W popularnej dzisiaj produkcji mebli z płyt wiórowych laminowanych (głównie mebli kuchennych i biurowych) jednym z najbardziej drażliwych problemów jest powstawanie wykruszeń i odprysków na krawędziach tych płyt. Problem staje się tym poważniejszy, że jakość płyt wiórowych systematycznie się pogarsza, a to potęguje trudności przy ich obróbce. Wady krawędzi bywają często powodem reklamacji, które niosą za sobą istotne koszty, m.in. transportu (nierzadko do zagranicznych kontrahentów), materiałów i robocizny, jak również są przyczyną utraty dobrego wizerunku firmy. Dopuszczanie do sprzedaży produktów niskiej jakości jest zatem niewskazane, a celem przedsiębiorstwa produkcyjnego powinno być możliwie najszybsze wykrycie wady i wyeliminowanie braku.

Wykruszenie na krawędzi płyty, mimo niewielkich rozmiarów, może dyskwalifikować cały element, a jeśli nie zostanie wykryte w porę, to nawet cały gotowy wyrób. Powstanie wady dyskwalifikującej element wymaga albo jej naprawy, albo ponownego wykonania elementu. Naprawy np. poprzez uzupełnienie powłoki woskami termoplastycznymi są stosowane ze względu na wysokie koszty tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy element jest dużych gabarytów, a jego wykonanie było trudnym, wielooperacyjnym procesem. O wiele częściej wykonuje się ponownie cały element. Dorobienie elementu generuje dodatkowe koszty i to większe niż wyprodukowanie elementu oryginalnego. Większe dlatego, że produkcja duplikatu jest już jednostkowa, a nie seryjna, a taka jest z zasady droższa.

 

Ostatecznie więc zamiast jednego taniego elementu muszą zostać wyprodukowane dwa – jeden tańszy (wadliwy) i jeden droższy. Powstaje pytanie: co robić, aby braków produkcyjnych było jak najmniej, a straty nimi powodowane były minimalne? Przedsiębiorstwa meblowe mają swoje sposoby na poprawę jakości krawędzi po obróbce. Są to na przykład: częsta wymiana narzędzi czy zmniejszenie prędkości posuwu. Jednak technik tych nie można stosować w sposób ciągły – narzędzia tępią się nierównomiernie, a zmniejszanie prędkości posuwu na stałe jest niewskazane ze względów wydajnościowych. Są to więc metody chwilowego przeciwdziałania wadom i aby były skuteczne, wymagają uzupełniającego narzędzia – „brakarza” – alarmującego obniżoną jakość krawędzi wyrobu, aby nie dopuścić do spadku jakości poniżej założonego poziomu minimalnego. Dodatkowo narzędzie to mogłoby wskazać element wadliwy. Jest zatem potrzeba ciągłej, bieżącej kontroli jakości krawędzi płyt wiórowych laminowanych w rzeczywistym czasie produkcji. Teoretyczna prostoliniowa krawędź płyty wiórowej laminowanej jest linią przecięcia zewnętrznej płaszczyzny powłoki melaminowej oraz wąskiej płaszczyzny płyty ukształtowanej podczas piłowania lub frezowania. O ile można założyć, że powierzchnia zewnętrzna powłoki jest płaska – powstaje bowiem jako odwzorowanie matrycy o wysokiej jakości, o tyle wąska powierzchnia płyty nigdy nie jest płaska. Porowata struktura wewnętrzna płyty wiórowej przyczynia się do powstania po obróbce mocno chropowatej powierzchni. Zazwyczaj powierzchnię tę okleja się obrzeżem PCV lub ABS, w związku z czym jej chropowatość nie ma większego znaczenia. Bardzo istotna jest za to struktura geometryczna skrajnych części powierzchni odpowiedzialnych za jakość krawędzi – bo te są widoczne nawet po wykończeniu obrzeżem.

Krawędzie o niskiej jakości zamiast być prostymi, wykazują wykruszenia, które mają różną geometrię i wielkość. Mogą sięgać dalej na płaszczyźnie powłoki lub wnikać w głąb w kierunku grubości płyty, obejmując samą tylko powłokę melaminową lub naruszając dodatkowo zewnętrzną warstwę płyty wiórowej. Wykruszenia występują zarówno w narożnikach elementów płytowych, jak i na ich bokach (rycina 3).

