دليل قطع لوح ألياف الكربون بـ CNC: الأدوات والطرق والغبار

لماذا يختلف قطع لوح الكربون

لا يُعدّ اللوح المقوّى بألياف الكربون مادة متجانسة مثل المعدن أو الخشب؛ فهو يتكوّن من ألياف صلبة وهشّة داخل راتنج أليَن منها نسبيًا. ويغيّر هذا التركيب سلوك القطع من عدة جوانب (Teti, 2002; Sheikh-Ahmad, 2009):

• الطبيعة الكاشطة: تُفقد ألياف الكربون الحافة القاطعة للأداة حدّتها بسرعة. والأداة الكليلة تسحق المادة بدل أن تقطعها، فتزداد عند الحافة بروزات الألياف وتنسّلها والحرارة.
• شكل الرايش: لا يتكوّن رايش متصل كما في المعادن، بل تتكسر الألياف إلى غبار ناعم وشظايا، وهو ما يؤثر في عمر الأداة وفي السلامة المهنية معًا.
• الطبقات السطحية: في الرقائق (laminate) لا تتماسك الطبقتان العلوية والسفلية مع الطبقات التي تليهما إلا بالراتنج. وقد ترفع قوى القطع هذه الطبقات وتبدأ التفكك الطبقي (أي انفصال الطبقات) عند الحافة.
• الحرارة: يلين الراتنج عند درجات الحرارة المرتفعة. وإذا اقتربت درجة الحرارة في منطقة القطع من درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) للراتنج، ظهرت على الحافة آثار انصهار الراتنج وعلامات احتراق وتلف سطحي.
• اتجاه الألياف: كلما تغيّرت الزاوية بين اتجاه القطع واتجاه الألياف، تغيّرت قوى القطع وجودة الحافة. ولذلك قد تختلف جودة الحافة بين حواف الجزء الواحد.

طرق القطع

التفريز بماكينة CNC

هو الطريقة الأكثر شيوعًا لقطع الأجزاء من لوح الكربون. إذ يمكن تشغيل المحيطات المعقدة والتجاويف والثقوب في تثبيت واحد وبدقة أبعاد عالية. ويتوقف النجاح على الأداة المناسبة ومعاملات القطع الملائمة والشفط الفعّال للغبار.

القطع بنفث الماء الكاشط

يقطع بالماء عالي الضغط وبجسيمات كاشطة؛ فلا ينشأ أثر حراري ويمكن قطع الألواح السميكة. وفي الرقائق قد يحدث تلف بين الطبقات عند النقطة التي يخترق فيها النفث اللوح أول مرة، ولذلك تُوضع نقطة الاختراق في الغالب خارج الجزء أو تُثقب مسبقًا. وقد يظهر على الحافة استدقاق طفيف، وتحتاج الأجزاء المقطوعة إلى التجفيف.

القطع بالليزر

لأن الخواص الحرارية للألياف والراتنج مختلفة جدًا، يؤدي القطع بالليزر إلى انحسار الراتنج على امتداد الحافة ويخلّف تفحّمًا ومنطقة متأثرة بالحرارة. ولذلك لا يُنصح به عمومًا للأجزاء الهيكلية.

الأقراص الماسية والأدوات اليدوية

تصلح للقطع المستقيم وأعمال النماذج الأولية. وتعتمد جودة الحافة إلى حد كبير على المشغّل، ويصعب التحكم في الغبار.

اختيار الأداة

مادة الأداة

• الكربيد المصمت: اقتصادي، لكنه يفقد حدّته بسرعة أمام ألياف الكربون الكاشطة. يناسب الدفعات الصغيرة وعمليات القطع التجريبية.
• الكربيد المطلي بالماس (CVD): يحافظ طلاء الماس على جسم من الكربيد على حدّة الأداة مدة أطول بكثير. وهو الخيار الأكثر شيوعًا في تفريز المواد المركّبة.
• الماس متعدد البلورات (PCD): تتكوّن حوافه القاطعة من رؤوس ماسية؛ وهو طويل العمر ويُفضَّل في الإنتاج المتسلسل، غير أن خيارات الشكل الهندسي فيه أكثر محدودية.

