Odbarwienie powierzchni tworzyw sztucznych po obróbce CNC

Jednym z problemów występujących podczas frezowania, wiercenia i innych operacji skrawania tworzyw jest odbarwienie powierzchni, określane również jako wybielenie. Może ono przyjmować postać jasnych smug, białych plam, zmętnienia lub mlecznego zabarwienia, szczególnie w pobliżu krawędzi, otworów i miejsc przejścia narzędzia. Odbarwienie może pojawić się bezpośrednio podczas obróbki lub dopiero po pewnym czasie i nie zawsze jest jedynie wadą estetyczną. Może wskazywać na naprężenia szczątkowe, mikropęknięcia lub zmiany w mikrostrukturze materiału. Jego przyczyną bywają m.in. wysoka temperatura i obciążenia mechaniczne, niewłaściwe parametry obróbki, stan narzędzia, chłodziwo, wilgoć w materiale oraz sposób mocowania elementu.

Najważniejsze informacje

• Odbarwienie tworzywa po obróbce CNC może mieć postać białych plam, smug, zmętnienia lub mlecznego zabarwienia powierzchni.
• Przyczyną mogą być m.in. nadmierna temperatura, naprężenia mechaniczne, niewłaściwy posuw, zużyte narzędzie lub źle dobrane chłodziwo.
• Bielenie powierzchni nie zawsze jest wyłącznie problemem estetycznym – może wiązać się z mikropęknięciami, naprężeniami szczątkowymi lub zmianami w strukturze materiału.
• Parametry obróbki należy dobierać indywidualnie do rodzaju tworzywa, geometrii narzędzia i wykonywanej operacji.
• W ZMZ wykonujemy obróbkę CNC tworzyw sztucznych, wykorzystując m.in. frezowanie, toczenie i wiercenie, zarówno przy zamówieniach jednostkowych, jak i seryjnych.

Gdzie pojawia się odbarwienie?

Charakter i miejsce występowania wybielenia mogą pomóc w określeniu jego przyczyny. Najczęściej występują:

• miejscowe, mętne odbarwienie – pojawia się w strefie pracy narzędzia i może wynikać z nadmiernego wzrostu temperatury,
• bielenie krawędzi – widoczne głównie na narożach, cienkich ściankach i krawędziach otworów, szczególnie narażonych na koncentrację naprężeń,
• odbarwienie naprężeniowe – może pojawić się dopiero po kilku godzinach lub dniach wskutek naprężeń szczątkowych w materiale,
• odbarwienie spowodowane uszkodzeniem mechanicznym – powstaje m.in. podczas mocowania, wyjmowania z uchwytu lub transportu elementu.

Przed zmianą parametrów CNC warto więc sprawdzić lokalizację i kształt białych śladów, ich związek ze ścieżką narzędzia oraz moment pojawienia się wady.

Dlaczego odbarwienie w ogóle występuje podczas obróbki CNC?

Bielenie powierzchni nie powstaje przypadkowo. Jest skutkiem zmian zachodzących w strukturze polimeru pod wpływem temperatury, naprężeń mechanicznych lub oddziaływania czynników chemicznych.

Naprężenia mechaniczne i mikropęknięcia naprężeniowe

Polimery składają się z długich, splątanych łańcuchów molekularnych. Podczas obróbki CNC nadmierne miejscowe obciążenie może powodować ich rozciąganie i powstawanie mikroskopijnych uszkodzeń naprężeniowych. Tworzące się mikroprzestrzenie rozpraszają światło, przez co powierzchnia jest postrzegana jako biała lub mętna. Zjawisko to często występuje w tworzywach amorficznych, takich jak poliwęglan (PC), polimetakrylan metylu (PMMA) czy polistyren (PS). Po zakończeniu skrawania w materiale mogą pozostać naprężenia szczątkowe, prowadzące do zmian jego mikrostruktury. Z tego powodu odbarwienie może pojawić się dopiero po pewnym czasie.

Odbarwienie wynikające z temperatury

Tworzywa sztuczne zachowują się podczas obróbki inaczej niż metale m. in. ze względu na znacznie mniejszą przewodność cieplną. W przypadku metali duża część ciepła powstającego podczas skrawania może zostać szybko odprowadzona ze strefy kontaktu narzędzia z materiałem. Tworzywa znacznie łatwiej zatrzymują ciepło w bezpośrednim sąsiedztwie krawędzi skrawającej. Przekroczenie temperatury zeszklenia prowadzi do zwiększenia ruchliwości łańcuchów polimerowych i zmian struktury materiału. Podczas chłodzenia mogą powstać mikroskopijne niejednorodności i pustki wpływające na rozpraszanie światła. Jeżeli temperatura wzrośnie jeszcze bardziej, może dojść do miejscowego nadtopienia powierzchni.

