Een nis uitsnijden in CNC-kunststofbewerking

Het bewerken van kunststoffen biedt uitdagingen op het gebied van gereedschap, werkopspanning en spaan- (en stof) beheer. (Fotocredits:K&E Plastics.)

Hoewel er voordelen zijn aan het zijn van een niche CNC-machinewerkplaats, kunnen er ook onderscheidende uitdagingen zijn. K&E Plastics in Bennington, Vermont, is een goed voorbeeld.

Zoals de naam van de contractwinkel al aangeeft, richt het zich uitsluitend op het bewerken van technische kunststoffen - zowel thermoplasten als thermoharders - en doet dit sinds Peter Broderson K&E in 1966 oprichtte. Zijn zoon, Eric, is nu bedrijfspresident.

Omdat niet al te veel winkels gespecialiseerd zijn in het bewerken van kunststoffen, waaronder thermoharders zoals G7 en G10 gevuld met schurend glas, is er minder concurrentie in vergelijking met die welke aluminium, staal en andere conventionele metalen bewerken. Onbekendheid met kunststoffen door leveranciers van apparatuur en gereedschap heeft er echter toe geleid dat K&E soms aan zijn lot werd overgelaten om strategieën te bedenken voor het effectief bewerken van die materialen.

Ik leerde over een aantal van die uitdagingen toen ik in 2013 K&E bezocht om mijn eerste verhaal over de winkel te schrijven. De behoefte aan stofafzuiging. De moeilijkheden bij het fixeren van kunststoffen. De gereedschapsproblemen die gepaard gaan met het bewerken van met glas gevulde thermoharders. De lijst gaat maar door…

Hoewel ik K&E niet fysiek opnieuw kon bezoeken voor dit verhaal, stel ik het op prijs om opnieuw verbinding te maken en te horen welke nieuwe technologie en processen de winkel heeft toegevoegd om capabeler en effectiever te worden in het bewerken van kunststoffen. Dit omvat een andere kijk op gereedschap en werkstukopspanning, en het toevoegen van de eerste draaibank van het Zwitserse type om nauwere toleranties en snellere productie te bereiken van complexe onderdelen gemaakt van thermoplasten zoals polyetheretherketon (PEEK) die voorheen op traditionele draaibanken draaiden. Die machine stelde de winkel ook in staat om eerder uitbesteed werk weer in huis te halen.

Nieuwe kansen, nieuwe benaderingen

Aanvankelijk richtte K&E zich op kunststof onderdelen voor uitsluitend elektrische toepassingen, gezien de uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen van de materialen (zie kader hieronder). Toen Broderson 27 jaar geleden het bedrijf van zijn vader overnam, probeerde hij het bedrijf te diversifiëren door zich toe te leggen op niet-elektrische toepassingen in de medische en ruimtevaartindustrie. Tegenwoordig streeft het ook naar kansen in nieuwe energietechnologieën, zoals elektrische voertuigen, brandstofcellen en energieopslag. De winkel is gecertificeerd volgens ISO 9001:2015, heeft International Traffic in Arms Regulations (ITAR)-registratie en is gecertificeerd als onderdeel van het Joint Certification Program (JCP), waardoor het geheime verdedigingswerk kan winnen. Het is ook gecertificeerd met het Historically Underutilized Business Zones (HUBZone)-programma dat kleine bedrijven in stedelijke en landelijke gemeenschappen helpt bij het verkrijgen van preferentiële toegang tot federale inkoopmogelijkheden.

K&E bewerkt alleen kunststoffen (inclusief thermoplasten en thermoharders ) voor industrieën zoals elektriciteit, ruimtevaart en medisch. Het ziet ook kansen in nieuwe energietoepassingen, zoals brandstofcellen, elektrische voertuigen en energieopslag.

De 30.000 vierkante meter grote faciliteit van de winkel omvat een reeks CNC-routers, VMC's en draaibanken - 28 in totaal. De meeste hiervan zijn Haas Automation-modellen. De Zwitserse draaibank die hij in 2018 kocht, is een Tsugami S205-model (daarover later meer). Afhankelijk van het materiaal kunnen deze onderdelen machinaal bewerken met koelvloeistof of drogen met behulp van koudeluchtpistolen om snijbewerkingen af ​​te koelen en spanen te helpen breken.

Koelvloeistoffen worden soms gebruikt voor niet-gevulde thermoplasten. Koelvloeistoffen op oliebasis kunnen niet worden gebruikt omdat ze het plastic vaak aantasten. In plaats daarvan gebruikt K&E koelvloeistoffen op waterbasis, zoals Trim Microsol 585XT van Master Fluid Solutions. Er wordt gezegd dat dit een zeer smerende, semi-synthetische micro-emulsie-koelvloeistof is die een langere levensduur van de carter biedt en een betere schuimbeheersing dan de vorige generatie semi-synthetische materialen.

