Różnorodność gatunków i łatwość przemysłowej obróbki drewna decyduje o coraz większym popycie na ten surowiec. Jednakże ze wzrostem zapotrzebowania na drewno obniża się wiek rębny drzewa, a więc i jakość drewna. Problem braku dostępności wysokiej jakości drewna litego został rozwiązany dzięki upowszechnieniu się tzw. tworzyw drzewnych. Płyta stolarska, wiórowa, MDF czy HDF dzięki nowoczesnemu przemysłowi jest równie wartościowym materiałem jak niegdyś drewno lite.
Wadą drewna litego w zastosowaniach konstrukcyjnych jest niska wytrzymałość na zginanie. Dzięki zastosowaniu płyty stolarskiej można lepiej wykorzystać surowiec, a sam materiał zyskuje na wytrzymałości. Tworzywa drzewne można znacznie łatwiej niż drewno lite zabezpieczyć przed ogniem i biodegradacją, co czyni z materiałów drewnopochodnych doskonały materiał konstrukcyjny. Obecnie standardem w pozyskaniu drewna jest wycinanie sosny o średnicy 30 cm. Z tak małej kłody trudno pozyskać element drzewny, z którego można by wyprodukować blat stołu. Dzięki zastosowaniu płyt wiórowych i wysokiej jakości fornirów każdy może się cieszyć posiadaniem mebli wykonanych z egzotycznych gatunków drewna za przystępną cenę. Tworzywa drewnopochodne są dodatkowo znacznie bardziej niż drewno lite odporne na wpływ czynników atmosferycznych. Najbardziej przetworzone płyty MDF oraz HDF wykorzystują w 100% surowiec drzewny. Coraz wyższe wymagania klientów każą przemysłowi wprowadzać meble o coraz bardziej wyszukanej konstrukcji. Gdyby przemysł skupiał się tylko na wykorzystaniu litego drewna, musielibyśmy stawić czoła wysokim cenom mebli lub szybkiemu deficytowi surowca.
Cele obróbki ściernej
Włóknista struktura drewna powoduje, że jest to materiał bardzo niejednorodny, a co za tym idzie, dość „niepokorny” w obróbce. Element drzewny tuż po przetarciu posiada na swej powierzchni dużą ilość luźnych włókien. W procesie strugania można jedynie zgrubnie wyrównać jego powierzchnię. Pozornie gładka powierzchnia drewna posiada wiele zagładzonych włókien, które nie pozwalają na uszlachetnienie powierzchni. Na tym etapie rozpoczyna się obróbka ścierna, której celem jest jak najdokładniejsze usunięcie włókien drzewnych i przygotowanie powierzchni do naniesienia powłok lakierniczych. Od niepamiętnych czasów cieśla czy stolarz był traktowany niemal jak artysta, który potrafił z kłody drewna wyrzeźbić misterne i niepowtarzalne dzieła sztuki. Obecnie już nie wystarczy tylko kunszt mistrza stolarskiego. Do przemysłu drzewnego wkraczają najnowsze technologie. Dawniej oceniano każdy kawałek drewna tak, by możliwie najlepiej wykorzystać jego właściwości. Przy produkcji masowej jest to już niemożliwe. Zabiegi techniczne, jakim poddane jest drewno, w maksymalny sposób ogranicza jego niesforną naturę.
Aby proces szlifowania był efektywny, należy przestrzegać kilku podstawowych zasad.
1. Szlifowanie należy optymalizować w kierunku skrawania, a nie deformowania włókien drzewnych.
Drewno po obróbce na strugarce posiada wiele luźnych włókien, które zostały zgniecione lub zaprasowane przez głowicę strugarki. Powierzchnia strugana pozornie jest gładka, lecz z czasem po wzroście wilgotności na powierzchni drewna luźne włókna „wstają” ponad powierzchnię drewna, co doprowadza do wyczuwalnego pogorszenia jakości obrabianego elementu. Celem obróbki szlifierskiej jest możliwie jak najdokładniejsze ścięcie luźnych włókien drzewnych. Dokładność wykończenia na tym etapie obróbki decyduje o jakości powłoki lakierniczej. Skuteczność skrawania uzależniona jest również od stopnia zużycia narzędzi ściernych. Nowy pas ścierny jest w stanie skutecznie oddzielić luźne włókna od powierzchni drewna. Przytępiony lub zapchany może sprasować luźne włókna. Po naniesieniu lakieru podkładowego luźne włókna wstają nad warstwę lakieru, wskutek czego powierzchnia drewna staje się szorstka, co wymaga kolejnej operacji szlifowania. Do szlifowania międzyoperacyjnego powłok lakierniczych zazwyczaj stosuje się narzędzia o granulacji P280-P400 z ziarnem z węglika krzemu. Taki pas zazwyczaj nie jest w stanie usunąć luźnych włókien. Jedynym wyjściem jest ponowne szlifowanie pasem z ziarnem z tlenku glinu, co powoduje przedłużenie procesu technologicznego i niepotrzebne usuwanie warstwy lakieru podkładowego. Zdecydowanie korzystniejsze jest właściwe przygotowanie powierzchni drewna przed lakierowaniem.
