Innowacyjne narzędzia do produkcji mebli

Implantacja jonów

Będąc bardziej precyzyjnym implantuje się jony pierwiastków, czyli atomy z ładunkiem elektrycznym. Jest to istotne z punktu widzenia możliwości przebiegu implantacji, gdyż jest ona fizyczną metodą domieszkowania materiałów, polegającą na rozpędzaniu jonów w polu elektromagnetycznym do dużych prędkości (od setek do tysięcy kilometrów na sekundę), formowaniu ich w wiązkę i wbijaniu (implantowaniu) do powierzchni modyfikowanego materiału. Oprócz zmian właściwości fizycznych w implantowanym materiale, takich jak deformacje sieci krystalicznej, wprowadzanie naprężeń mechanicznych, następują również zmiany jego składu chemicznego. Atomy wprowadzonej domieszki mogą np. utworzyć wydzielenia, bądź wejść w reakcje z pierwiastkami modyfikowanego materiału i utworzyć nowe związki chemiczne. Należy dodać, że sam proces implantacji przebiega w próżni w niskotemperaturowych warunkach (od kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu stopni Celsjusza). Do jego przeprowadzenia niezbędna jest specjalistyczna aparatura w postaci akceleratorów cząstek zwanych implantatorami.

Narzędzia WC-Co

WC-Co to materiał, z którego zbudowane są ostrza narzędzi skrawających. Należy on do grupy węglików spiekanych, i tak WC to węglik wolframu stanowiący podstawowy związek chemiczny tego materiału, a Co oznacza kobalt, który pełni rolę spoiwa, o kilkuprocentowym udziale masowym w tym materiale. WC-Co charakteryzuje się dużą twardością (trzykrotnie wyższą niż stal narzędziowa), a przez to jest odporny na zużycie ścierne będące dominującym mechanizmem zużyciowym podczas pracy narzędzi z tego materiału i stąd jego wysoka trwałość. W przemysłowym procesie wytwarzania mebli, WC-Co jest najczęściej wykorzystywanym materiałem narzędziowym. Wykonane są z niego ostrza różnych rodzajów narzędzi, np.: pił tarczowych i taśmowych, frezów, wierteł, noży tokarskich, itp.

Frezowanie materiałów drewnopochodnych

Frezowanie materiałów drewnopochodnych to podstawowa operacja ich obróbki (wraz z piłowaniem i wierceniem) podczas wytwarzania mebli. W przemysłowej produkcji mebli wszystkie wymienione operacje realizowane są przez dedykowane maszyny obróbkowe, często sterowane numerycznie.

Materiały drewnopochodne

Materiały drewnopochodne występują głównie w postaci płyt wytworzonych poprzez sprasowanie przy użyciu ciśnienia i temperatury cząstek lignocelulozowych w postaci wiórów drzewnych (płyty wiórowe), włókien drzewnych (płyty pilśniowe), oraz arkuszy forniru (sklejki), a także zdrewniałych cząstek roślin jednorocznych, takich jak konopie, len, połączonych ze sobą przy pomocy klejów syntetycznych lub organicznych, gdzie zawartość cząstek pochodzenia drzewnego wynosi powyżej 50%.

Cel i wynik projektu

Celem projektu były badania wpływu jonów pierwiastków gazu reaktywnego i obojętnego, o podobnej masie atomowej (azot vs. neon) oraz trzech gazów obojętnych o różnych masach atomowych (hel, neon i argon) zaimplantowanych do warstwy wierzchniej narzędzi WC-Co na siły skrawania i trwałość tych narzędzi podczas maszynowej obróbki meblarskich płyt drewnopochodnych.

Dla narzędzi implantowanych jonami azotu uzyskano istotny statystycznie wzrost trwałości w odniesieniu do narzędzi niemodyfikowanych (kontrolnych). Ponadto badania wykazały, że na powierzchni narzędzi implantowanych w testach zużyciowych formuje się cienka warstwa węglowa. Warstwa ta zmniejsza tarcie w układzie narzędzie-materiał obrabiany, co przyczynia się do zaobserwowanego zwiększenia ich trwałości.

Projekt aspiruje do rozwiązania problemu technologicznego zwiększenia trwałości narzędzi z ostrzami WC-Co podczas obróbki trudnoskrawalnych materiałów drewnopochodnych w postaci trójwarstwowej płyty wiórowej, stosowanych jako podstawowy materiał konstrukcyjny w produkcji mebli. Implantacja warstw wierzchnich narzędzi może przyczynić się do wzrostu ich trwałości w maszynowej obróbce meblarskich tworzyw drzewnych. Wyniki projektu wskazują najlepsze warianty implantacji jonów gazowych do realizacji powyższego celu.

Projekt jest już trzecim tego typu, realizowanym we współpracy międzynarodowej z jednostką zagraniczną HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf). Wszystkie trzy projekty dotyczyły różnych podejść do modyfikacji narzędzi do obróbki materiałów drzewnych, wpływających na zwiększenie ich trwałości. Ma to coraz większe znaczenie np. w przypadku linii technologicznych produkcji mebli lub stolarki budowlanej, gdzie każdy przestój związany z wymianą narzędzi ze względu na ich niską trwałość generuje wymierne straty produkcyjne.

Zespół projektu

Jednostka wiodąca: SGGW w Warszawie; dr inż. Jacek Wilkowski – kierownik projektu.

Współpraca międzynarodowa: Niemiecki Instytut Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf; dr inż. Ulrich Kentsch.

Współpraca krajowa: Narodowe Centrum Badań Jądrowych; dr inż. Marek Barlak.

dr inż. Jacek Wilkowski – przejdź do profilu naukowca w Bazie Wiedzy SGGW (otwarcie w nowej karcie)
Katedra Mechanicznej Obróbki Drewna
Instytut Nauk Drzewnych i Meblarstwa SGGW