De winkel van K&E onderscheidt zich doordat het kanalen heeft apparatuur die kunststoffen droog machinaal bewerkt, aansluit op een van de twee centrale stofopvangsystemen.

Veel thermoharders worden echter droog machinaal bewerkt. Deze materialen zijn vaak gevuld met glas of andere schurende materialen die bij het machinaal bewerken stof veroorzaken. Effectieve stofafzuiging is absoluut noodzakelijk om een ​​schone werkomgeving te behouden en de levensduur van de bewerkingsmachines te verlengen. Het leidingwerk dat wordt gebruikt voor het verzamelen van stof, geeft de winkel zelfs een aparte uitstraling.

Kanalen worden naar de werkzone geleid van elk apparaat dat plastic onderdelen droog maakt. De winkel heeft onlangs zijn tweede stofopvangsysteem van 18.000 cfm toegevoegd, waardoor het mogelijk is om maar liefst 12 bewerkingscentra toe te voegen aan droge machineonderdelen.

De winkel heeft onlangs zijn tweede 18.000-cfm geïnstalleerd stofopvangsysteem, waardoor het mogelijk is om maar liefst 12 extra bewerkingscentra toe te voegen om kunststoffen droog te bewerken.

Warmte is het grote probleem bij het bewerken van kunststof. Materiaalverbranding is mogelijk wanneer gereedschappen te snel worden gebruikt. Bovendien kan machinaal bewerkt materiaal zonder effectieve spaanafvoer opnieuw aan het werkstuk worden gelast. De geometrie van de gereedschapsgroef speelt een sleutelrol bij het verwijderen van spanen en weg van het werkstuk, net als koudeluchtstralen. Thermohardende laminaten zoals G7 en G10 zijn echter ook gevoelig voor delaminatie, afhankelijk van de hechtsterkte van de hars en hoe de onderdelen zijn bewerkt.

Thermoplastische kunststoffen worden gewoonlijk bewerkt met koelvloeistoffen op waterbasis . Op petroleum gebaseerde koelvloeistoffen kunnen het plastic materiaal aantasten.

De winkel maakt sinds kort gebruik van snijgereedschappen van Datron Dynamics. Een voorbeeld is een gepolijste, enkelvoudige hardmetalen vingerfrees met een diameter van 6 mm. Volgens het bedrijf levert een meertraps slijpproces scherpe, gepolijste randen op voor braamvrij bewerken, waardoor de noodzaak om onderdelen met de hand af te werken wordt verminderd of geëlimineerd.

Een andere zijn hardmetalen vingerfrezen met amorfe diamantcoating voor composieten van Harvey Tool. Deze zouden zeer geschikt zijn voor het voorbewerken en semi-nabewerken van composietmaterialen met een hoge vezel- of vulconcentratie, zoals G10 en FR4, dankzij de geoptimaliseerde geometrie met spaanbrekers die vezels efficiënt afschuiven en spanen verkorten voor een betere spaanafvoer.

Bovendien gebruikt K&E nu indien nodig pistoolboren van Sterling om herhaaldelijk nauwkeurige, diepe gaten met hoogwaardige oppervlakteafwerkingen te produceren.

De werkplaats begint ook te standaardiseren op het PowRgrip gereedschapsopnamesysteem van Rego-Fix voor zijn bewerkingscentra. De reden hiervoor is dat conventionele gereedschapshoudersystemen leidden tot een uitloop van maar liefst 0,002 inch, wat niet acceptabel was voor onderdelen met zeer krappe toleranties. "Nu zitten we op 4 tienden uitloop", zegt Broderson, "waardoor we betere oppervlakteafwerkingen en minder gereedschapsslijtage hebben, terwijl we de vereiste bewerkingstoleranties bereiken."

De winkel is begonnen met het standaardiseren van gereedschaphoudersystemen in waarbij een hydraulische pers spantangen in de houders plaatst of verwijdert. Elke spantang heeft een ondiepe, zelfborgende conus en wordt met 9 ton kracht in de gereedschapshouder gedrukt. Broderson zegt dat deze houders een betere rondloop en stijfheid bieden in vergelijking met traditionele modellen.