2. Zbyt wysoka temperatura szlifowania prowadzi do przedwczesnego zużycia narzędzi ściernych.
Obróbka ścierna drewna wyzwala duże ilości ciepła. Zbyt wysoka temperatura procesu szlifowania prowadzi do uplastyczniania się, a nawet do uwolnienia żywic, garbników zawartych w drewnie lub klejów i innych środków chemicznych naniesionych na jego powierzchnię. Uwolnione składniki drewna lub syntetyczne środki pomocnicze połączone z pyłem drzewnym mogą doprowadzić do zatykania się i zaklejania narzędzi ściernych. Do wzrostu temperatury może przyczynić się praca zużytym narzędziem ściernym, zastosowanie zbyt drobnej granulacji lub zbieranie zbyt dużych naddatków na pasach przeznaczonych do obróbki wykańczającej. Wysoka temperatura jest jeszcze groźniejsza przy szlifowaniu powłok lakierniczych. Zastosowanie niewłaściwego materiału ściernego może doprowadzić nawet do uplastycznienia lakieru.
3. Wióry powinny być z procesu możliwie całkowicie usuwane.
Luźne wióry lub pył drzewny w trakcie szlifowania mogą być wciskane w narzędzia ścierne lub wpasowywane w powierzchnię drewna. Prowadzi to do wzrostu temperatury pracy, zapychania narzędzi ściernych pyłem i obniżenia skuteczności szlifowania. Usuwanie pyłów drzewnych jest ważne także z uwagi na bezpieczeństwo pracy. Mieszanina powietrza i pyłu drzewnego jest mieszaniną samowybuchową. Pył drzewny niektórych gatunków liściastych może być także rakotwórczy.
Etapy obróbki ściernej
W zależności od ilości zebranego naddatku obrabianego materiału mamy do czynienia z procesem kalibrowania lub obróbki wykańczającej.
Kalibrowanie
Kalibrowanie drewna ma na celu uzyskanie elementu o określonej grubości. Od materiału ściernego do kalibrowania wymagana jest możliwość zbierania dużych naddatków materiałowych. Do tego celu stosuje się najczęściej pasy ścierne z twardym ziarnem ceramicznym na mocnym podłożu odpornym na uszkodzenia mechaniczne. Najlepszym materiałem do tego celu jest płótno poliestrowe, które oprócz wytrzymałości jest wodoodporne, co pozwala na regenerację pasów zapchanych pyłem ściernym lub żywicą. Możliwość regeneracji jest bardzo ważna przy kalibrowaniu drewna iglastego, które powoduje szybkie zapychanie materiału ściernego.
Obróbka wykańczająca
Obróbka wykańczająca polega na wyrównaniu powierzchni drewna, której celem jest przygotowanie powierzchni do naniesienia powłoki lakierniczej. Od jakości jej wykończenia zależy ilość materiałów lakierniczych, które należy nanieść na obrobiony element. Do obróbki wykańczającej najczęściej stosuje się narzędzia ścierne z ziarnem z tlenku glinu na podłożu papierowym. Do obróbki elementów krzywoliniowych często używa się bardziej wytrzymałych na rozrywanie pasów na elastycznym podłożu płóciennym. Na tym etapie obróbki bardzo ważny jest właściwy dobór sekwencji materiałów ściernych. Szeroka gama granulacji materiałów ściernych niezbędnych do właściwego przygotowania powierzchni drewna – od P80 do P220 – wymaga takiego ustawienia procesu, by uzyskać możliwie najlepszą powierzchnię przy zastosowania jak najmniejszej sekwencji materiałów ściernych. Każda kolejna granulacja powinna szybko i łatwo usunąć rysy powstałe przy szlifowaniu poprzednią granulacją. Zastosowanie zbyt niskiej granulacji prowadzi do niepotrzebnego usuwania materiału drzewnego. Zbyt wysoka granulacja prowadzi do zagładzania włókien drzewnych i szybkiego zużycia materiałów ściernych.