الشكل الهندسي للأداة

• لقمة تفريز انضغاطية (compression): يقطع الجزء السفلي من الأداة للأعلى والجزء العلوي للأسفل. وتدفع منطقتا الحلزون الألياف نحو داخل اللوح فتتركان حافة نظيفة على الوجهين. ويجب أن تقع نقطة الانتقال ضمن سُمك اللوح، ولذلك يُضبط العمق وفق الشكل الهندسي للأداة.
• لقمة تفريز للمواد المركّبة ذات أسنان متقاطعة (diamond-cut / burr): لها أسنان قاطعة صغيرة كثيرة تتكوّن من تقاطع مجارٍ حلزونية يمينية ويسارية. توزّع قوة القطع، وتُستخدم على نطاق واسع في تفريز المواد المركّبة.
• لقمة تفريز القطع للأعلى (up-cut): تُخرج الرايش جيدًا، لكنها قد ترفع الألياف على الوجه العلوي.
• لقمة تفريز القطع للأسفل (down-cut): تترك الوجه العلوي نظيفًا، لكنها قد تسبب تنسّلًا على الوجه السفلي وتكدّس الرايش في مجرى القطع.

يحدد قطر الأداة أصغر نصف قطر لركن داخلي يمكن قطعه: فلا يمكن تفريز ركن داخلي نصف قطره أصغر من نصف قطر الأداة. وتتيح الأدوات صغيرة القطر تفاصيل دقيقة، لكنها أكثر عرضة للكسر وتعمل بمعدل تغذية أقل.

معاملات القطع

يرتبط معدل التغذية وسرعة الدوران والتغذية لكل سن وفق العلاقة التالية:

معدل التغذية (mm/min) = سرعة الدوران (rpm) × عدد الحواف القاطعة × التغذية لكل سن (mm)

إذا كانت التغذية لكل سن (حمل الرايش) منخفضة جدًا، احتكّت الأداة بالمادة بدل أن تقطعها، فترتفع الحرارة وتفقد الأداة حدّتها أسرع. وإذا كانت مرتفعة جدًا، ازدادت قوى القطع فتتنسّل الحافة أو تنكسر الأداة. وتُؤخذ القيم الابتدائية من جداول الشركة المصنّعة للأداة الخاصة بالمواد المركّبة، ثم تُضبط بعمليات قطع تجريبية.

المبادئ العامة:

• يؤدي توقف الأداة في موضع واحد إلى تراكم الحرارة وترك علامات احتراق؛ لذا يُقلَّل زمن التوقف إلى أدنى حد عند الأركان ونقاط الدخول.
• يُفضَّل الدخول المنحدر أو الحلزوني على الغوص العمودي المباشر.
• يؤثر التفريز مع اتجاه التغذية (climb) والتفريز عكس اتجاه التغذية (conventional) في جودة الحافة تأثيرًا مختلفًا؛ فتُقارَن الطريقتان في قطع تجريبي. وحيث تهم دقة الأبعاد، تُتبَع مرحلة التخشين بمرحلة تشطيب خفيفة.
• القطع الجاف مع شفط قوي للغبار ممارسة شائعة. ويبرّد نفخ الهواء الأداة ويزيل الرايش من منطقة القطع.

التثبيت

يجب أن يكون اللوح مستويًا ومسنودًا بالكامل؛ فالاهتزاز يُضعف جودة الحافة مباشرة. والحل الشائع هو لوح التضحية (spoilboard) فوق طاولة تفريغ. وفي القطع بكامل السُّمك تدخل الأداة قليلًا في لوح التضحية.

قد تنفصل الأجزاء الصغيرة في نهاية القطع فتصطدم بالأداة أو تفلت من التفريغ. ولمنع ذلك تُترك ألسنة تثبيت صغيرة على المحيط، أو تُترك طبقة رقيقة في المرحلة الأخيرة ثم يُفصل الجزء لاحقًا. وتُزال آثار الألسنة بالصنفرة أو بمرور تفريز خفيف.

الثقب

الثقب هو العملية التي يحدث فيها التفكك الطبقي أكثر من غيرها في الأجزاء المركّبة. فعند وجه الدخول يسحب المثقاب الطبقات العلوية إلى الأعلى على امتداد مجاريه فيقشّرها، وعند وجه الخروج تدفع قوة الدفع المحورية الطبقات الأخيرة فتفصلها. ويبدأ التفكك عند الخروج حين تتجاوز قوة الدفع قيمة حرجة، ولذلك فإن أي إجراء يخفض قوة الدفع يقلل التلف (Hocheng and Tsao, 2005; Liu et al., 2012).

• استخدموا مثاقب حادة مصممة للمواد المركّبة (مثل الرأس المدبّب brad-point أو الرأس مزدوج الزاوية).
• ضعوا لوحًا داعمًا صلبًا في جهة الخروج.
• خفّضوا معدل التغذية عند اقتراب المثقاب من جهة الخروج.
• للثقوب الكبيرة أو الدقيقة استخدموا الاستيفاء الحلزوني باستخدام لقمة تفريز طرفية؛ فقوة الدفع منخفضة ويمكن ضبط القطر على ماكينة CNC.