Dit systeem bestaat uit nauwkeurige gereedschapshouders in de vorm van een spantang en een hydraulische tafelpers die wordt gebruikt om spantangen in of uit de houders te halen. De spantang heeft een ondiepe, zelfborgende conus en wordt met 9 ton kracht in de gereedschapshouder gedrukt. Het heeft ook een vierkante schouder die contact maakt met de gereedschapshouder wanneer deze wordt ingedrukt. Dit positieve stopontwerp maakt het gebruik van een ingebouwde reserveschroef mogelijk om de gereedschapslengte nauwkeurig in te stellen. Deze gereedschapshouders hebben hoge klemkrachten en trillingsdemping, en een totale uitloop van de indicator (TIR) ​​van ≤ 3 micron bij een lengte-diameterverhouding van 3:1. Rego-Fix zegt dat dit gereedschapsopnamesysteem ook snellere en veiligere gereedschapswisselingen mogelijk maakt dan krimpsystemen. De montage van een nieuw gereedschap duurt naar verluidt minder dan 10 seconden. "Onze winkel heeft momenteel ongeveer 800 van deze gereedschapshouders, maar we blijven er meer toevoegen", zegt Broderson.

Voor het vasthouden van werkstukken gebruiken sommige machines vacuümklauwplaten om het wisselen te versnellen en gereedschap toegang te geven tot vijf zijden van een onderdeel. Evenzo is K&E begonnen met het gebruik van gewone funderingsplaten met daarop Chick-bankschroeven. Broderson zegt dat, omdat de Chick-bankschroeven een betere herhaalbaarheid van de positionering bieden en de platen op een gemeenschappelijke locatie worden geïnstalleerd, sonderen tijdens opstellingen niet nodig is in plaats van wanneer de winkel de bankschroeven eenvoudig aan machinetafels vastschroeft. De winkel bewaart en bewaart ook bankschroefbekken voor gebruik wanneer taken worden herhaald.

Om de spindel-uptime voor deze VMC te verhogen, heeft K&E een palletwisselsysteem toegevoegd, zodat taken offline kunnen worden ingesteld terwijl een andere nog in de machine wordt voltooid. Het heeft hetzelfde gedaan voor twee andere VMC's.

Om de uptime van de spindel voor drie van zijn VMC's te maximaliseren, heeft K&E aan elk een Midaco-palletwisselaar toegevoegd. Hierdoor kan elke machine doorgaan met het uitvoeren van een taak terwijl nieuw materiaal buiten de machine op de pallet wordt vastgezet. Zodra een taak is voltooid, wordt de pallet naar buiten geschoven en een nieuwe met de volgende taak naar binnen.

Waarom een ​​Zwitsers type toevoegen?

Broderson zegt dat K&E, voordat hij een paar jaar geleden de S205 toevoegde, werk had verricht om machinewerkplaatsen te schroeven voor bepaalde klussen. In de loop van de tijd bleef het bedrag van dat uitbestede werk toenemen. Bovendien waren de uitvalpercentages of afkeuringen voor krap getolereerde klussen die op sommige van zijn bende-tool-draaibanken draaiden soms hoger dan hij zou willen. De winkel stelde vast dat een Zwitsers type met kenmerkend geleidebusontwerp en multifunctionele mogelijkheden de vereiste nauwkeurigheid zou opleveren en de winkel in staat zou stellen dat werk in huis te houden.

De Tsugami S205 met een capaciteit van 20 mm staafdiameter en Edge Technologies Minuteman 320 SE staafaanvoer werd gekocht via de Tsugami/REM Sales-distributeur, The Robert E. Morris Company. John Ricardi, accountmanager van het bedrijf, zegt dat de machine een koelmiddeltoevoersysteem van 1000 psi bevatte (voornamelijk voor spaanbeheersing), evenals een nevelopvangeenheid, een spaantransportband, een speciale goot voor het ontvangen van lange onderdelen uit de subspil en een converteerbare/spankopconversie vermogen.

De staafaanvoer is 10 meter lang staven zorgen ervoor dat het eerste Zwitserse type van de winkel langere tijd zonder toezicht kan draaien dan de staafaanvoer op de draaibanken van het bendetype met staven van 1,2 meter lang.

Misschien wel het grootste verkoopargument voor deze machine is dat deze is ontworpen om te werken met koelvloeistof op waterbasis om de plastic werkstukken niet aan te tasten zoals koelvloeistof op oliebasis zou doen. Ricardi zegt dat positieve luchtdruk voor gereedschapshulpstukken en spindels voorkomen dat koelvloeistof de lagers binnendringt en hun smeerolie wegspoelt. Daarnaast wordt in de staafaanvoerkanaalsets ook smering op waterbasis gebruikt.