Obróbka powłok lakierniczych
Powierzchnia drewna jest bardzo podatna na uszkodzenia mechaniczne i działanie czynników atmosferycznych, dlatego konieczne jest zabezpieczenie jej przez naniesienie powłoki lakierniczej. Pierwsza warstwa lakieru podkładowego ma zagruntować powierzchnię drewna i przygotować ją do naniesienia lakieru nawierzchniowego. Zastosowanie ekologicznych wodnych lakierów podkładowych na bazie wody powoduje wprowadzenie wilgoci do drewna. W efekcie z powierzchni drewna powstają włókna drzewne, które nie zostały dokładnie usunięte w procesie obróbki wykańczającej. Materiał ścierny na tym etapie obróbki ma za zadanie usunąć włókna drzewne. W zależności od twardości i gładkości powłoki lakierniczej stosuje się narzędzia ścierne z ziarnem z tlenku glinu lub częściej węglika krzemu na miękkim podłożu papierowym. Ziarno z węglika krzemu zapewnia gładszą powierzchnię lakieru, ale jest zdecydowanie mniej agresywne niż ziarno korundowe. Z tego powodu do szlifowania gładkich powłok stosuje się narzędzia z ziarnem z węglika krzemu, a do twardych powłok i takich, które należy wyrównać przed naniesieniem lakieru nawierzchniowego – narzędzia z ziarnem korundowym. Zastosowanie właściwego materiału ściernego decyduje o jakości powłoki lakierniczej. Niedokładności szlifowania międzyoperacyjnego powodują konieczność szlifowania kolejnych warstw powłoki lakierniczej, co wiąże się z dużym zużyciem materiałów ściernych i zwiększeniem zużycia lakierów. Szlifowanie powłoki lakieru podkładowego ma na celu także „rozwinięcie” powierzchni powłoki lakierniczej, co zapewnia lepszą adhezję kolejnej warstwy lakieru.
Materiały ścierne
Budowa materiałów ściernych
Materiał ścierny zbudowany jest z ziarna mineralnego zatopionego w żywicy i przyklejonego do podłoża. Jako podłoże stosuje się w zależności od wymagań wytrzymałościowych papier siarczanowy, płótno bawełniane lub poliestrowe o różnej grubości i twardości. Zazwyczaj stosuje się zasadę, zgodnie z którą ze wzrostem granulacji narzędzia ściernego zmniejsza się gramatura i twardość podkładu oraz spoiwa podkładowego. Spoiwem może być klej skórny stosowany do produkcji elastycznych materiałów do obróbki ręcznej lub twarda żywica syntetyczna do produkcji materiałów, od których wymaga się dużej wytrzymałości na obciążenia mechaniczne.
Najistotniejsze w każdym materiale ściernym jest ziarno, które odpowiada za skuteczność i jakość szlifowania. Najbardziej popularnymi minerałami ściernymi stosowanymi w przemyśle drzewnym jest tlenek glinu oraz węglik krzemu.
Węglik krzemu
Ziarno z tlenku glinu jest przeznaczone do obróbki wykańczającej. Obły kształt i odporność na rozkruszanie czyni z niego idealne narzędzie do operacji, w której wymagane jest usuwanie naddatku materiałowego. Ziarno z węglika krzemu jest twarde, ale jednocześnie bardzo kruche. Jest to powszechnie stosowany materiał do szlifowania powłok lakierniczych. Ziarno ścierne z węglika krzemu jest na tyle ostre, by ściąć włókna drzewne i zmatowić powłokę lakieru podkładowego, lecz jednocześnie zbyt kruche, by doprowadzić do przeszlifów. Drewno jest surowcem bardzo łatwo zapychającym narzędzia ścierne. Często w narzędziach ściernych stosuje się powłoki, które jako warstwa rozdzielająca między środkiem ściernym i elementem obrabianym chronią powierzchnię środka ściernego przed przedwczesnym zużyciem oraz zatykaniem się pyłem szlifierskim. W pasach ściernych najczęściej stosuje się powłokę antystatyczną, a w krążkach ściernych oraz narzędziach do obróbki ręcznej woskopodobną powłokę stearynianową.
W zależności od przeznaczenia narzędzi ściernych stosuje się nasyp otwarty lub zamknięty. O tym, czy mamy do czynienia z nasypem otwartym, czy zamkniętym świadczy ilość naniesionego ziarna ściernego na jednostkę powierzchni. Im więcej ziaren zostanie naniesionych na powierzchnię, tym nasyp jest bardziej zagęszczony (zamknięty). W nasypie zamkniętym ziarno ścierne pokrywa 100% powierzchni podkładu, natomiast w nasypie otwartym 50-70%. Nasyp otwarty stosuje się w narzędziach ściernych o ziarnistości P16-P120, natomiast zamknięty przy ziarnistości powyżej P150. Nasyp otwarty zapewnia: możliwość zbierania dużych naddatków, wysoką wytrzymałość materiału ściernego, niską temperaturę obróbki, wysoką ostrość materiału ściernego, obniżoną tendencję do zapychania pyłem ściernym. Natomiast nasyp zamknięty daje gładką powierzchnię oraz równomierny obraz szlifu. Ale również powoduje większą tendencję do zapychania pyłem ściernym i możliwość zbierania małych naddatków.
