Mengukir Ceruk di Mesin Plastik CNC

Pemesinan plastik menghadirkan tantangan dalam hal perkakas, workholding dan manajemen chip (dan debu). (Sumber foto:K&E Plastics.)

Meskipun ada keuntungan menjadi toko mesin CNC khusus, ada juga tantangan tersendiri. K&E Plastics di Bennington, Vermont, adalah contohnya.

Sesuai dengan namanya, toko kontrak ini hanya berfokus pada pemesinan plastik rekayasa — baik termoplastik dan termoset — dan telah melakukannya sejak Peter Broderson mendirikan K&E pada tahun 1966. Putranya, Eric, sekarang menjadi presiden perusahaan.

Karena tidak terlalu banyak toko yang mengkhususkan diri dalam pemesinan plastik, termasuk termoset seperti G7 dan G10 yang diisi dengan kaca abrasif, persaingannya lebih sedikit dibandingkan dengan yang mengerjakan aluminium, baja, dan logam konvensional lainnya. Namun, ketidaktahuan dengan plastik oleh vendor peralatan dan perkakas membuat K&E kadang-kadang diserahkan kepada perangkatnya sendiri untuk menemukan strategi untuk memproses material tersebut secara efektif.

Saya belajar tentang beberapa tantangan tersebut ketika saya mengunjungi K&E pada tahun 2013 untuk menulis cerita pertama saya tentang toko tersebut. Kebutuhan untuk pengumpulan debu. Kesulitan memperbaiki plastik. Masalah perkakas yang menyertai termoset yang diisi kaca. Daftarnya berlanjut…

Meskipun saya tidak dapat mengunjungi kembali K&E secara fisik untuk cerita ini, saya sangat menghargai koneksi kembali dan mendengar tentang teknologi dan proses baru apa yang telah ditambahkan toko untuk menjadi lebih mampu dan efektif dalam pemesinan plastik. Ini termasuk melihat perkakas dan workholding secara berbeda, dan menambahkan mesin bubut tipe Swiss pertama untuk mencapai toleransi yang lebih ketat dan produksi komponen kompleks yang lebih cepat yang terbuat dari termoplastik seperti polyetheretherketone (PEEK) yang sebelumnya dijalankan pada mesin bubut perkakas geng tradisional. Mesin itu juga memungkinkan toko untuk mengembalikan pekerjaan yang sebelumnya di-outsource.

Peluang Baru, Pendekatan Baru

Awalnya, K&E berfokus pada komponen plastik semata-mata untuk aplikasi listrik mengingat sifat insulasi listrik bahan yang sangat baik (lihat bilah samping di bawah). Ketika Broderson mengambil alih menjalankan bisnis dari ayahnya 27 tahun yang lalu, dia berusaha untuk mendiversifikasi perusahaan dengan mengejar aplikasi non-listrik di industri medis dan kedirgantaraan. Saat ini, ia juga mengejar peluang dalam teknologi energi baru, seperti kendaraan listrik, sel bahan bakar, dan penyimpanan energi. Toko ini bersertifikat ISO 9001:2015, memiliki pendaftaran International Traffic in Arms Regulations (ITAR) dan disertifikasi sebagai bagian dari Program Sertifikasi Bersama (JCP), yang memungkinkannya memenangkan pekerjaan pertahanan rahasia. Ini juga memiliki sertifikasi dengan program Zona Bisnis yang Kurang Digunakan Secara Historis (HUBZone) yang membantu usaha kecil di masyarakat perkotaan dan pedesaan mendapatkan akses istimewa ke peluang pengadaan federal.

Hanya plastik mesin K&E (termasuk termoplastik dan termoset ) untuk industri seperti listrik, kedirgantaraan dan medis. Ia juga melihat peluang dalam aplikasi energi baru, seperti sel bahan bakar, kendaraan listrik, dan penyimpanan energi.

Fasilitas toko seluas 30.000 kaki persegi mencakup berbagai router CNC, VMC, dan mesin bubut — semuanya berjumlah 28. Sebagian besar adalah model Haas Automation. Mesin bubut tipe Swiss yang dibeli pada tahun 2018 adalah model Tsugami S205 (lebih lanjut nanti). Tergantung pada bahannya, ini mungkin bagian-bagian mesin yang menggunakan pendingin atau kering dengan bantuan senapan angin dingin untuk mendinginkan operasi pemotongan dan membantu memecahkan serpihan.

