Il policarbonato viene lavorato con macchine a controllo numerico (CNC) per realizzare componenti di precisione per applicazioni ingegneristiche. Questo termoplastico di qualità ingegneristica offre un'eccezionale resistenza agli urti, fino a 250 volte superiore a quella del vetro . Inoltre, mantiene la stabilità dimensionale a temperature comprese tra -40 °C e 120 °C.
Lavorare il policarbonato significa lavorare un materiale che unisce la trasparenza ottica alla resistenza meccanica. È naturalmente trasparente e può trasmettere fino al 90% della luce visibile. Il materiale può essere lavorato in modo pulito con utensili e parametri di taglio adeguati.
Tuttavia, durante la lavorazione si dovranno affrontare sfide specifiche. Il policarbonato genera calore significativo. Pertanto, richiede un'attenta evacuazione dei trucioli e una gestione adeguata del refrigerante. La natura igroscopica del materiale richiede uno stoccaggio adeguato per evitare l'assorbimento di umidità. Le tensioni interne possono causare cricche se non si controllano gli avanzamenti e la geometria dell'utensile.
Gli ingegneri spesso preferiscono il policarbonato CNC per coperture protettive, alloggiamenti per dispositivi medici e componenti automobilistici. Può raggiungere tolleranze ristrette, in genere ±0.05 mm, con attrezzature di lavorazione standard. Gli utensili in metallo duro affilati e le velocità di taglio moderate prevengono la fusione e la formazione di resina. Approfondiamo i dettagli sulla lavorazione CNC del policarbonato, le sue leghe e le sue proprietà.
Cos'è il policarbonato CNC?
Il policarbonato CNC è un materiale termoplastico in policarbonato modellato tramite lavorazione a controllo numerico computerizzato. Il materiale presenta un'elevata flessibilità che lo rende praticamente indistruttibile. Può resistere a impatti 250 volte superiori a quelli del vetro. Rimane trasparente anche quando forze che romperebbero la maggior parte delle plastiche tentano di romperlo. Questa combinazione lo rende particolarmente utile quando il progetto richiede sia resistenza che trasparenza.
In questo processo, una fresa rotante rimuove il materiale con una precisione di pochi micron. È possibile programmare percorsi utensile precisi che tagliano lastre o barre di policarbonato grezzo nella forma desiderata. La lavorazione CNC consente di adattare il progetto senza dover acquistare costosi utensili, a differenza dello stampaggio. È possibile realizzare 10 o 1000 pezzi con lo stesso livello di precisione.
La scelta del grado dipende dall'applicazione specifica. Può sopportare temperature elevate da -40 °C a 120 °C , il che è importante per applicazioni esterne e nel settore automobilistico. Tuttavia, può assorbire lo 0.15% di umidità, quindi è prevedibile una leggera variazione dimensionale. Ha una resistenza alla trazione di 65 MPa, che lo rende sufficientemente robusto per resistere in aree a parete sottile.
È ampiamente utilizzato per proteggere dispositivi elettronici delicati in luoghi difficili. Le aziende mediche lo utilizzano per realizzare camere per fluidi e alloggiamenti sterilizzabili. Inoltre, viene utilizzato negli interni aerospaziali per finestre e barriere di sicurezza.
Panoramica delle proprietà dei materiali
Comprendere le caratteristiche del policarbonato aiuta a prendere decisioni progettuali ottimali. Di seguito, riportiamo una tabella che presenta le principali proprietà fisiche e chimiche a cui fare riferimento durante la specifica.
| Proprietà | Valore | Unità |
| Proprietà fisiche | ||
| Densità | 1.20 | g / cm³ |
| Resistenza alla trazione | 60-70 | MPa |
| Modulo a flessione | 2,300 | MPa |
| Resistenza all'impatto (Izod) | 600-850 | J / m |
| Temperatura di transizione del vetro | 147 | ° C |
| Temperatura di servizio continuo | 115-120 | ° C |
| Trasmissione di luce | 88-90 | % |
| Indice di rifrazione | 1.586 | - |
| Assorbimento d'acqua (24 ore) | 0.15 | % |
| Proprietà chimiche | ||
| Formula chimica | (C₁₆H₁₄O₃)ₙ | - |
| Rigidità dielettrica | 16-18 | kV / mm |
| Grado di infiammabilità | Da V-2 a V-0 | UL94 |
| Resistenza agli acidi | povero | - |
| Resistenza agli alcali | Moderato | - |
| Resistenza ai solventi | povero | - |
Tipi di policarbonato CNC comunemente utilizzati
In questa sezione sono riportati alcuni dei gradi di policarbonato più comuni, utili per la lavorazione meccanica.
