Обработка оргстекла
Способы обработки органического стекла
1. Обработка резанием
Для обработки органического стекла (полиметилметакрилат, ПММА) применяются станки, обычно используемые при обработке древесины и металла. Тем не менее, нужно учесть то, что они должны работать на высокой скорости и без вибрации для достижения чистых срезов. Насколько это возможно, все станки, прежде всего шлифовальные и фрезерно-отрезные, должны быть оснащены аспирационными приспособлениями для немедленного отсасывания как образующихся стружек, так и газов.
Для обработки органического стекла особенно пригодны инструменты из высокопрочной стали для скоростного срезания, из твёрдого металла или в особых случаях с алмазным покрытием. Режущие кромки инструмента всегда должны быть остро заточены. Даже незначительно изношенные инструменты приводят к нечистой обработке срезов и вследствие обусловленного трением перегрева могут даже вызывать повреждения обрабатываемой детали или инструмента. Инструменты, которые уже применяли для обработки металлов или древесины, следует применять только после специальной заточки.
Поверхность органического стекла покрывается защитной плёнкой, которую оставляют на обрабатываемой детали во время любой её обработки и использования. Пленку снимают только после произведённого монтажа. Если в каком-либо конкретном случае это невозможно, то с целью предотвращения непреднамеренного нанесения царапин применяют такие соответствующие вспомогательные средства, как тканевые или войлочные подложки.
Разметку или маркировку, например, отверстий для просверливания, отрезных кромок или контуров по возможности необходимо производить на защитном слое. В том случае, если его уже пришлось удалить, маркировки с помощью специальных маркеров наносятся непосредственно на поверхности пластины. Чертилку или кернер следует применять только в том случае, если есть уверенность, что надрезы, произведённые этими инструментами, снова удаляются в процессе последующей обработки. В противном случае, при воздействии нагрузки пластины могут разламываться из-за концентрации напряжений в месте надреза.
1.1 Виды пил
В большинстве случаев для резания орг стекла используются дисковые пилы для прямых разрезов и ленточная пила или фреза для других разрезов. Ручная пила для резки экструзионного органического стекла (ЭОС) не рекомендуется. Для этих же целей может использоваться лазер.
1.1.1 Дисковые пилы
Позволяют производить прямые точные разрезы. Срез распиливаемого стекла получается четким.
1.1.2 Ленточные пилы
Данный тип пилы позволяет производить резку по кривой линии. Однако при этом не удается получить геометрически ровный срез и необходимо произвести значительную доработку для получения абсолютно геометрически ровной поверхности. Метод наиболее подходит для резки заготовок перед формовкой, а также для обработки штампованных деталей по заданному профилю перед доработкой. Ширина ленточного полотна может быть от 3 до 13 мм. Число зубьев должно составлять 3-8 шт/см длины полотна. Скорость срезания может варьироваться между 1000 и 3000 м/мин.
1.1.3 Лобзиковые пилы
При осуществлении последующей обработки, пригонки или вырезания выемок в случае с синтетическими материалами оправдали себя соответствующие лобзиковые пилы. Но при этом кромки среза получаются сравнительно грубыми и требуют последующей обработки. Место распиловки должно надрезаться только при работающем станке. Предпочтительны высокая скорость срезания и средняя скорость подачи режущего инструмента.
1.1.4 Резка при помощи лазерного луча
Данная технология способствует появлению внутренних напряжений, в результате которых возникает чувствительность к растворителям у края разреза.
Таким образом, не рекомендуется производить склеивание поверхностей, разрезанных при помощи лазера.
1.2.Сверление
Наиболее распространённые специальные свёрла и зенкеры :
а) Ступенчатое сверло. Это сверло с одной режущей кромкой обеспечивает получение чистых цилиндрических просверленных отверстий без наличия следов обработки. Каждой следующей ступенью сверла в отверстии снимается фаска.
б) Коническое сверло. Им просверливаются отверстия, имеющие слегка коническую форму, однако растрескивание на выходной стороне исключается.
в) Специальный зенкер. Особенно пригоден для удаления грата уже имеющихся отверстий, хорошего снятия стружки через наклонные отверстия.
