Obrabiarki CNC są stanowią pewnego rodzaju motor napędzający gospodarkę państwa. Świadczą zarówno o poziomie zaawansowania technologicznego przedsiębiorstwa jak i całego kraju. Można stwierdzi, że dobrobyt danego kraju opiera się na ilości dostępnych obrabiarek CNC, ponieważ ich udział można dostrzec praktycznie w każdej branży przemysłowej. W krajach wysoko rozwiniętych liczba obrabiarek CNC jest kilkukrotnie wyższa niż w krajach słabo– i średnio–rozwiniętych.
Konstruktorzy maszyn, wychodząc naprzeciw oczekiwaniom pochodzącym z różnych gałęzi przemysłu, stworzyli różne konstrukcje obrabiarek CNC. Celem było ułatwienie przebiegu procesu produkcyjnego, a także dostosowanie się do jego indywidualnych potrzeb. Jednym z rodzajów maszyn CNC są obrabiarki z ruchomą bramą lub ruchomym stołem, nazywane ploterami. W dalszej części artykułu przedstawiono różnice w budowie, zastosowanie oraz wady i zalety tych konstrukcji.
Rodzaje ploterów
Nazwa ploter (ang. plotter) określa komputerowe urządzenie, pracujące najczęściej w płaszczyźnie dwuwymiarowej XY. Za pomocą ploterów możliwe jest nanoszenie na dużych i płaskich powierzchniach m.in obrazów, wzorów, grawerów, czy wycięć. Oprócz dwuwymiarowych, spotykane są również plotery trójwymiarowe, poruszające się dodatkowo w osi Z, które pozwalają na wykonywanie kształtów przestrzennych 3D.
Istnieje szereg różnych ploterów, które dzielą się ze względu na budowę oraz zastosowanie. Można wyróżnić ich następujące rodzaje:
– plotery drukujące, służą do drukowania na papierze (urządzenia drukujące)
– plotery grawerujące, służą do grawerowania w materiałach twardych takich jak metal szkło, drewno, plastik itp.
– plotery tnące, przeznaczone do nacinania/wycinania w miękkich materiałach, stosowane np. w poligrafii do nacinania liter w foliach samoprzylepnych, wycinania w styropianie, wycinania elementów odzieży w tkaninie, skórze
– plotery termiczne, działają na zasadzie cięcia przy użyciu drutu oporowego, rozgrzanego do wysokiej temperatury. Używane są np. podczas tworzenia elementów architektonicznych, trójwymiarowych znaków towarowych, reklam, prototypów
– plotery frezujące, wyposażone są we wrzeciona frezarskie wraz z frezem tnącym, przeznaczone do frezowania elementów wykonanych z drewna, stali, aluminium itd.
– plotery laserowe, w których zastosowano laser jako narzędzie tnące, wykonujący bardzo precyzyjne cięcia materiału z idealnymi krawędziami
– plotery plazmowe oraz wodne, w których narzędziem tnącym jest kolejno: palnik plazmowy i woda sprężona pod wysokim ciśnieniem
W przemyśle metalowym spotykane są przede wszystkim plotery frezujące, laserowe, plazmowe oraz wodne, działające za pomocą komputerowego sterowania numerycznego CNC. Bardzo często plotery frezujące CNC używane są również w przemyśle meblarskim, służą do cięcia drewna oraz materiałów drewnopochodnych, takich jak sklejka, płyty MDF, płyty wiórowe itp.
Czym różnią się plotery CNC od centrów obróbkowych CNC?
Biorąc pod uwagę aspekt finansowy, plotery CNC są znacznie tańszymi maszynami w porównaniu z rozbudowanymi centrami obróbkowymi, co nie oznacza że stanowią rodzaj ich tańszych zamienników, po prostu przeznaczone są do wykonywania innych operacji, w tym głównie cięcia.
