Materiały konstrukcyjne niemetalowe – rodzaje, właściwości, zastosowanie

Materiały konstrukcyjne niemetalowe, przede wszystkim kompozyty i ceramika techniczna, pozwalają zmniejszać masę konstrukcji bez rezygnacji z wymaganych parametrów mechanicznych. Dlatego zastępują część metali w lotnictwie, motoryzacji i e-mobilności. Ich obróbka skrawaniem wymaga jednak uwzględnienia rozwarstwiania, ścieralności włókien oraz wysokiej twardości ceramiki.

Podział i charakterystyka materiałów

Materiały niemetalowe stosowane w konstrukcjach mają różną budowę i dlatego odmiennie reagują na obciążenia oraz obróbkę. Kompozyty, takie jak CFK, GFK i laminaty aramidowe, składają się ze zbrojenia włóknistego oraz osnowy polimerowej. Ceramika techniczna, na przykład dwutlenek cyrkonu, nie jest kompozytem polimerowym. Jej właściwości wynikają z twardej, kruchej struktury ceramicznej.

CFK – kompozyt z włóknem węglowym

CFK, czyli tworzywo wzmacniane włóknem węglowym, wyróżnia się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy. W dostarczonych danych wskazano, że jego gęstość może wynosić około 20% gęstości stali, co przy porównywalnej trwałości daje możliwość znacznej redukcji masy. Dokładne parametry zależą jednak od rodzaju włókien, ich ułożenia, udziału zbrojenia i zastosowanej osnowy.

Włókna węglowe są zatopione w tworzywie duroplastycznym lub termoplastycznym. CFK dobrze znosi obciążenia zmęczeniowe i może pracować jako materiał wsporników, elementów karoserii oraz części konstrukcji lotniczych, kosmicznych i medycznych. Ceną za wysokie parametry jest większa złożoność obróbki i wyższy koszt w porównaniu z GFK.

GFK – kompozyt z włóknem szklanym

GFK powstaje przez zatopienie włókien szklanych w osnowie z tworzywa sztucznego. Zapewnia stabilność mechaniczną i jest zwykle tańszy od CFK, dlatego znajduje zastosowanie w wielu konstrukcjach ogólnoprzemysłowych. W porównaniu z kompozytem węglowym oferuje mniej korzystny stosunek parametrów mechanicznych do masy, ale często wystarcza tam, gdzie nie jest wymagana maksymalna redukcja ciężaru.

Kevlar i inne aramidy

Kevlar jest nazwą handlową włókna aramidowego. Aramidy mają niską masę, wysoką wytrzymałość i dużą ciągliwość, a także dobrze pochłaniają energię uderzeń oraz tłumią drgania. Z tego powodu stosuje się je w elementach narażonych na udary, zderzenia i zmienne obciążenia. Ich zachowanie podczas skrawania jest odmienne od zachowania CFK i GFK, ponieważ włókna mogą się strzępić i utrudniać uzyskanie równej krawędzi.

Ceramika techniczna – dwutlenek cyrkonu

Dwutlenek cyrkonu, nazywany też tlenkiem cyrkonu, należy do ceramiki technicznej, a nie do kompozytów wzmacnianych włóknami. Jego najważniejsze cechy to wysoka twardość, odporność na zużycie i stabilność w wymagających warunkach. Materiał wykorzystuje się między innymi w stomatologii do wykonywania implantów, koron, wkładów koronowo-korzeniowych i protez teleskopowych. Wysoka twardość utrudnia obróbkę ubytkową i przyspiesza zużycie narzędzi.

Poniższe zestawienie pokazuje najważniejsze różnice między omawianymi grupami materiałów:

Wyzwania w obróbce skrawaniem

Trudność obróbki kompozytów wynika z połączenia materiałów o różnych właściwościach. Włókna przenoszą obciążenia i zwiększają sztywność, natomiast osnowa utrzymuje je w określonym układzie. Podczas frezowania, wiercenia lub toczenia narzędzie oddziałuje więc jednocześnie na polimer i twarde zbrojenie.

Delaminacja, czyli rozwarstwianie, polega na oddzielaniu się warstw kompozytu. Ryzyko rośnie szczególnie przy wejściu i wyjściu narzędzia, gdy siły skrawania mogą odrywać włókna od osnowy. Skutkiem są zagłębienia, odpryski i postrzępione krawędzie, które obniżają jakość oraz mogą osłabić element konstrukcyjny.

Włókna szklane i węglowe działają na krawędź skrawającą jak materiał ścierny. W przypadku ceramiki podobny problem wynika z jej dużej twardości. Standardowe narzędzia przeznaczone do metali mogą zużywać się zbyt szybko, dlatego trzeba dobrać narzędzie, geometrię i parametry skrawania do konkretnego materiału.

Najczęściej spotykane problemy podczas obróbki obejmują:

• Delaminację przy wchodzeniu i wychodzeniu narzędzia.
• Ścieranie krawędzi skrawających przez włókna szklane i węglowe.
• Strzępienie włókien aramidowych i trudności z uzyskaniem gładkiej krawędzi.
• Przyspieszone zużycie narzędzi podczas obróbki ceramiki technicznej.

Znaczenie ma również rodzaj osnowy. Duroplasty po utwardzeniu nie mięknie ponownie pod wpływem temperatury, natomiast termoplasty mogą zmieniać zachowanie pod wpływem ciepła wytwarzanego w strefie skrawania. W obu przypadkach parametry procesu trzeba dobierać tak, aby ograniczyć siły, drgania i przegrzewanie materiału.

Zastosowania praktyczne

W lotnictwie i kosmonautyce kompozyty pomagają ograniczyć masę elementów płatowca oraz innych części konstrukcyjnych. Mniejsza masa może przełożyć się na niższe zużycie paliwa lub energii, pod warunkiem zachowania wymaganej sztywności, trwałości i odporności zmęczeniowej.

Motoryzacja i e-mobilność wykorzystują CFK oraz GFK między innymi w elementach karoserii, wspornikach i innych częściach konstrukcyjnych. W pojazdach elektrycznych redukcja masy ma znaczenie dla zasięgu, zużycia energii i obciążenia układu napędowego. Wybór między CFK a GFK zależy przede wszystkim od wymaganych parametrów, masy oraz budżetu projektu.

W medycynie i stomatologii wykorzystuje się zarówno kompozyty, jak i ceramikę techniczną. Dwutlenek cyrkonu stosuje się w implantologii i protetyce, gdzie liczą się twardość, odporność na zużycie oraz możliwość wykonania precyzyjnych elementów.

Znaczenie doboru narzędzia

Materiały konstrukcyjne niemetalowe nie tworzą jednej grupy o jednakowym zachowaniu. CFK i GFK wymagają kontroli sił działających na laminat, Kevlar wymaga ograniczenia strzępienia włókien, a dwutlenek cyrkonu stawia przede wszystkim wymagania związane z twardością i kruchością. Dlatego o jakości procesu decyduje dopasowanie narzędzia i parametrów obróbki do struktury materiału, a nie samo zwiększanie prędkości skrawania.

Największą korzyścią materiałów niemetalowych jest redukcja masy przy zachowaniu wymaganych właściwości konstrukcyjnych. Największym wyzwaniem pozostaje obróbka, w której właściwe narzędzie musi odpowiadać zarówno osnowie, jak i zbrojeniu lub strukturze ceramicznej.