г) Фрезерное сверло. С его помощью могут быть хорошо выполнены удлинённые отверстия.
д) Комбинированное сверло-зенковка. Этот многогранный зенкер рекомендуется применять при снятии грата, фасок и зенкеровании.
В случае с любыми специальными свёрлами необходимо следить за безупречным состоянием острия сверла.
За исключением фрезерного сверла при всех других инструментах применяют существенно более медленные скорости вращения, чем при пользовании спиральными свёрлами. А в случае с фрезерным сверлом, наоборот, скорости вращения зачастую превышают 1000 об/мин.
1.3 Нарезание резьбы
При нарезании внутренней и внешней резьбы для всех материалов применяются обычно имеющиеся в продаже метчики и плашки. Вследствие снижения прочности материалов при надрезе резьба не должна иметь острых кромок. Позже при ввинчивании следует не забывать о том, что на соединительных винтах не должно быть масляной плёнки. Отверстия для кернов нужно выполнять с чуть большими размерами, чем в случае со сталью. Во многих случаях может оказаться выгодным усиление внутренней резьбы резьбовой вставкой из металла.
1.4 Резьбовое соединение
В настоящее время резьбовое соединение приобретает разностороннее применение в области переработки полимерных в качестве способа разъемного соединения. Для этой цели применяются винты, как из полимерных материалов, так и из металлов. Выбор материала для винтов зависит от возникающих механических, тепловых и химических нагрузок. Тогда как пластмассовые винты среди всего прочего легки и бесшумны и в большинстве случаев в меньшей степени подвержены коррозии, то при применении металлических винтов могут выдерживаться большие нагрузки. Кроме того, нет необходимости учитывать внутренние напряжения, материал может перенести продолжительное воздействие температур. При применении металлических винтов решающим представляется тепловое расширение или сжатие. Особенно важным при резьбовом соединении считается то, что оно должно обеспечивать герметичность в течение длительного времени. В противоположность этому различие коээфициентов линейного термического расширения органического стекла и металла при падении температур уменьшает фиксирующее усилие и соответственно увеличивает при повышении температур. В этом отношении выравнивания можно достичь при применении подложек из таких совместимых материалов, как СКЭПТ, ПЭ, ПТФЭ и т.д.
1.5 Фрезерование
Данный способ позволяет получить сложные формы, сохранив при этом четкую, гладкую поверхность при обработке. Для данной обработки рекомендуются цилиндрические фрезы с двумя или нескольким канавками из быстрорежущей стали повышенной производительности или карбида. Наилучшие результаты достигаются применением фрез небольшого диаметра (например, цилиндрическая фреза с вырезающим углом ? = 5 °С и вспомогательным углом ? = 10 ° С) и с высокой скоростью вращения (до 1000 об/мин). Скорость вращения зависит от диаметра и количества канавок, при этом целесообразно применять охлаждение струей воздуха. Необходимо предусмотреть удаление стружки.
1.6 Обработка на токарном станке
Органическое стекло может обрабатываться на токарном станке таким же образом, что и твёрдая древесина. Применяются и токарные станки, обычно используемые в металлообработке. В этом случае также очень высоки скорости обработки.
Скорость срезания в 10 раз выше, чем для стали, для достижения безупречного результата решающее значение имеет заточка токарного резца. Особое внимание следует уделять заднему углу. Так же, как при сверлении, соответствующие условия обработки имеют место в том случае, если образуется непрерывная стружка. Такую стружку получают при приведении в соответствие трёх наиболее важных факторов: скорость подвода инструмента, скорость срезания и заточка инструмента.
1.7 Пемзование
Пемзование необходимо для шлифовки грубых поверхностей среза или устранения мелких поверхностных дефектов, таких как царапины. Данный метод требует применения мокрой наждачной бумаги из корунда и производится либо вручную, либо при помощи дисковой полировочной машины или ленточного шлифованного станка. В последнем случае рекомендуемая скорость ленты составляет 10м/сек. Во избежание перегрева материала рекомендуется поливание водой.