Policarbonato per usi generali
Questi tipi di acciaio vengono utilizzati negli oggetti di uso quotidiano. La loro lavorazione richiede una velocità di circa 200-400 m/min con un minimo accumulo di calore. Inoltre, consentono il passaggio del 90% della luce e sono in grado di resistere a impatti di 600-850 J/m. Quando si necessita di prestazioni affidabili senza spendere troppo, il costo è generalmente inferiore del 30-40% rispetto ai tipi di acciaio speciali.
Policarbonato riempito di vetro
L'aggiunta di fibra di vetro al policarbonato trasforma il materiale di base in una struttura resistente in grado di sopportare carichi pesanti. L'aggiunta di vetro rende il materiale 3 volte più rigido e ne riduce la dilatazione termica a 2–3 × 10⁻⁵/°C. Il rinforzo consente di realizzare progetti con pareti più sottili, riducendo il peso dal 25% al 35%. Durante la lavorazione, le fibre di vetro generano calore elevato e raggiungono temperature ben superiori a 300°C. Ciò può influire sulla durata degli utensili.
Policarbonato di grado meccanico
Il policarbonato di grado meccanico può sopportare sollecitazioni interne che spesso causano crepe. Il materiale è stato precondizionato con orientamento molecolare controllato. Questo orientamento mantiene il materiale dimensionalmente stabile durante i cicli termici. Questo grado ha tolleranze di ±0.013 mm su campate di 300 mm e non vi è alcun rilascio di sollecitazioni dopo la lavorazione. Quando i componenti richiedono una precisione micrometrica, è un'opzione ideale. Il suo utilizzo è comune nella produzione di dispositivi medici e componenti ottici.
Policarbonato AMGARD™
Il policarbonato AMGARD™ previene le minacce balistiche mantenendo al contempo la trasparenza per motivi di sicurezza. Lo spessore, da 19 a 76 mm, viene scelto in base al livello di minaccia, che può variare da una pistola calibro 9 mm a un fucile calibro 7.62 mm . La struttura a strati del materiale assorbe gradualmente l'energia dell'impatto, impedendo la scheggiatura sul lato protetto. Viene utilizzato da banche, ambasciate e veicoli blindati. In queste applicazioni, la sicurezza delle persone dipende dalle prestazioni della barriera trasparente.
TUFFAK Policarbonato
Il policarbonato TUFFAK ha dimostrato di durare decenni sul campo e presenta moderni strati protettivi coestrusi. È dotato di speciali assorbitori UV che impediscono l'ingiallimento per oltre 10 anni all'esterno. Il rivestimento resistente ai graffi ha una durezza pari a 3H, importante per le applicazioni di vetrate soggette a forte traffico. TUFFAK è un'ottima scelta quando i costi di sostituzione sono superiori a quelli del materiale originale. Questo vale per le coperture degli stadi, le protezioni per macchinari e le pensiline di transito.
Vantaggi e limiti della lavorazione CNC del policarbonato
La lavorazione CNC del policarbonato consente di realizzare componenti precisi senza richiedere costosi stampi. Tuttavia, presenta alcune limitazioni durante il taglio. È necessario valutare le sue eccellenti qualità rispetto ai limiti della lavorazione per valutare se è adatto alle proprie esigenze.
Pro
Eccezionale resistenza agli urti nelle parti finite
I componenti in policarbonato lavorati meccanicamente mantengono la loro tenacità anche dopo la lavorazione CNC. Possono resistere bene a sollecitazioni elevate senza rompersi, a differenza dell'alluminio o dell'acrilico. Alcune materie plastiche diventano fragili durante la lavorazione, ma questo materiale no. Mantengono la loro efficacia anche in ambienti difficili.
Flessibilità di progettazione senza investimenti in utensili
La lavorazione CNC consente di adattarsi alle modifiche di progettazione tra una produzione e l'altra senza dover acquistare nuovi utensili. È possibile spostare facilmente un foro di montaggio o modificare lo spessore di una parete modificando il programma. Questo è particolarmente importante durante la fase di sviluppo. Quando si producono meno pezzi, circa 1,000 unità, la lavorazione CNC è solitamente più economica dello stampaggio a iniezione.
