Станки с ЧПУ для резки ткани, кожи и композитов: осциллирующий нож и ультразвук

Как устроен станок для мягких материалов

Планшетный станок для ткани и кожи по схеме похож на режущий плоттер. Статический режущий стол устроен так: большой плоский стол с мелкими отверстиями, материал на нём накрывают плёнкой или бумагой, включают вакуумный насос, и атмосферное давление прижимает материал к столу. Дальше портал с инструментом работает как обычный плоттер. Такой стол подходит для нежёстких и пористых материалов, которые не удержать на рулонном плоттере: текстиль, пенопласт, кожа. Он же режет заметно более толстые и тяжёлые материалы, чем рулонные модели.

Вакуум здесь выполняет функцию струбцин. Ткань не двигается, не подтягивается за ножом и не сдвигается на поворотах. Поэтому покрытие стола и герметизирующая плёнка — расходники, которые влияют на точность не меньше, чем сам инструмент. О вакуумном столе как узле станка есть отдельный термин: вакуумный стол.

Режущая головка принимает сменные модули. В каталоге Zünd, например, есть электрический осциллирующий инструмент для мягких и средних по плотности материалов, более мощная версия для толстого картона и кожи, пневматический осциллирующий инструмент с увеличенным ходом (производитель указывает резку плотных материалов толщиной до 110 мм), вращающиеся инструменты для технических тканей, углеродного и стекловолокна, а для одиночного слоя стекло- и углеткани есть дисковый нож. Это пример того, как разбит инструмент по материалам, а не сравнение моделей.

Осциллирующий и тангенциальный нож

Обычный нож плоттера, который тянется за кареткой, на плотных материалах упирается в сопротивление слоя. Осциллирующий нож колеблется вдоль оси и каждым ходом входит в материал. Так описывает принцип Sundi и добавляет, что инструмент режет холодно и не даёт зоны термического влияния, поэтому нет оплавления, подгорания и деформации. Это же делает его основным инструментом для пены, композитных материалов и слоистых заготовок.

Тангенциальный нож отличается тем, что привод разворачивает лезвие по направлению реза, и плоскость лезвия всегда лежит вдоль траектории. Это практика раскройных станков, а не цифры из паспорта: на острых углах и малых радиусах так получается чище кромка. Вращающиеся инструменты (в каталоге Zünd они указаны для технических тканей, углеродного и стекловолокна) режут колесом, которое катится по линии реза. Конкретные числа хода, частоты и допустимой толщины зависят от модели головки, и по ним надо смотреть паспорт станка, а не обобщения.

Ультразвуковая резка и сонотрод

В ультразвуковом ноже лезвие колеблется с частотой выше слышимой, а не со слышимыми ударами, как у осциллирующего. Сонотрод — это инструмент, создающий ультразвуковые колебания и передающий их в материал. Обычно это пакет пьезоэлементов на сужающемся металлическом стержне, который работает как полуволновой резонатор. Стандартные частоты сонотродов лежат в диапазоне от 20 до 70 кГц, амплитуда мала, около 13–130 мкм. Сонотроды делают из титана, алюминия или стали.

Что это даёт на практике, видно из описаний производителей. Weber Ultrasonics перечисляет материалы, которые режет такой инструмент: флис, ковровые покрытия, пену, резину, лёгкие материалы, плёнки, стекло- и углеволокно, стопы и сотовые структуры, а также тесто, сыр, мясо и замороженные или липкие пищевые продукты. Из преимуществ называет почти нулевую потерю материала, отсутствие осыпания кромки, малый износ инструмента и резку с одновременным запаиванием края. Для пищи это значит сыр, тесто или мясо, в том числе тёплые, свежие, липкие и замороженные: сонотрод режет их без давления на изделие. Так же на ультразвуковых станках режут торты: изделие не мнётся.

Что режут и чем

Ниже сводка по материалам. Это ориентир, собранный из каталогов и статей производителей оснастки (источники в конце), а не рецепт для конкретной марки. Режимы и допустимую толщину проверяйте по паспорту станка и образцу материала.