1.8 Шлифование
С помощью шлифования и последующего полирования шероховатым и матовым поверхностям кромок среза можно придать зеркальный блеск и прозрачность.
Шлифование можно осуществлять как вручную с помощью обычно имеющейся в продаже шлифовальной бумаги или шлифовального блока с нанесённым на него шлифующим слоем, так и механическим способом на станке. Для шлифования на станке применяются вращающиеся тарельчатые шлифовальные круги, суперфинишные устройства и ленто-шлифовальные станки. При шлифовании следует избегать сильного и длительного нажима, так как в результате могут возникать образующиеся при этом теплота трения, напряжения и повреждения поверхности. Поэтому всегда следует шлифовать с охлаждающей жидкостью.
1.9 Полирование
Очистка поверхности материала производится теплой водой с применением мягкого моющего средства, не содержащего растворителей. Использование абразивных веществ не допускается.
Поскольку войлочная лента, тканевый притир или перчаточная материя представляют собой очень мягкие материалы, то полируемую поверхность необходимо предварительно подвергнуть отделочной обточке. Если это условие не будет выполнено, то поверхность хоть и станет блестящей, но всё же останутся видимыми следы царапин и обработки. При обработке кромок достаточно произвести чистовую обработку циклей.
Кромки и небольшие детали полируются преимущественно на войлочных лентах, так как в этом случае их можно удобно держать и подводить. Обрабатываемая деталь должна постоянно перемещаться по кругу, так что неровности войлочных лент или тканевых пригаров не наносят повреждений материалу. Скорость перемещения войлочной ленты должна составлять приблизительно 20 м/с.
2. Формование
Горячее формование является важнейшим видом переработки акриловых смол, исходным материалом при этом служат главным образом листовые заготовки. Основное преимущество этого способа – возможность получения крупногабаритных изделий с применением простых и дешевых форм. Операция термического формования состоит из трех этапов: нагрев, формовка и охлаждение. При нагреве до соответствующей температуры ОС размягчается до пластичного состояния, при этом можно придать материалу самые различные формы при помощи специальных инструментов. После охлаждения материал вновь приобретает первоначальную жесткость, сохраняя приданную ему форму. При несоответствии детали желаемой форме, ее можно вновь нагреть с целью корректировки только в случае, если ОС получено блочным методом (высокомолекулярное) в отличие от экструзионного ОС.
2.1. Предварительная, горячая сушка.
При хранении стекло поглощает влагу из окружающей среды. Это может привести к образованию дефектов ОС во время тепловой обработки. Поэтому необходимо предварительно просушить листы, с которых снята маскирующая пленка, в конвекционной сушильной камере при Т - 80 ° С в течение 1-2 часов на каждый мм толщины. Как правило, при большом содержании влаги достаточно 24 часа.
Очень перспективным и высокопроизводительным является нагрев при помощи инфракрасного излучения, при котором используются инфракрасные элементы мощностью от 250 до 450 вт, находящиеся на расстоянии 150- 250 мм от поверхности стекла. Время и продолжительность нагрева зависят от способа нагрева.
При обработке деталей с повышенными оптическими характеристиками для нагрева применяется сушильная печь с циркуляцией горячего воздуха. Данный метод позволяет производить регулировку нагрева и поддерживать необходимую температуру нагрева на всей поверхности. Разница температуры превышающая 5 ° С может привести к возникновению значительных напряжений изделия из ЭОС.
2.2 Температура пластического формообразования
Средние значения температур формообразования для экструзионного стекла в зависимости от нагревательного устройства, типа материала и толщины располагаются между 140° С и 170° С . При выборе температуры всегда нужно находиться в интервале 140-180° С и взвешивать преимущества и недостатки, которые влекут за собой различные температурные диапазоны.
Наиболее оптимальными являются следующие температуры формования:
- Экструзионное стекло: 150-160°C
- Литое стекло: 160-175°C
2.3 Условия пластического формообразования
Выбор таких условий термоформования, как скорость формования, степень термоформования (степень вытягивания) и формовочных усилий зависит от наружной формы полупродукта, а также от тех свойств, которыми должно обладать формованное изделие после термоформования.