Capacità di tolleranza stretta per lavori di precisione
Le moderne macchine CNC sono in grado di raggiungere costantemente tolleranze fino a ±0.025 mm. Offrono un'elevata precisione nella realizzazione di forme complesse come cavità, fori e superfici curve. Questo livello di precisione è necessario per il corretto assemblaggio e funzionamento di alloggiamenti medicali e componenti ottici. Il processo permette di realizzare forme impossibili da ottenere con lo stampaggio.
Contro
Generazione di calore durante le operazioni di taglio
Quando si taglia il policarbonato, questo si scioglie facilmente e produce trucioli appiccicosi che rimangono incastrati negli utensili. Se lo si taglia aggressivamente a temperature superiori a 150 °C, si nota che il materiale inizia ad ammorbidirsi. Questo porta a una finitura superficiale di scarsa qualità, variazioni dimensionali e utensili che si rompono troppo presto. Questi problemi possono essere evitati utilizzando il refrigerante giusto e avanzamenti lenti, ma di conseguenza la produttività rallenterà.
Sensibilità all'umidità che influenza la stabilità dimensionale
Il policarbonato assorbe umidità, il che ne modifica le dimensioni dello 0.1-0.2%. Pertanto, i pezzi realizzati con questo materiale bagnato potrebbero incrinarsi o deformarsi nel tempo. Prima di lavorare i pezzi critici, è necessario asciugare le lastre a 120 °C per alcune ore. Conservare i pezzi in contenitori sigillati con essiccante impedisce che si bagnino nuovamente dopo la lavorazione.
Sfide di finitura superficiale e requisiti di post-elaborazione
Anche con utensili da taglio affilati, i segni degli utensili possono comunque essere visibili sulle superfici in policarbonato lavorate. Per rendere trasparenti i pezzi, è necessario eseguire una lucidatura secondaria. La lucidatura a fiamma, il trattamento a vapore o la tornitura a diamante richiedono molto più tempo. I pezzi che necessitano di superfici perfette costano dal 40% al 60% in più rispetto ai pezzi lavorati di base.
Applicazioni di parti in policarbonato lavorate a CNC
Il policarbonato lavorato a CNC offre resistenza e visibilità ottimale. È la scelta ideale quando i materiali standard non soddisfano le esigenze di sicurezza e prestazioni. Ecco alcuni dei componenti/parti più comuni realizzati in policarbonato.
Camere per fluidi e alloggiamenti per dispositivi medici
Gli alloggiamenti in policarbonato proteggono l'apparecchiatura diagnostica da danni e sporco. Questi prodotti possono essere sottoposti a cicli di autoclave a 134 °C senza deformarsi o perdere le proprie dimensioni. Per un'ispezione visiva durante il funzionamento, le camere dei fluidi nelle apparecchiature per dialisi e analisi del sangue devono essere trasparenti. Il materiale non si crepa quando entra ripetutamente in contatto con disinfettanti a base di alcol isopropilico e perossido di idrogeno.
Protezioni di sicurezza per macchine e barriere protettive
Le macchine industriali necessitano di protezioni che garantiscano la sicurezza degli operatori, consentendo loro di osservare il processo. Solitamente, per realizzare barriere per fresatrici CNC e celle robotiche si utilizzano lastre di policarbonato spesse da 6 a 25 mm. Queste protezioni possono assorbire i colpi di utensili rotti o di parti espulse senza rompersi. Una protezione spessa 12 mm impedisce a un proiettile da 1 kg di viaggiare a 15 m/s. Il proiettile non penetra la protezione.
Componenti interni aerospaziali e gruppi di finestre
Gli standard di infiammabilità FAR 25.853 stabiliscono che le cabine degli aeromobili devono essere realizzate con materiali leggeri. Si possono produrre sportelli per i vani portabagagli superiori e coperture per la strumentazione che superano rigorosi test di combustione. I finestrini della cabina di pilotaggio in policarbonato possono resistere all'impatto con uccelli a velocità fino a 400 nodi. Il materiale funziona bene ad alta quota fino a -55 °C e su pista fino a 70 °C.
Lenti per illuminazione automobilistica e alloggiamenti per sensori
Le lenti dei fari richiedono superfici lisce per una corretta distribuzione della luce. Queste superfici devono essere conformi alle normative ECE. È possibile lavorare contemporaneamente complesse geometrie di Fresnel e geometrie riflettenti. Le coperture dei sensori LIDAR devono controllare lo spessore della parete entro ±0.05 mm per evitare interferenze nei segnali. Quando i sassi colpiscono le lenti in policarbonato a 110 km/h, queste non si rompono.