في الألواح المنسوجة ثلاثية الأبعاد تربط خيوط الربط الطبقات السطحية بالطبقات التي تليها، مما يقلل ميلها إلى الانفصال. ومع ذلك يبقى استخدام اللوح الداعم والتحكم في التغذية ممارسة سليمة.

إعداد ملف DXF

• احفظوا الرسم بمقياس 1:1 وبوحدة المليمتر.
• ارسموا المحيط الخارجي والثقوب على هيئة خطوط متعددة مغلقة (polyline) أو دوائر. وأزيلوا النهايات المفتوحة والخطوط المتراكبة والخطوط المكررة.
• أعطوا الأركان الداخلية نصف قطر لا يقل عن نصف قطر الأداة. وحيث يلزم ركن داخلي حاد، أضيفوا عند الركن تفريغًا بقطر الأداة (dog-bone).
• يجب أن يكون قطر الثقوب التي تُفرَّز أكبر من قطر الأداة؛ أما الثقوب الأصغر فتُثقب بالمثقاب.
• حدّدوا تفاوتات الأبعاد وجودة الحافة المطلوبة في الرسم أو في ملاحظة الطلب.
• ضعوا الأجزاء ضمن حدود اللوح، واتركوا هامش تشغيل عند حافة اللوح.

السلامة وغبار الكربون

ينطوي الغبار الناتج عن تشغيل لوح الكربون على خطرين منفصلين. الأول كهربائي: فغبار الكربون موصل للكهرباء وقد يسبب دوائر قصر عند وصوله إلى إلكترونيات الماكينة أو وحدات التشغيل أو المقابس. والثاني صحي: فالغبار الناعم قد يكون قابلًا للاستنشاق وقد يهيّج الجلد والعينين.

• اشفطوا الغبار من مصدره بغطاء شفط قريب من الأداة وجامع غبار مزود بمرشح يحتجز الغبار الناعم.
• اقطعوا داخل حجرة مغلقة حيثما أمكن.
• يرتدي المشغّلون وسائل حماية تنفسية للجسيمات من فئة مناسبة (FFP2 أو FFP3)، ونظارات سلامة وقفازات.
• نظّفوا الماكينة ومحيطها بمكنسة شفط مزودة بمرشح بدل الهواء المضغوط، الذي يعيد الغبار إلى الهواء.

اتبعوا قواعد الصحة والسلامة المهنية المتعلقة بالتعرض للغبار المعمول بها في بلدكم؛ وفي تركيا تنظّمها لائحة مكافحة الغبار (Tozla Mücadele Yönetmeliği) والتشريعات ذات الصلة.

الفحص بعد القطع

افحصوا الجزء المقطوع على امتداد حوافه للتحقق من بروز الألياف وتنسّلها وعلامات الاحتراق وارتفاع الطبقات السطحية. وتحققوا من الأبعاد بالقدمة ذات الورنية أو بجهاز قياس الإحداثيات. ويمكن صنفرة الحواف الحادة صنفرة خفيفة؛ وفي الأجزاء التي ستعمل في ظروف رطبة، يقلل إغلاق الحواف بالراتنج من تسرّب الرطوبة. وعند إعداد عيّنات الاختبار يمكن اتباع مبادئ إعداد العيّنات الواردة في ASTM D5687.

في التطبيق العملي

تبلغ أبعاد لوح الكربون الهيكلي OWC 500 × 250 × 6.5 mm، وتبلغ درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) لراتنجه 140 °C؛ ويجب أن تبقى درجة حرارة الحافة أثناء القطع دون هذه القيمة. يمكنكم تشغيل اللوح على معداتكم الخاصة، أو تحميل ملف DXF في خدمة القطع بـ CNC لمعرفة السعر؛ إذ تُقطع الأجزاء من اللوح ثم تُشحن.

الأسئلة الشائعة

المراجع

• Sheikh-Ahmad, J. Y. (2009). Machining of Polymer Composites. Springer.
• Teti, R. (2002). Machining of composite materials. CIRP Annals, 51(2), 611–634.
• Hocheng, H., Tsao, C. C. (2005). The path towards delamination-free drilling of composite materials. Journal of Materials Processing Technology, 167(2–3), 251–264.
• Liu, D., Tang, Y., Cong, W. L. (2012). A review of mechanical drilling for composite laminates. Composite Structures, 94(4), 1265–1279.
• Davim, J. P. (ed.) (2010). Machining Composite Materials. ISTE / Wiley.
• ASTM D5687/D5687M. Standard Guide for Preparation of Flat Composite Panels with Processing Guidelines for Specimen Preparation. ASTM International.
• Tozla Mücadele Yönetmeliği (Dust Control Regulation, Türkiye). Resmî Gazete, 5 November 2013, No. 28812.