Скорость формования позволяет судить о том, с какой скоростью можно вытягивать или растягивать материал в высокоэластичном состоянии. При излишне высокой скорости формования существует опасность растрескивания обрабатываемой детали вследствие превышения предела прочности. Кроме того, это может привести к разнотолщинности. С другой стороны, нужно избегать слишком малых скоростей термоформования, чтобы предотвратить охлаждение в процессе работы, излишнее энергопотребление или растрескивание материала.
Скорость формования зависит от материала, от толщины материала и от способа термоформования. Так, экструзионное органическое стекло можно формовать при более высокой скорости, чем блочное органическое стекло.
Степень термоформования позволяет судить о формоизменении, происходящем при термоформовании полупродукта. При обычном способе формовки такое изменение влечет за собой увеличение плошади поверхности при соответствующем уменьшении толщины материала. Степень термоформования определяется как соотношение средних значений толщины материала до и после формования или исходя из увеличения площади поверхности.
При термоформовании следует учитывать, что степень термоформования у всего готового изделия должна оставаться по возможности одинаковой, и таким образом должна быть обеспечена равномерная толщина.
Для изготовления технологической оснастки (матриц, пуансонов), обычно используют древесину, гипс, стеклопластики, стали, алюминий и др. материалы. С целью наиболее эффективного уменьшения напряжений, возникающих в процессе формования, рекомендуется проводить нагрев матриц, крепежных рамок, пуансонов при температуре 70-80 ° С.
Нагретый лист во избежание поверхностных повреждений и сохранения оптических свойств деталей помещается на форму и удерживается на ее поверхности с помощью замши, байки. Процесс формования заканчивают медленным охлаждением отформованной детали.
2.4 Способы пластического формообразования
Существует несколько способов пластического формообразования. Выбор соответствующего способа зависит от:
- формы и размера обрабатываемой детали,
- нужного распределения по толщине стенок,
- числа деталей,
- типа применяемого материала,
- требований к конечному продукту относительно внешнего вида, выдерживания заданных размеров, чёткости контуров и т.д.
- от имеющихся в распоряжении установок штампов и вспомогательных средств.
2.4.1 Свободное втягивание
С целью получения деталей сферической и яйцеобразной форм применяют метод горячей штамповки с растягиванием, помещая лист - заготовку в вакуум – камеру и закрепляя края листа на рамке с помощью диска. В этом случае не возникает соприкосновения или трения с выгнутой частью, благодаря чему можно получить довольно сложные формы.
2.4.2. Свободное вдувание и втягивание в форму
Конструкцией технологической оснастки предусмотрен зажим нагретой заготовки между двумя дисками, один из которых герметично соединен с пневмо - или вакуум-камерой, а второй является формообразующим. Отформованная деталь остывает под давлением (разрежением) до 40-50 ° С. При таком формовании обычно происходит вытяжка материала, сопровождаемая уменьшением толщины в вершине купола изделия, однако это не ухудшает физико – механических свойств материала, что подтверждено практикой.
2.4.3. Вдувание под давлением в вогнутую форму
При работе под давлением необходимо выбирать очень прочные формы (металл, твердая древесина и др.). При пневмоформовании избыточное давлении создается междустеклом и прижимным диском формовочной оснастки. Вентиляционные каналы обеспечивают отток воздуха, регулируя давление формования. Таким образом, получают детали сложной конфигурации, рельефной формы (например, буквы).
2.4.4. Втягивание с помощью пуансона
Пуансон, имеющий форму внутренней поверхности детали, опускается на разогретый лист и деформирует его при небольшом давлении. Возможно также изготовление изделий путем натяжения нагретого листа стекла на пуансон. Нагретая заготовка зажимается по всему контуру в рамки, соответствующие форме пуансона, после чего оно натягивается на пуансон до полного его облегания. Рекомендуется для равномерного растягивания применять контактные смазки формы (парафин, смазки на силиконовой основе).
2.4.5. Сгибание
Процесс заключается в местном нагреве листа толщиной до 6 мм по оси изгиба при помощи одного или нескольких прямолинейных нагревательных элементов.