Contenitori elettronici per ambienti difficili
I pannelli di controllo per esterni in policarbonato offrono un'elevata resistenza ai raggi UV, agli agenti chimici e alle manipolazioni brusche. Vengono utilizzati in involucri per ferrovie e imbarcazioni, dove è difficile trovare ricambi. Il materiale ha una rigidità dielettrica di 16 kV/mm. Ciò impedisce il tracciamento elettrico nelle applicazioni ad alta tensione. Gli alloggiamenti con grado di protezione IP67 mantengono i circuiti al sicuro negli strumenti dei giacimenti petroliferi esposti a spruzzi di acqua salata.
Componenti ottici e diffusori di luce
I diffusori in policarbonato lavorato vengono utilizzati negli assemblaggi LED per eliminare i punti caldi e uniformare la luce. Per ridurre le perdite dovute alla diffusione della luce, la finitura superficiale deve essere inferiore a 0.4 Ra. Affinché le lenti per la visione artificiale funzionino correttamente, le tolleranze devono essere di ±0.013 mm. L'indice di rifrazione del policarbonato lo rende adatto ad applicazioni in cui il vetro sarebbe troppo pesante e si romperebbe troppo facilmente.
Opzioni di finitura per parti in policarbonato lavorate a CNC
Le superfici in policarbonato lavorato a macchina raramente soddisfano le specifiche finali senza una finitura aggiuntiva. Selezionerai i metodi di post-lavorazione in base ai requisiti ottici, alle esigenze di durabilità della superficie e all'economia di produzione.
Finitura come lavorata
Le superfici lavorate a macchina mantengono i segni visibili degli utensili e raggiungono una rugosità superficiale compresa tra 1.6 e 3.2 Ra. Nelle sezioni trasparenti si possono osservare striature dovute ai percorsi di taglio che disperdono la luce. Questa finitura è adatta ad applicazioni non critiche come staffe di montaggio e componenti strutturali interni. Consente un risparmio sui costi, fino al 30-40% rispetto alle alternative lucidate, quando la trasparenza ottica non è un requisito fondamentale.
Lucidatura a fiamma
La lucidatura a fiamma fonde lo strato superficiale utilizzando una torcia a idrogeno-ossigeno per eliminare i segni degli utensili. È possibile ottenere una trasparenza ottica prossima all'88-90% di trasmissione luminosa in 15-30 secondi per superficie. Il processo richiede operatori qualificati per evitare surriscaldamenti, formazione di bolle o distorsioni dimensionali. La finitura dei bordi su lastre di policarbonato tagliate utilizza universalmente questo metodo per risultati cristallini.
Lucidatura a vapore
La lucidatura a vapore espone i pezzi al cloruro di metilene o ad altri vapori di solvente che ne ammorbidiscono la superficie. Il tempo di esposizione può variare da 5 a 60 secondi, a seconda della rugosità superficiale iniziale e della trasparenza desiderata. Oltre a ciò, crea finiture uniformi anche su geometrie complesse, inclusi passaggi interni e incavi. I pezzi ottenuti con superfici simili al vetro richiedono un tempo di asciugatura di 24-48 ore prima della manipolazione.
Tornitura a diamante
La tornitura a diamante utilizza utensili da taglio monocristallini. Permette di raggiungere una rugosità superficiale inferiore a 0.025 Ra e offre una trasparenza ottica di 1-2 micron, risultando quindi adatta per applicazioni nel settore delle lenti. Il processo richiede attrezzature antivibranti e parametri di taglio controllati con precisione, tra cui una profondità di taglio di 0.025 mm. Tuttavia, i costi aumentano di 3-4 volte rispetto alla lavorazione convenzionale, ma si eliminano le operazioni di lucidatura secondaria.
ricottura
Nel processo di ricottura, i blocchi di policarbonato vengono riscaldati a 130-140 °C per 1-4 ore , a seconda dello spessore e della complessità. Questo processo previene la formazione di cricche da stress quando i componenti entrano in contatto con solventi o sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche. Componenti critici come recipienti a pressione e schermi di sicurezza richiedono la ricottura prima dell'utilizzo.