Konstrukcja ploterów CNC jest lekka, a także uproszczona. Plotery nie posiadają bowiem dodatkowych zespołów mechanicznych i manipulacyjnych, takich jak na przykład transporter wiórów, wymiennik palet, czy układ chłodzenia narzędzia skrawającego za pomocą chłodziwa. Na rynku dostępne są plotery z magazynem wymiany narzędzi, które mogą być zamocowane bezpośrednio na bramie plotera lub stole roboczym. W przypadku zastosowania na stole, pomniejszona zostaje nieznacznie powierzchnia robocza tego stołu. Magazyny narzędziowe posiadają mniejszą ilość miejsc na narzędzia niż frezarki CNC, jednak jest to ilość z reguły wystarczająca, biorąc pod uwagę rodzaj przeprowadzanych operacji na ploterach. Poza tym, w porównaniu do obrabiarek CNC, plotery CNC nie mają w swojej budowie ciężkich korpusów żeliwnych, które odpowiadają za stabilizację maszyny i tłumienie jej drgań. Funkcję tą przejmuje rama stołu, która wykonana jest najczęściej ze stali lub aluminium. Przyczynia się ona do zwiększenie sztywności całej maszyny, zmniejsza drgania podczas obróbki i polepsza tym samym jej dokładność. Wewnątrz ramy znajduje się stół, wyznaczający pole robocze plotera i na którym mocowany jest element obrabiany.
W zależności od rodzaju, plotery CNC wyposażone są w odmienne narzędzia tnące. Tak jak wspomniano wcześniej, narzędziem tnącym może być frez, wiązka lasera, palnik plazmowy lub sprężona pod wysokim ciśnieniem woda. Zastosowanie jednego z tych rozwiązań, oprócz dodatkowych indywidualnych układów dla konkretnego rodzaju plotera CNC – takich jak np. agregat plazmowy niezbędny do wycinania plazmowego, układ wysokiego ciśnienia dla cięcia wodą, układ doprowadzający gaz roboczy podczas stosowania lasera itp. – stosowane są także różne konstrukcje stołu roboczego.
Stół wypalarki plazmowej CNC zbudowany jest w postaci segmentów do których od spodu podłączone są przewody wentylacyjne, mające na celu odprowadzenie dymu i oparów powstałych podczas procesu wypalania.
W przypadku stołów przeznaczonych do wypalarki laserowej CNC stosowane są rozwiązanie, takie jak np. płyty rastrowe, płyty o strukturze miodu, czy płyty wyposażone w kołki dystansowe. Ich konstrukcja ma na celu między innymi efektywne odciągnięcie spalin. Płyty te można wymieniać, są elementami zużywającymi się ze względu na działanie wiązki lasera na ich powierzchnie.
Stół roboczy wycinarki wodnej CNC wyposażony jest z kolei w płytę (kratownicę) oraz wannę z wodą, która to zamocowana jest na ramie plotera. To w niej gromadzą się odpady powstałe podczas cięcia oraz zużyte ścierniwo.
W przypadku plotera frezującego CNC stół posiada najczęściej rowki teowe, służące do mocowania przedmiotu obrabianego za pomocą elementów mocujących typu: śruby, zaciski itp. Dodatkowo dostępne są stoły hybrydowe wyposażone zarówno w rowki teowe, jaki i systemy mocowania próżniowego.
Plotery frezujące CNC z ruchomą bramą i stołem
W budowie ploterów frezujących CNC stosowane są konstrukcje w których posuw roboczy odbywa się za pomocą ruchomej bramy lub ruchomego stołu. W pozostały typach ploterów stosowane są wyłącznie posuwy za pomocą ruchomej bramy. Powodem tego jest złożoność konstrukcji ich stołów, a także brak sił skrawania występujących w czasie wycinania palnikiem plazmowym, laserem czy podczas cięcia wodą. Wówczas nie występują siły mechaniczne podczas cięcia, które mogą powodować wibracje bramy i zamontowanej w niej głowicy. Od sztywności bramy zależy między innymi dokładność wykonania. Poza tym, elementami obrabianymi są najczęściej wielkogabarytowe arkusze w postaci blach, a więc przenoszenie takiego ciężaru okazuje się nie ekonomiczne. Łatwiej i szybciej jest po prostu wykonywać cięcie, przesuwając stosunkowo lekką bramę z głowicą, niż ciężki stół z zamocowanym materiałem, jednak tylko podczas braku obciążeń mechanicznych.