Например: нагревательный элемент может состоять из никелевой/хромовой нити, удерживаемой в натянутом состоянии при помощи пружины или противовеса при низком напряжении (24 или 48 вольт).
Во избежание возникновения напряжения в зоне сгибания необходимо соблюдать ряд мер предосторожности:
- производить интенсивный нагрев исключительно в зоне сгибания;
- использовать исключительно соответствующие станины для нагрева: наилучший вариант предоставляют станины с регулируемым разводом, позволяющие контролировать ширину зоны нагрева
- зона вне участка нагрева должна быть доведена до температуры порядка 70 ° С во избежание возникновения напряжений, связанных с разницей температур
- чем толще стекло, тем больше должна быть нагреваемая зона. В случае сгибания под прямым углом, ширина указанной зоны должна превышать толщину материала примерно в 5 раз
- довести материал до температуры порядка 130-150 ° С, при которой сгибание можно производить при наименьшей нагрузке . В большинстве случаев при сгибании материала толщиной до 5 мм достаточно одного прибора с нагревающейся нитью и двух водных рубашек. При увеличении толщины материала необходимо использовать 2 прибора, симметрично расположенных с обеих сторон листа
- производить сгибание, избегая интенсивного нагрева материала в частности, используя шаблоны из древесины
- произвести естественное охлаждение материала в форме.
Кроме рекомендуемых методов изготовления изделий из экструзионного стекла возможно получение их комбинированными методами (например, выдувание – втягивание - прессование).
2.5. Меры предосторожности при работе с экструзионным стеклом.
Во избежание возникновения значительных остаточных напряжений в зоне формования стекла необходимо соблюдать меры предосторожности:
- производить интенсивный нагрев только в зоне сгибания
- использовать оборудование для нагрева с регулируемой и контролируемой зоной нагрева. Зона вне участка сгибания стекла должна быть нагрета до температуры 70 ° С
- нанести V – образную канавку при получении острых углов при сгибании материалов большой толщины
- чем толще стекло, тем больше должна быть нагреваемая зона
- материал должен иметь температуру, при которой сгибание может производиться при наименьшей нагрузке (120-140 ° С)
Произвести естественное охлаждение материала в его форме.
Перед контактом с растворителями или использованием в условиях повышенной нагрузки необходимо провести термическую обработку для уменьшения остаточных напряжений (горячую сушку или отжиг).
2.6. Охлаждение
Меры предосторожности при охлаждении:
- для наилучшего сохранения образовавшейся, полученной формы и во избежание деформации изделия необходимо оставить его на матрице до его охлаждения до температуры 70 ° С.
- охлаждение должно быть как можно более продолжительным и однородным во избежание возникновения внутреннего напряжения
- отформованные детали должны быть подвергнуты термическому кондиционированию с целью снижения напряжений перед их взаимодействием с растворителями, краской, липкой лентой
- следует избегать перегрева и переохлаждения изделия и формы, большой скорости растяжения, повышения давления воздуха, соприкосновения формуемого материала с формой перед формованием при высокой температуре.
2.7. Отжиг
При локальном нагревании могут возникнуть внутренние напряжения, которые при последующем применении приводят к образованию так называемых трещин вследствие этих напряжений. Поэтому такие внутренние напряжения существенным образом снимаются в результате термообработки при 60-80?С. Время отжига в зависимости от толщины стенок (от 2 до 6 часов при толщинах от 2 до 20 мм). После отжига произвести естественное охлаждение изделий в термошкафу во избежание возникновения напряжений.
2.8 Стыкование
При стыковании две или несколько обрабатываемых деталей соединяют друг с другом. Такие полупродукты, как пластины, блоки, стержни и трубы могут состыковываться разнообразными способами.
При этом различают два типа соединений:
- неразъёмные соединения
- разъёмные соединения
К неразъёмным способам соединения относятся склеивание, сварка и клёпка, а разъёмные способы соединения - это клеммовое скрепление и резьбовое соединение. То, какой способ соединения следует применять в каждом конкретном случае, зависит от соответствующего характера предъявляемых требований.