Pendingin kadang-kadang digunakan untuk termoplastik yang tidak diisi. Pendingin berbasis minyak tidak dapat digunakan karena sering merusak plastik. Sebagai gantinya, K&E menggunakan pendingin berbasis air seperti Trim Microsol 585XT dari Master Fluid Solutions. Ini dikatakan sebagai pendingin mikroemulsi dengan pelumasan tinggi, semisintetik, yang menawarkan masa pakai bah yang lebih lama dan kontrol busa yang lebih baik dibandingkan semisintetik generasi sebelumnya.

Toko K&E khas karena memiliki saluran menghubungkan peralatan yang mengeringkan plastik dengan mesin ke salah satu dari dua sistem pengumpulan debu pusat.

Namun, banyak termoset yang dikeringkan dengan mesin. Bahan-bahan ini sering diisi dengan kaca atau bahan abrasif lainnya yang menghasilkan debu saat dikerjakan. Pengumpulan debu yang efektif sangat penting untuk menjaga lingkungan kerja yang bersih dan memperpanjang masa pakai alat mesin. Faktanya, saluran yang digunakan untuk mengumpulkan debu adalah yang membuat toko ini terlihat berbeda.

Ducting disalurkan ke zona kerja setiap peralatan yang mengeringkan bagian plastik. Toko baru-baru ini menambahkan sistem pengumpulan debu 18.000 cfm kedua, yang memungkinkannya menambahkan sebanyak 12 pusat permesinan lagi ke bagian-bagian mesin yang kering.

Toko baru saja memasang 18.000-cfm kedua sistem pengumpulan debu, yang memungkinkannya menambahkan sebanyak 12 pusat permesinan lagi ke mesin kering plastik.

Panas adalah masalah besar saat memproses plastik apa pun. Pembakaran material dimungkinkan ketika alat dijalankan terlalu cepat. Selain itu, tanpa evakuasi chip yang efektif, material mesin dapat dilas kembali ke benda kerja. Geometri seruling pahat memainkan peran penting dalam mengeluarkan serpihan dan menjauh dari benda kerja, seperti halnya jet udara dingin. Namun, laminasi termoset seperti G7 dan G10 juga rentan terhadap delaminasi, tergantung pada kekuatan ikatan resin dan bagaimana bagian-bagiannya dikerjakan.

Termoplastik biasanya dikerjakan dengan menggunakan pendingin berbasis air . Pendingin berbasis minyak bumi dapat menurunkan bahan plastik.

Toko baru-baru ini mulai menggunakan alat pemotong dari Datron Dynamics. Salah satu contohnya adalah end mill karbida seruling tunggal berdiameter 6 mm, dipoles. Menurut perusahaan, proses penggilingan bertingkat menghasilkan tepi yang tajam dan halus untuk pemesinan tanpa duri, mengurangi atau menghilangkan kebutuhan untuk menyelesaikan bagian dengan tangan.

Lain adalah pabrik akhir karbida dengan lapisan berlian amorf untuk komposit dari Harvey Tool. Ini dikatakan sangat cocok untuk material komposit roughing dan semifinishing dengan serat tinggi atau konsentrasi fill, seperti G10 dan FR4, karena geometri yang dioptimalkan dengan chipbreaker yang secara efisien memotong serat dan memperpendek chip untuk meningkatkan pelepasan chip.

Selain itu, K&E kini menggunakan bor senjata dari Sterling saat diperlukan untuk berulang kali menghasilkan lubang yang dalam dan akurat dengan permukaan akhir yang berkualitas.

Toko ini juga mulai menstandarisasi sistem toolholding PowRgrip dari Rego-Fix untuk pusat permesinannya. Alasannya adalah bahwa sistem toolholder konvensional menyebabkan runout sebanyak 0,002 inci, yang tidak dapat diterima untuk fitur bagian yang memiliki toleransi yang sangat ketat. “Sekarang kita berada di runout 4 persepuluh,” kata Broderson, “memberi kita permukaan akhir yang lebih baik dan keausan pahat yang lebih sedikit, sekaligus mencapai toleransi pemesinan yang diperlukan.”

Toko telah mulai menstandarisasi sistem toolholding di yang dimasukkan atau dikeluarkan oleh mesin press hidrolik dari dudukannya. Setiap collet memiliki lancip yang dangkal dan dapat mengunci sendiri dan ditekan ke dudukan pahat menggunakan gaya 9 ton. Broderson mengatakan pemegang ini menawarkan runout dan kekakuan yang lebih baik dibandingkan dengan model tradisional.