Z problemem opisu ilościowego stanu krawędzi borykało się wielu badaczy. Stosowali oni różne wskaźniki jakości, które w sposób mniej lub bardziej zadowalający opisywały stan krawędzi. Salje i Drueckhammer [1984, 1985] w swojej pracy dokonują przeglądu różnych wskaźników jakości krawędzi. W ich ocenie najskuteczniejszy jest parametr Sa, dyskretyzujący pole powierzchni pod linią średnią profilu i uwzględniający większe mnożniki dla głębiej umiejscowionych pól wykruszeń. Jego istota (rycina 4) polega zatem na założeniu, że nawet przy tym samym polu powierzchni wykruszenia krawędź ma różną jakość w zależności od tego, jak szerokie jest wykruszenie. Węższe i dłuższe wykruszenie jest mniej istotne niż krótkie a szerokie.

Pomiar geometrii krawędzi, służący wyznaczeniu jej jakości, może odbywać się w praktyce dwojako: albo przy użyciu metod stykowych, albo optycznych. W oparciu o parametr Sa powstał stykowy przyrząd do pomiaru jakości krawędzi skonstruowany w Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Technische Universitaet Carolo-Wilhelmina w Brunszwiku. Przyrząd ten za pomocą klina nachylonego pod katem 45o odwzorowywał „profil krawędzi”, a następnie dokonywał analizy jakości tego profilu. Zasada działania systemu pomiarowego przedstawiona jest na rysunku (rycina 5). Czujnik zamontowany jest na korpusie frezarki za pomocą ruchomej dźwigni (1). W czasie przejścia materiału obrabianego z prędkością posuwu vf obudowa czujnika wspiera się na krawędzi materiału na dwóch płozach (10). Między płozami znajduje się sensor (4) zbudowany z trzech warstw elastycznych blaszek tensometru elektrooporowego (6) i warstwy tłumiącej drgania (8). Fragment pozostający w kontakcie z krawędzią materiału chroniony jest przez płytkę diamentową o promieniu ostrza ok. 10 µm i jest dociskany do krawędzi dzięki naprężeniu wstępnemu elementu pomiarowego. W ten sposób w trakcie ruchu materiału obrabianego płytka podąża za nierównościami profilu krawędzi (metoda mechaniczna kontaktowa). Odchylenia sensora wywołują naprężenia w czujkach DMS, co z kolei powoduje powstanie różnic napięcia.

Powstały w ten sposób sygnał jest wzmacniany, a następnie interpretowany przez specjalnie do tego celu napisany i w ramach wykonanych prac zoptymalizowany program komputerowy. Ostatecznie jakość pojedynczej krawędzi materiału obrobionego podawana jest jako pojedyncza wartość Sa (mierzona przy przejściu krawędzi pojedynczej płyty wiórowej o długości 1 m). Wraz ze wzrostem drogi skrawania i posuwu wzrastała progresywnie także całkowita powierzchnia wykruszeń krawędzi Sa (rycina 6). Przez wszystkie punkty pomiarowe przeprowadzany był następnie rachunek regresji, co prowadziło do uzyskania krzywej wykładniczej. Wraz ze wzrostem drogi skrawania i posuwu wzrasta także rozrzut wartości pomiarowych. Jest to zgodne z praktyką obróbki materiałów drewnopodobnych, z obserwacjami dokonanymi podczas prowadzenia badań, jak i z wcześniejszymi doświadczeniami w trakcie opracowywania systemu pomiarowego [Salje i Stuehmeier]. Spowodowane jest to losowością występowania wykruszeń krawędzi wynikającą z anizotropii materiałów drzewnych. Stykowy przyrząd do pomiaru jakości krawędzi płyt laminowanych jest urządzeniem złożonym technicznie i wymaga drogiego oprzyrządowania. Doświadczalnie stwierdzono, że prędkości posuwu krawędzi analizowanych nie mogą przekraczać 0,3 m/s.