3. Склеивание
Склеивание - это чаще всего применяемый способ стыкования. Вследствие физических и химических свойств органического стекла при склеивании друг с другом, изделий из этого материала или при склеивании с другими материалами получаются соединения, которые частично показывают очень высокие параметры прочности. Вместе с тем такие соединения представляются очень привлекательными в оптическом отношении, так как благодаря возможности бесшовного, визуально не различимого склеивания получаются конструктивные детали, которые проявляют себя как цельные.
Качество склеивания зависит главным образом от опыта исполнителя. А поэтому в случае с о способами склеивания каждый раз должны проводиться предварительные испытания.
4. Сварка
Сварка соединяемых поверхностей из полимерных материалов производится в термопластическом состоянии материала, так что и сваривать можно только такие полимерные материалы, которые переводятся в это состояние достаточно высокой вязкости. К ним относятся в большинстве случаев аморфные и частично кристаллические термопласты, поскольку они имеют достаточно высокие значения молекулярной массы. Для этого в особенности подходит экструзионное органическое стекло. Блочное органическое стекло можно сваривать лишь условно при использовании вспомогательных материалов, так как при нагревании с трудом можно достичь удовлетворяющего термопластического состояния. Даже дополнительное повышение температуры не способствует достижению требующегося размягчения, а приводит к деструкции полимера и, соответственно, к образование пузырей вследствие выделения газообразного метилметакрилата.
Тщательный подбор температуры нагревания, давления и времени нагревания представляется необходимым для того, чтобы достичь оптимальных условий сварки полимерных материалов. При слишком длительном воздействии температуры сварки возникает опасность термического повреждения. Следует учитывать также коробление полимерного материала при охлаждении, которое носит более значительный характер, чем у металлов. При охлаждении не следует прибегать к мерам по устранению коробления во избежание возникновения внутренних напряжений, остающихся после сварки, это значит, что недопустимо принудительное охлаждение водой или сквозняком.
5. Окрашивание и меттализация.
При необходимости, оргстекло подвергается меттализации в вакууме, кроме того, блочное оргстекло подвергается поверхностному окрашиванию. Для окрашивания может применяться окраска распылением по поверхностям, прошедшим формовку. Трафаретная печать применяется для абсолютно плоских поверхностей.
Порядок окрашивания:
Предварительно необходимо обязательно опробовать краситель на обрезке стекла с целью исключения химического воздействия, если не произошло каких либо изменений со стеклом (вздутие, растворение, трещины,), то считают, что краску можно использовать. Не рекомендуется использовать красители в состав которых входят активные растворители для оргстекла.
Окрашивание формованных изделий происходит после снятия напряжений в изделиях (отжига).
1. Процесс проводят в чистом помещении. Наличие пыли отрицательно скажется на качестве окраски: даст матовую поверхность, не прокрашенные точки
2. Поверхность стекла тщательно протирают специальным антистатиком для органического стекла. Сушат. На поверхности не должно оставаться ворсинок, пылинок.
3. При окрашивании баллончик с краской держат на расстоянии 20-25см над поверхностью стекла и равномерно распыляют краску.
4. Необходимо первому слою дать высохнуть и затем, при необходимости, напылить еще раз.
Отсутствие пыли во время всего процесса окрашивания и сушки очень важно.
Таблички, окрашенные по такой методике, качественными красителями сохраняют свои эстетические свойства до 3-х лет.
6. Химическая стойкость.
Оргстекло обладает хорошей водостойкостью, хорошей устойчивостью по отношению к щелочам и водным растворам неорганических солей, но некоторые разбавленные кислоты (цианистоводородные и фтористоводородные кислоты), а также концентрированные серная, азотная и хромовые кислоты воздействуют на оргстекло.
Химическая стойкость оргстекла, приводимая в таблицах обычно учитывает стойкость материалов, блочного и экструзионного ОС при взаимодействии с различными средами при комнатной температуре в течение различного времени до одного года и более. Результат считается удовлетворительным, если испытуемые образцы - (неокрашенные пластины) - не проявляют явных изменений, таких как вздутие, растворение, трещины, расслаивание, охрупчение. Возможное появление незначительной окраски не является основанием для рассмотрения продукции как поврежденной.