W przypadku ploterów frezujących występują siły skrawania, które wpływają na stabilność wrzeciona. Spotykane są konstrukcje ploterów z ruchomą bramą lub ruchomym stołem.
W pierwszym rozwiązaniu konstrukcyjnym posuw roboczy maszyny wykonuje ruchoma brama. Na jej poziomej belce zamontowane jest narzędzie, poruszające się wzdłuż tej belki, tworząc oś X, natomiast cała brama przesuwa się wzdłuż ramy stołu, tworząc oś współrzędną maszyny Y, wyznaczając tym samym obszar roboczy XY.
Drugim rozwiązaniem jest wyposażenie plotera frezującego CNC w ruchomy stół. W takiej maszynie posuw narzędzia w osi X odbywa się tak samo jak z ruchomą bramą, tzn. wzdłuż poziomej belki bramy, natomiast boczne belki stanowiące podpory belki poziomej, są na stałe przykręcone do ramy stołu. Posuw w osi Y wykonuje stół, który może porusza się za pomocą napędu śrubowego, paska zębatego lub listwy zębatej, wyposażonej w odpowiedni silnik elektryczny oraz prowadnice.
W przypadku konstrukcji ploterów frezujących z ruchomą bramą stosowane są dwa napędy posuwowe, po jednym na każda stronę bramy, natomiast dla stołu ruchomego wystarczy jeden, zamontowany pośrodku stołu.
Które rozwiązanie lepsze ruchomy stół czy brama?
Próbując uzyskać odpowiedź na to pytanie należy odnieść się do kryterium wymagań stawianym wobec plotera frezującego CNC. Jeżeli ploter powinien posiadać duże pole robocze, lepszym wyborem jest zastosowanie ruchomej bramy. Dla małych ploterów, o zwiększonej sztywności, stosuje się ruchomy stół. Czynnikiem który również powinno się uwzględnić jest rodzaj obrabianego materiału.
Z reguły plotery frezujące CNC przeznaczone są do obróbki materiałów miękkich, takich jak drewno, aluminium, czy tworzywa sztuczne. Dla przedmiotów wielkogabarytowych, w których ciężar stołu roboczego wraz z przedmiotem obrabianym jest znacznie większy od bramy z wrzecionem, bardziej ekonomiczna i wydajniejsza okaże się konstrukcja z ruchomą bramą. Prędkość posuwu bramy będzie znacznie szybsza, a także silniki elektryczne stosowane do napędów posuwu będą wymagać mniejszego zapotrzebowanie na moc. Zwiększona zostanie zatem wydajność wycinania, poprzez szybsze przejazdy bramy. Zoptymalizowane zostaną również koszty energii.
W przypadku obróbki stali, gdzie stosowane są wrzeciona o większej mocy i momencie obrotowym, lepszą sztywność uzyska się stosując ruchomy stół. Mimo wszystko w ploterach ograniczona jest możliwość sterowania momentem obrotowym wrzeciona, dlatego wykonywanie obróbki w stali z dużą głębokością skrawania nie jest zalecane. Z powyższych dwóch konstrukcji ploter z ruchomym stołem i stałą bramą będzie pracować z większą sztywnością pod obciążeniem.
Plotery CNC idealnie nadają się do wycinania kształtów w płaszczyźnie XY w miękkich materiałach i głównie do takich operacji są przeznaczone. Ewentualnie mogą być stosowane do frezowania konturów w stosunkowo cienkich blachach ze stali, z niewielką głębokością skrawania i zmniejszoną prędkością posuwu, co wpływa na działanie sił mechanicznych. Zamiast frezowania za pomocą plotera elementów wykonanych z materiałów twardych, np. blach stalowych o grubym przekroju poprzecznym, lepsze rezultaty uzyska się używając ploterów laserowych, plazmowych, wodnych lub – przy niewielkich rozmiarach blachy – za pomocą frezarki CNC.
W innym artykule opisaliśmy Budowa frezarki CNC
W innym artykule opisaliśmy Budowa plotera cnc