Het Zwitserse type wordt gebruikt voor onderdelen die zeer krappe toleranties vereisen. Broderson zegt dat gereedschapsdruk kan leiden tot conische vorming bij het draaien van plastic onderdelen op conventionele draaibanken. De kenmerkende geleidebus van het Zwitserse type biedt de ondersteuning bij de snede om dit probleem te elimineren. Bovendien herhaalt de machine zich heel goed, zegt hij. Als een proces eenmaal is ingevoerd, is er geen proces meer voor knippen, meten en herhalen. Bovendien heeft de staafaanvoer de capaciteit om staven van 12 voet lang te gebruiken. K&E gebruikt gewoonlijk staven van 10 voet lang, wat langere stukken onbeheerd machinaal bewerken mogelijk maakt in vergelijking met conventionele draaibanken met staafaanvoer van 1,2 voet. Voor materiaal zoals PEEK bestelt het doorgaans barstock grond tot +0,002” / -0”.

De Zwitserse draaibank, die draait met op water gebaseerde koelvloeistof, zou naar verluidt nauwere toleranties en verbeterde productie bereiken voor thermoplastische onderdelen die de winkel voorheen op traditionele CNC-draaibanken met ganggereedschap draaide. De machine stelde de winkel ook in staat om eerder uitbesteed werk weer in huis te halen.

Dat gezegd hebbende, kan de werkplaats de geleidebus verwijderen en de machine bedienen als een conventionele chucker-draaibank, waarbij een taak wordt uitgevoerd met dezelfde bewerkingsaanpak als een standaard draaibank.

Broderson zegt dat een van de grootste leercurves was om te bepalen hoeveel druk op de koelvloeistofpomp met groot volume moest worden gebruikt om spanen te verwijderen en het onderdeel te laten overstromen zonder de afmetingen van het te bewerken onderdeel te veranderen. Als de druk te hoog is, kan de stroom koelvloeistof de afmetingen van kunststof onderdelen veranderen. De winkel kreeg ook te maken met verdraaiing van wat staafmateriaal omdat de spil van de machine zo snel op snelheid kwam. De oplossing daarvoor was om langzamer op snelheid te komen. Een andere uitdaging was om te leren welke functies van het onderdeel konden worden bewerkt en wanneer die in volgorde moesten worden gezet.

Materiële problemen

Een algemene uitdaging waarvan Broderson zegt dat zijn winkel de laatste tijd te maken heeft gehad, is de variabiliteit van plastic materialen. Hoewel hij probeert te kopen van in de VS gevestigde leveranciers, verkopen zelfs sommige van hen materiaal dat in het buitenland is geproduceerd. "We moeten heel specifiek zijn bij het bestellen", zegt hij.

In één voorbeeld bestelde de winkel FR4-materiaal voor een taak, waarbij het bewerkingsproces voor die partij materiaal werd gekozen. Het bestelde vervolgens een andere batch toen de taak terugkeerde. Hoewel die tweede batch echter voldeed aan dezelfde NEMA-classificatie voor elektrische behuizingen, was variatie met de hars en glasvuller voldoende om de snijgegevens en gereedschappen die in de vorige FR4-batch werden gebruikt, niet compatibel te maken met de nieuwe batch. "Twee duizend vasthouden in een materiaal als dit is al moeilijk genoeg, maar variatie tussen batches maakt het nog moeilijker."

Basisprincipes van thermoharders, thermoplasten

K&E heeft 54 ​​jaar ervaring in het werken met technische kunststoffen. De winkel zegt dat thermoharders zeer geschikt zijn voor toepassingen die een hoge hittebestendigheid en elektrische isolatie vereisen. De verknopende polymeren in thermoharders vormen onomkeerbare bindingen, waardoor het risico dat het product smelt als er opnieuw warmte wordt toegepast, wordt geëlimineerd. Ze bieden ook uitstekende slijtage- en maatvastheidseigenschappen terwijl ze lichter zijn dan metalen.

Omdat thermoplastische pellets zacht worden bij verhitting en vloeibaar worden als er extra warmte wordt toegepast, is het uithardingsproces volledig omkeerbaar omdat er geen chemische binding plaatsvindt. Hierdoor kunnen thermoplasten opnieuw worden gevormd en gerecycled zonder de fysieke eigenschappen van de materialen negatief te beïnvloeden. Thermoplasten bieden voordelen, waaronder chemische bestendigheid, slagvastheid, elektrische isolatie, lage vochtopname, lage wrijvingscoëfficiënt, verminderde slijtage van bijpassende onderdelen en eliminatie van smering tijdens de werking van het product.