Sistem ini terdiri dari toolholder gaya collet presisi dan press hidrolik benchtop yang digunakan untuk memasukkan atau melepas collet dari holder. Collet memiliki lancip yang dangkal dan dapat mengunci sendiri dan ditekan ke dalam dudukan pahat menggunakan gaya 9 ton. Ini juga memiliki bahu persegi yang menyentuh pemegang pahat saat ditekan. Desain stop positif ini memungkinkan penggunaan sekrup cadangan bawaan untuk mengatur panjang pahat secara akurat. Pemegang alat ini memiliki gaya penjepitan dan peredam getaran yang tinggi, serta total indicator runout (TIR) ​​3 mikron dengan rasio panjang dan diameter 3:1. Rego-Fix mengatakan sistem toolholding ini juga memungkinkan penggantian tool yang lebih cepat dan lebih aman daripada sistem shrink-fit. Perakitan alat baru dikatakan memakan waktu kurang dari 10 detik. “Toko kami memiliki sekitar 800 pemegang alat ini saat ini, tetapi kami terus menambahkan lebih banyak lagi,” kata Broderson.

Untuk workholding, beberapa mesin menggunakan chuck vakum untuk mempercepat pergantian dan memungkinkan alat untuk mengakses lima sisi bagian. Demikian pula, K&E telah mulai menggunakan pelat pondasi umum dengan catok Chick. Broderson mengatakan bahwa karena vises Chick menawarkan pengulangan pemosisian yang lebih baik dan pelat dipasang di lokasi yang sama, pemeriksaan selama penyetelan tidak diperlukan dibandingkan saat toko hanya memasang ragum ke meja mesin. Toko juga menyimpan dan menyimpan catok rahang untuk digunakan saat pekerjaan berulang.

Untuk meningkatkan waktu aktif spindel untuk VMC ini, K&E menambahkan sistem penggantian palet sehingga pekerjaan dapat diatur secara offline saat pekerjaan lain masih diselesaikan di mesin. Hal yang sama telah dilakukan untuk dua VMC lainnya.

Untuk memaksimalkan waktu kerja spindel untuk tiga VMC-nya, K&E menambahkan pengubah palet Midaco ke masing-masing. Ini memungkinkan setiap mesin untuk terus menjalankan pekerjaan sementara material baru dipasang ke palet di luar mesin. Setelah suatu pekerjaan selesai, paletnya akan keluar dan palet baru dengan pekerjaan berikutnya yang telah diatur akan masuk.

Mengapa Menambahkan Tipe Swiss?

Broderson mengatakan bahwa sebelum menambahkan S205 beberapa tahun yang lalu, K&E telah mengerjakan pekerjaan untuk mengacaukan toko mesin untuk pekerjaan tertentu. Seiring waktu, jumlah pekerjaan outsourcing itu terus meningkat. Selain itu, tingkat memo atau penolakan untuk pekerjaan dengan toleransi ketat yang dijalankan pada beberapa mesin bubut perkakas terkadang lebih tinggi daripada yang diinginkan. Toko tersebut menetapkan bahwa tipe Swiss dengan desain bushing panduan khas dan kemampuan multifungsi akan memberikan akurasi yang diperlukan dan memungkinkan toko untuk mempertahankan pekerjaan itu di rumah.

Tsugami S205 dengan kapasitas diameter batang 20 mm dan pengumpan batang Edge Technologies Minuteman 320 SE dibeli melalui distributor Penjualan Tsugami/REM, The Robert E. Morris Company. John Ricardi, manajer akun perusahaan, mengatakan alat berat tersebut mencakup sistem pengiriman cairan pendingin 1.000 psi (terutama untuk kontrol chip) serta unit pengumpul kabut, konveyor chip, saluran khusus untuk menerima suku cadang panjang dari subspindle dan konversi konvertibel/chucker kemampuan.

Pengumpan batang menampung 10-kaki-panjang bar memungkinkan tipe Swiss pertama di toko berjalan tanpa pengawasan untuk waktu yang lebih lama daripada pengumpan bar pada mesin bubut tipe gang yang menjalankan palang sepanjang 4 kaki.

Mungkin nilai jual terbesar untuk mesin ini adalah bahwa ia dirancang untuk bekerja dengan pendingin berbasis air agar tidak menurunkan benda kerja plastik seperti yang dilakukan oleh pendingin berbasis oli. Ricardi mengatakan tekanan udara positif untuk attachment perkakas dan spindel mencegah cairan pendingin masuk ke bantalan dan membersihkan oli pelumasnya. Selain itu, pelumasan berbasis air juga digunakan dalam set saluran pengumpan batang.