Wykruszenia brzegu gładkiej powierzchni płyty laminowanej wywołują rozproszenia światła padającego na nią tak, że gęstość energii świetlnej w wiązce odbitej od nieuszkodzonej powierzchni przy krawędzi jest większa niż wiązki rozproszonej na defekcie krawędzi. W efekcie przy oświetleniu badanego obszaru płyty defekty wyglądają ciemno na tle jasnej powierzchni nieuszkodzonej. Zjawisko to może służyć do oceny jakości krawędzi płyty metodami optycznymi, czyli wykorzystującymi systemy wizyjne. Przez obraz wizyjny rozumie się układ, w którym znajdują się elementy, których napięcie jest proporcjonalne do oświetlenia elementów obrazu (6). Pierwsze badania w tym zakresie rozpoczęto w 1981 r. na Uniwersytecie w Braunschweigu (7). Ostatnio H.W. Hoffmeister i T. Gribler (8) opracowali urządzenie sprawdzone doświadczalnie w centrum obróbczym. W urządzeniu tym krawędź płyty laminowanej lub pokrytej fornirem jest pod małym kątem równomiernie oświetlona halogenowym reflektorem. Obserwacja powierzchni w kierunku prostopadłym ujawnia krawędź w postaci obrazu jasnego pasa na kamerze CCD. Kamera CCD to zbiór przetworników fotoelektrycznych (pikseli), na których powstaje obraz wizyjny. Analiza tego obrazu opiera się na programie, który zmienia sygnał z piksela, który ma zaczernienie większe niż założona granica szarości, na biały. Sygnał z pikseli o szarości mniejszej zmienia na czarny. W ten sposób powstaje obraz „binarny”. Ważny jest sposób określenia granicy. Również ważne jest sprzężenie „kroku”, który robi kamera CCD między kolejnymi ujęciami a przesunięciem płyty tak, żeby obrazy krawędzi łączyły się ze sobą bez „szwu”. Urządzenie sprawdzono in situ przy prędkości nie większej niż 0,8 m/s-1, co jest stosunkowo małą prędkością w stosunku do posuwów stosowanych w przemyśle. Ulepszenie zdolności rozdzielczej urządzenia i jego stosowalności przy większych prędkościach zależy od częstotliwości, z jaką pracuje kamera. Jednak ultraszybkie systemy wizyjne są bardzo drogie. Systematyczne badania optymalizacji urządzenia z kamerą CCD do kontroli jakości krawędzi laminowanej płyty w trakcie procesu skrawania przeprowadzono w pracy, w której wypróbowano różne źródła światła: laser i żarówkę, różne ich nachylenie (36o i 45o) oraz różne prędkości obróbki (0,02 m/s-1, 0,06 m/s-1, 0,1 m/s-1) (9). Jakość krawędzi była charakteryzowana przez parametry profilu i widma mocy świetlnej rozproszonej na krawędzi. Najlepszym źródłem światła okazał się laser. Prędkość obróbki najsilniej wpływała na dokładność wyników. Według rozeznania autorów w zakładach, w których stosuje się obróbkę laminowanych płyt wiórowych na obrabiarkach: formatyzerkach, formatyzerko-czopiarkach i pilarkach NC oraz okleiniarkach wąskich płaszczyzn, jak również na podstawie zależności parametru Sa od odległości od krawędzi płyty, decydującym parametrem istotnym dla jakości krawędzi jest głębokość wykruszenia. Obserwacje te stały się założeniem nowego rozwiązania automatycznego „brakarza” jakości krawędzi laminatów. Jak do tej pory nie zostało skonstruowane tanie urządzenie, które spełniałoby rolę automatycznego „brakarza” w rzeczywistym czasie szybkich procesów obróbki. W ramach Programu Wieloletniego – PW-004 pod tytułem „Doskonalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004-2008” prowadzonego przez Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy w Radomiu podjęto prace nad opracowaniem taniego, łatwego w instalacji i obsłudze urządzenia, które spełniałoby rolę automatycznego „brakarza” w rzeczywistym czasie szybkich procesów obróbki drewnopochodnych płyt laminowanych. Badania te realizowane są w Katedrze Obrabiarek i Podstaw Konstrukcji Maszyn – WTD Akademii Rolniczej w Poznaniu.

Beer Piotr1, Pałubicki Bartosz1, Sawosz Piotr2, Witold Rybarczyk1
1 Katedra Obróbki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Akademia Rolnicza w Poznaniu, Wojska Polskiego 38/42, 60-627 Poznań
2 Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, Księcia Trojdena 4, 02-109 Warszawa

Literatura
1. Coelho C., Martins J., Carvalho L., Massan D., Mecausoone P.: A nowel method fro evaluating the influence of wood machining conditions on the quality of a finished surface. Materiały konferencyjne: 17th Inter. Wood Machining Seminar, Resenheim, Niemcy, 2005.
2. Dubenkropp B.: Praca doktorska. Uniwersytet w Brunszwiku.
3. Gogolewski P.: Praca doktorska, Politechnika Łódzka, 2005.
4. Herman M., Kalestyński A., Widomski L.: Wstęp do fizyki, PWN 2005.
5. Hoffmeister H.W., Gruebler T.: Qualitaetskontrolleim Bearbeitungszentrum. HOB 6 (2004) 52.
6. Mammel R. Maschinell sehen. Holz- und Kunststoffverarbeitung 2/1998.
7. Rybarczyk W.: Rozważania o ergonomii w gospodarce. Centrum Zastosowań Ergonomii, Zielona Góra 2000.
8. Salje F., Drueckhammer J.: Qualitaetskontrolle bei der Kantenbearbeitung. Holz als Roh- und Werkstoff 42/1984.
9. Salje E., Drueckhammer J.: Kantenschartigkeitsmessung an beschichteten Spanplatten, Holz-Zentralblatt, 122/1985.
10. Salje E., Stuehmeier W.: Fräsen von KF-Platten mit Hartmetall und PKD, IDR, 2/1987.