Suggerimenti efficaci per la lavorazione CNC del policarbonato
La lavorazione del policarbonato di successo richiede tecniche specifiche che si differenziano dalla lavorazione standard delle materie plastiche. Si otterranno risultati migliori controllando il calore, gestendo la preparazione del materiale e selezionando le strategie di lavorazione più appropriate. Per geometrie complesse con pareti sottili o tolleranze ristrette, la strategia di lavorazione diventa ancora più importante. Il nostro caso di studio sul radome aerospaziale illustra come la sequenza dei processi, i metodi di supporto temporaneo e la selezione degli utensili abbiano contribuito a evitare deformazioni durante la lavorazione CNC.
Pre-essiccazione del materiale prima della lavorazione
Il policarbonato assorbe dallo 0.15 allo 0.35% del suo peso in umidità dall'aria. Questo ne modifica le dimensioni. Pertanto, è necessario asciugare i fogli per 3-4 ore a 120 °C prima di lavorare i componenti critici.
Fino al momento di lavorare il materiale essiccato, conservatelo in contenitori sigillati con essiccante. I pezzi lavorati a macchina da materiale umido iniziano a fessurarsi sotto sforzo entro 48-72 ore dalla finitura.
Utilizzare utensili in metallo duro affilati con la geometria corretta
L'affilatura dell'utensile influisce sulla finitura superficiale e impedisce al materiale di fondersi durante il taglio. Le frese in metallo duro con angoli di spoglia positivi da 5 a 10 gradi sono le migliori per rimuovere i trucioli in modo pulito.
Un raggio di taglio inferiore a 0.025 mm riduce notevolmente le forze di taglio e il calore generato. Non aspettare che i tuoi utensili si rompano; sostituiscili non appena noti che stanno perdendo il filo.
Controllo della velocità di taglio e delle velocità di avanzamento
Tagliare a velocità comprese tra 200 e 350 m/min è il modo migliore per mantenere elevata la produttività e ridurre il calore. Le velocità di avanzamento da utilizzare saranno comprese tra 0.10 e 0.25 mm/dente, a seconda del diametro dell'utensile e della profondità di taglio.
Se si alimenta troppo lentamente, i pezzi sfregheranno l'uno contro l'altro e si surriscalderanno. Se si alimenta troppo velocemente, i pezzi si scheggeranno e la finitura sarà scadente. Quindi, tenete sempre d'occhio la formazione di scheggiature, perché scheggiature fibrose indicano che si sta generando troppo calore.
Applicare aria compressa o liquido refrigerante nebulizzato
L'aria compressa è utile per eliminare i trucioli e prevenire lo stress termico causato dal contatto con il liquido refrigerante. È sufficiente applicare una pressione di 5-6 bar sulla zona di taglio per eliminare i trucioli.
I sistemi di raffreddamento a nebbia sono adatti quando è necessario un raffreddamento migliore ma non si vuole rischiare uno shock termico. Non allagare mai il policarbonato freddo, perché le differenze di temperatura causano immediatamente la formazione di crepe.
Macchina in più passaggi di luce
In generale, i tagli grandi o pesanti generano troppo calore. Di solito fondono il materiale e lasciano una superficie ruvida. Invece di tentare operazioni a tutta profondità, è consigliabile tagliare a una profondità di 1-2 mm.
Passate multiple distribuiscono uniformemente la generazione di calore nel tempo, consentendo al materiale di raffreddarsi tra un taglio e l'altro. Passate di finitura finali a una profondità di 0.2-0.5 mm garantiscono una migliore qualità superficiale.
Supportare le sezioni sottili con un fissaggio adeguato
Il policarbonato non supportato si flette sotto la pressione di taglio. Ciò causa errori dimensionali e segni di vibrazione. È necessario utilizzare tavoli aspiranti e supporti personalizzati per fissare le pareti sottili da entrambi i lati. Fino al termine di tutte le lavorazioni, mantenere il materiale di supporto attaccato. Quindi rimuoverlo con cautela. I pezzi con uno spessore inferiore a 3 mm devono essere maneggiati con cura per evitare che si pieghino durante l'uso.
Lasciare raffreddare le parti prima della misurazione
Il policarbonato lavorato richiede 2-4 ore di raffreddamento a temperatura ambiente prima di poter essere misurato con precisione. Se la misurazione viene effettuata immediatamente dopo il taglio, si possono riscontrare variazioni dimensionali di 0.05-0.15 mm . I coefficienti di dilatazione termica di 6.5 × 10⁻⁵/°C creano errori significativi nelle parti calde.
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