Tipe Swiss digunakan untuk suku cadang yang memerlukan toleransi yang sangat ketat. Broderson mengatakan tekanan pahat dapat menyebabkan bentuk lancip saat menjalankan komponen plastik pada mesin bubut konvensional. Bushing pemandu khas tipe Swiss memberikan dukungan pada pemotongan untuk menghilangkan masalah ini. Selain itu, mesin mengulang dengan sangat baik, katanya. Setelah proses dipanggil, tidak ada lagi proses potong, ukur, dan ulangi. Plus, pengumpan batang memiliki kapasitas untuk menjalankan batang sepanjang 12 kaki. K&E biasanya menjalankan palang sepanjang 10 kaki, yang memungkinkan peregangan pemesinan tanpa pengawasan yang lebih lama dibandingkan dengan mesin bubut konvensional dengan pengumpan palang empat kaki. Untuk bahan seperti MENGINTIP, biasanya memesan tanah barstock ke +0,002” / -0”.

Bubut tipe Swiss, yang beroperasi menggunakan pendingin berbasis air, dikatakan mencapai toleransi yang lebih ketat dan meningkatkan produksi untuk suku cadang termoplastik yang sebelumnya dijalankan oleh mesin bubut CNC alat geng tradisional. Mesin tersebut juga memungkinkan toko untuk mengembalikan pekerjaan yang sebelumnya dialihdayakan.

Oleh karena itu, bengkel dapat melepas bushing pemandu dan mengoperasikan mesin sebagai mesin bubut chucker konvensional, menjalankan pekerjaan dengan pendekatan pemesinan yang sama dengan mesin bubut standar.

Broderson mengatakan salah satu kurva pembelajaran terbesar adalah menentukan berapa banyak tekanan yang digunakan pada pompa pendingin volume tinggi untuk menghilangkan keripik dan membanjiri bagian tanpa mengubah dimensi bagian yang sedang dikerjakan. Jika tekanannya terlalu tinggi, aliran cairan pendingin dapat mengubah dimensi bagian plastik. Toko juga mengalami puntiran dari beberapa bahan batangan karena spindel mesin melaju dengan kecepatan sangat cepat. Perbaikan untuk itu adalah meningkatkan kecepatan lebih lambat. Tantangan lainnya adalah mempelajari fitur mana yang dapat dikerjakan dengan mesin dan kapan fitur tersebut harus diurutkan.

Masalah Materi

Satu tantangan keseluruhan yang menurut Broderson dihadapi tokonya baru-baru ini adalah variabilitas bahan plastik. Meskipun ia mencoba untuk membeli dari pemasok yang berbasis di AS, bahkan beberapa dari mereka menjual bahan yang diproduksi di luar negeri. “Kami harus sangat spesifik saat memesan,” katanya.

Dalam satu contoh, toko memesan material FR4 untuk suatu pekerjaan, memanggil proses pemesinan untuk batch material tersebut. Kemudian memerintahkan batch lain ketika pekerjaan kembali. Namun, meskipun batch kedua memenuhi klasifikasi NEMA yang sama untuk selungkup listrik, variasi dengan resin dan pengisi kaca sudah cukup sehingga data pemotongan dan alat yang digunakan pada batch FR4 sebelumnya tidak kompatibel dengan batch baru. “Memegang dua orang dalam bahan seperti ini sudah cukup sulit, tetapi perbedaan antar kelompok membuatnya semakin sulit.”

Dasar-dasar Termoset, Termoplastik

K&E memiliki 54 tahun pengalaman bekerja dengan plastik rekayasa. Toko mengatakan termoset sangat cocok untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan panas tinggi dan insulasi listrik. Polimer pengikat silang dalam termoset membentuk ikatan ireversibel, menghilangkan risiko produk meleleh jika panas diterapkan kembali. Mereka juga menawarkan sifat keausan dan stabilitas dimensi yang sangat baik sekaligus lebih ringan dari logam.

Karena pelet termoplastik melunak saat dipanaskan dan mencair saat panas tambahan diterapkan, proses pengawetan benar-benar reversibel karena tidak ada ikatan kimia yang terjadi. Hal ini memungkinkan termoplastik untuk dicetak ulang dan didaur ulang tanpa mempengaruhi sifat fisik material secara negatif. Termoplastik menawarkan manfaat, termasuk ketahanan terhadap bahan kimia, ketahanan benturan, insulasi listrik, penyerapan air yang rendah, koefisien gesekan yang rendah, pengurangan keausan pada bagian yang dikawinkan, dan penghapusan pelumasan selama pengoperasian produk.