Zmienna „gęstość rozproszenia” wyjaśnia, dlaczego dobór wielkości ziarna ściernego nie może jednoznacznie decydować o jakości szlifowania. Taka sama ziarnistość P120 może być zarówno otwarta, jak również zamknięta i w zależności od rodzaju wiązania i pochodzenia ziarna może dawać całkowicie różne wyniki szlifowania.
Narzędzia ścierne
Pasy bezkońcowe
W produkcji masowej najczęściej spotykanym narzędziem do obróbki ściernej jest pas bezkońcowy zastosowany na szlifierce przelotowej. Na schemacie przedstawiono typowy proces wykańczania elementów płytowych z zastosowaniem szlifierek taśmowych i linii UV. Pas do szlifowania poprzecznego ma za zadanie usunąć resztki kleju z obrzeży płyty. Pasy szerokie do szlifowania wzdłużnego wygładzają powierzchnię, przygotowując ją do naniesienia lakieru podkładowego. Wzdłużne szlifowanie powłoki lakierniczej ma na celu usunięcie włosa powstałego po naniesieniu lakieru podkładowego oraz zmatowienie powierzchni przed naniesieniem lakieru nawierzchniowego. Zawsze istniała pokusa zredukowania etapów szlifowania. Nie zawsze jest to możliwe. Zasadniczo nie należy dokonywać „przeskoków” o więcej niż jedną granulację przy szlifowaniu drewna i nie więcej niż dwie granulacje przy szlifowaniu powłok lakierniczych.
Obróbka ręczna
Praca na szlifierkach szerokotaśmowych pozwala na szybkie i bardzo dokładne szlifowanie. Jednakże pomimo zaangażowania bardzo skomplikowanych rozwiązań technicznych nie udało się z przemysłu drzewnego wyeliminować obróbki ręcznej. W procesie produkcyjnym, gdzie zastosowanie szlifierki na pas bezkońcowy jest nieuzasadnione, można wykorzystać szlifierkę oscylacyjną z okrągłą lub prostokątną stopą roboczą. Narzędzie takie posiada ciekawą zaletę. Ruch obrotowy zapewnia bardzo delikatną obróbkę wykańczającą, natomiast ruch oscylacyjny pozwala na zbieranie dużych naddatków czy załamywanie ostrych krawędzi. Jednym z etapów obróbki, który rzutuje na jakość wykończenia mebli, a gdzie obróbka ręczna jest trudna do zastąpienia, jest właśnie załamywanie ostrych krawędzi. Pozostawienie ostrej krawędzi powoduje spływanie lakieru na powierzchnię płaską detalu. Krawędź taka jest podatna na uszkodzenia już na etapie szlifowania międzyoperacyjnego powłoki lakierniczej. Do załamywania krawędzi oprócz szlifierek oscylacyjnych doskonale nadają się gąbki ścierne. Gąbki jednostronne służą do szlifowania zarówno powierzchni płaskich, jak i profili. Odpowiednia twardość pozwala na perfekcyjne ścinanie włosa po naniesieniu lakieru podkładowego. Elastyczna gąbka dwustronna jest wykorzystywana do szlifowania nawet najbardziej skomplikowanych profili. Gąbka czterostronna dzięki swej twardości nadaje się nawet do obróbki wykończeniowej drewna, a nasyp na czterech ściankach pozwala na szlifowanie wewnętrznych krawędzi.
Nie zawsze od narzędzia ściernego wymagana jest agresywność pracy. Przy pracach wymagających delikatnej obróbki sprawdzają się włókniny ścierne. Są one zbudowane z luźno upakowanych nitek nylonowych połączonych żywicą, w której zatopione są ziarna ścierne. Włókniny ścierne znalazły zastosowanie do ręcznego szlifowania bardzo skomplikowanych i trudno dostępnych elementów, takich jak np. tralki balkonowe. Bardzo miękki podkład sprawia, że włókniny ścierne są także doskonałym narzędziem do matowienia powłok lakierniczych. Budowa fizykochemiczna drewna decyduje o tym, że do jego obróbki niezbędne jest stosowanie materiałów ściernych. Proces szlifierski jest kosztowny i nie zawsze efekty pracy odpowiadają wymaganiom producenta. Poprzez odpowiedni dobór narzędzi obróbka ścierna nie musi być utrapieniem. Właściwy dobór materiałów szlifierskich i ustawienie samego procesu szlifowania gwarantuje jakość wykonania mebla oraz optymalizuje koszty produkcji.
Opr. Wiesław Miron
3M Poland Sp. z o.o.
Przedruk z: Uszlachetnianie powierzchni drewna. Dodatek specjalny do czasopisma „Lakiernictwo Przemysłowe” cz. 1. 2005, s. 35-38.
