanemu przy wyższych prędkościach posuwu.
Dodatkowo wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona zmniejsza się ilość pojawiających się zadziorów. Na podstawie wielu eksperymentów stwierdzono, że przy prędkości posuwu wynoszącej 3000 mm/min i prędkości wrzeciona wynoszącej 20 000 min⁻¹ nie występuje problem rozwarstwiania, przy jednoczesnym zachowaniu mniejszej objętości zadziorów. Ogólnie rzecz biorąc, skutkuje to lepszą wydajnością wiercenia.
3. Porównanie z dwoma pozostałymi metodami wiercenia: Aby lepiej porównać efekty wiercenia, w eksperymencie zaobserwowano obrazy mikroskopowe każdej metody wiercenia. W przypadku ultraszybkiego wiercenia posuwowego (UFFD) każda warstwa włókna węglowego jest wyraźnie widoczna na ściance otworu, natomiast w wierceniu ultradźwiękowym wibracyjnym (UVD) i wierceniu strumieniem wody ze ścierniwem (AWJ) ściany otworu pokrywane są stopioną osnową , co skutkuje bardziej rozmytą powierzchnią. Kiedy obrazy mikroskopowe zostaną powiększone, ściany otworów AWJ wykazują znaczną dyfuzję włókien nylonowych, natomiast krawędzie otworów z UFFD wykazują lepszą jakość. Na podstawie porównania jakości powierzchni otworu, dokładności kształtu i czasu obróbki, wiercenie z ultraszybkim posuwem (UFFD) okazuje się bardziej obiecującą metodą wiercenia w termoplastycznych laminatach z włókna węglowego.
Wiercenie otworów w panelach z termoplastycznego włókna węglowego jest podstawową metodą przetwarzania, umożliwiającą stabilne połączenia z innymi komponentami przemysłowymi i podnoszącą ich wartość handlową. Obecnie powszechne zastosowanie termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego jest wciąż w początkowej fazie, a przygotowanie jednokierunkowych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego stwarza znaczne wyzwania, co od początku ogranicza zastosowanie tych materiałów. Jako jedna z niewielu firm w Chinach zdolnych do niezależnej produkcji jednokierunkowych taśm z ciągłego termoplastycznego kompozytu z włókna węglowego, Zhishang New Materials uważa, że rozwój termoplastycznych włókien węglowych należy rozpocząć od poziomu podstawowego, a postęp technologiczny jest podstawowym warunkiem rozwiązania istniejących problemów.