Odbarwienie powstanie, gdy nastąpi degradacja polimeru i rozrywanie jego łańcuchów molekularnych. W jej wyniku powstają produkty gazowe uwięzione pod zestalającą się warstwą powierzchniową. Drobne pęcherzyki gazu ponownie powodują rozpraszanie światła, nadając powierzchni mętny lub białawy wygląd. W przypadku tworzyw częściowo krystalicznych, jak POM, PA czy PE może występować inny mechanizm. Jeśli temperatura zostanie przekroczona, a następnie materiał gwałtownie schłodzony, może dojść do zaburzeń krystalizacji i powstaną liczne drobne defekty strukturalne. One również wpływają na właściwości optyczne powierzchni.

Niewłaściwa wartość posuwu

Jednym z czynników wpływających zarówno na temperaturę, jak i obciążenia mechaniczne jest posuw. Zbyt mały może powodować, że krawędź skrawająca pozostaje zbyt długo w kontakcie z tym samym obszarem materiału. Narzędzie zaczyna w większym stopniu trzeć o powierzchnię i istnieje ryzyko, że powstanie odbarwienie w wyniku przegrzania i wybielenia powierzchni. Zbyt duży posuw z kolei powoduje wzrost sił skrawania. Jeżeli obciążenie przekracza możliwości prawidłowego skrawania danego tworzywa, to materiał może być rozrywany, zgniatany lub wypierany, zamiast czysto skrawany. Powierzchnia staje się wtedy chropowata i może wykazywać białawe odbarwienie. Dlatego nie istnieje jedna uniwersalna wartość posuwu zapobiegająca bieleniu wszystkich tworzyw sztucznych. Parametr musi być dostosowany między innymi do rodzaju polimeru, średnicy i geometrii narzędzia, liczby ostrzy, prędkości obrotowej wrzeciona, głębokości skrawania oraz rodzaju wykonywanej operacji.

Zużycie i niewłaściwa geometria narzędzia

Bezpośredni wpływ na jakość powierzchni obrabianego tworzywa ma również stan krawędzi skrawającej narzędzia. Kiedy jest stępiona, traci stopniowo zdolność czystego oddzielania materiału. Odbarwienie pojawia się, gdy zamiast efektywnego skrawania narzędzie zaczyna coraz intensywniej ściskać tworzywo, odkształcać i trzeć o jego powierzchnię. Prowadzi to jednocześnie do zwiększenia sił skrawania, wzrostu temperatury, odkształcenia warstwy powierzchniowej, zwiększenia naprężeń szczątkowych czy do ryzyka powstawania mikropęknięć. Wszystkie te zjawiska mogą przyczyniać się do pojawienia się białych obszarów.

Problemem może być również zastosowanie narzędzia o geometrii przeznaczonej przede wszystkim do obróbki metali. Tworzywa sztuczne wymagają bardzo ostrych krawędzi skrawających oraz geometrii umożliwiającej sprawne oddzielanie i odprowadzanie wióra przy możliwie małym tarciu.

Chłodziwa i środowiskowe pękanie naprężeniowe

Nie tylko mechaniczne lub cieplne oddziaływanie narzędzia może być przyczyną tego, że w trakcie obróbki tworzyw sztucznych powstanie odbarwienie. Znaczenie ma również kontakt tworzywa z substancjami chemicznymi stosowanymi podczas i po obróbce. Komponenty mogą mieć kontakt z chłodziwami, środkami smarnymi, preparatami odtłuszczającymi i rozpuszczalnikami używanymi podczas czyszczenia. Jeśli po obróbce w materiale pozostają wysokie naprężenia szczątkowe, kontakt z niekompatybilną substancją może doprowadzić do środowiskowego pękania naprężeniowego. W wyniku tego, substancja chemiczna może przenikać pomiędzy łańcuchy polimerowe i osłabiać występujące między nimi oddziaływania. W konsekwencji zgromadzone naprężenia mogą doprowadzić do powstawania gęstej sieci mikroskopijnych pęknięć. Te z kolei rozpraszają światło i powodują białawe i zmatowiałe odbarwienie. Przy doborze chłodziwa warto uwzględnić jego zgodność chemiczną z konkretnym tworzywem, a nie wyłącznie skuteczność chłodzenia.

Wilgoć i higroskopijność tworzywa a odbarwienie

Niektóre tworzywa sztuczne mogą pochłaniać wilgoć z otoczenia. Dotyczy to głównie PA, a w określonym stopniu również PC i ABS. Obecność wilgoci może wpływać na właściwości optyczne materiału oraz jego zachowanie podczas obróbki. Miejscowa różnica współczynnika załamania światła może powodować powstawanie mlecznobiałego wyglądu.

Problem może również wynikać z pozostałości chłodziwa na bazie wody. Jeśli przedostanie się ono do istniejących mikropęknięć lub mikroporów, po odparowaniu wody na powierzchni mogą pozostać widoczne białe osady. W takich przypadkach odbarwienie może mieć niewyraźne granice, przypominać zacieki po wodzie, a ich wygląd może się zmieniać wraz z upływem czasu.

Odbarwienie tworzyw sztucznych po obróbce CNC – FAQ