С композитами есть нюанс: углеродная пыль электропроводна, поэтому в статье Zünd про резку композитов отдельно упоминают изоляцию, безопасную для углеродного волокна, и очистку конвейерной ленты от пыли.

Нож, ультразвук, лазер, плоттер и ножницы

Лазер режет ткань тоже: CO2-лазеры применяют для промышленной резки тканей, пластика, дерева и бумаги. Разница в том, что делает тепло с кромкой.

На синтетике лазер оплавляет кромку и запаивает её, ткань не осыпается. Статья команды MPattern про лазерные и ножевые плоттеры называет это настоящим плюсом для полиэстера и нейлона. С натуральными тканями иначе: луч не запаивает, а обугливает хлопок, лён и шёлк, и на краю появляется бурая или жёлтая кромка и характерный запах. Лазер требует вытяжки, у ножевого стола дыма нет, нужна только уборка пыли и обрезков.

Ультразвук тоже даёт запаянную кромку на подходящих синтетиках, и по этому признаку он ближе к лазеру, а не к ножу. Но тепло здесь возникает в зоне контакта от колебаний, а не от луча. Производители оговаривают, что кромка запаивается у «определённых материалов», так что универсальным решением ультразвук не является. Из источников не следует, что запаянная кромка у ультразвука хуже или лучше, чем у лазера, поэтому сравнивать их по качеству шва без пробной резки вашей ткани нельзя.

Осциллирующий нож запаивания не даёт: он режет холодно, и осыпающуюся ткань придётся дополнительно обрабатывать на шве или подбирать другой инструмент. Это нормально для кожи, пены, картона и композитных тканей, где запаивание не нужно.

Лазер в основном работает с одним слоем. По данным MPattern, многослойный ножевой раскрой остаётся основой массового пошива одежды: 50–200 слоёв за один проход. Для небольших партий и разных материалов в мастерской это второстепенно, для швейной фабрики решающе.

Ножницы и ручной раскройный стол сравнивают с ЧПУ по повторяемости: станок с вакуумом режет каждую деталь по одному контуру, при ручной резке результат зависит от оператора. Режущий плоттер на рулоне или листе занимает нишу малых форматов, винила и тонких материалов, а нежёсткие, пористые и тяжёлые материалы режут на статическом вакуумном столе.

Раскрой, стопа и экономия материала

Станок экономит материал в первую очередь через раскладку деталей. Задача называется nesting: расположить детали на полотне так, чтобы остатки были минимальными. В материалах Zünd программный модуль для композитов использует алгоритмы раскладки, чтобы повысить использование материала и сократить отходы, хотя процент экономии в документе не приводится. Поэтому и мы цифру выдавать не будем.

Покажем расчёт на условном примере. Деталь занимает площадь 0,62 м², при плотной раскладке полотно под один комплект занимает 0,78 м². Использование материала 0,62 / 0,78 ≈ 79 %. Если программа раскладывает детали с поворотом и вкладывает мелкие в просветы, площадь на комплект уменьшается, скажем, до 0,70 м², и использование растёт до 0,62 / 0,70 ≈ 89 %. На рулоне в 100 м² это разница в 11 м² ткани. Цифры условные, реальный выигрыш зависит от формы деталей, направления нитей и рисунка.

Для раскладки нужны векторные контуры без разрывов, о подготовке файлов для станков такого типа написано в статье про требования к DXF, а принцип векторной резки для ножа тот же, что и для лазера.

Типичные ошибки и брак

Станки для камня и стекла

Всё выше относится к мягким и слоистым материалам. Камень, стекло, керамогранит и толстый металл ножом и ультразвуковым инструментом не режутся. Для них нужен гидроабразив или алмазный инструмент: струя воды с гранатом вымывает кромку без нагрева, алмазный диск или канатная пила шлифуют камень. Как устроена гидроабразивная резка и что она берёт, разобрано в статье «Как работает гидроабразивная резка». Если выбираете между лазером, плазмой и водой для металла, смотрите сравнение.

Ультразвуковая обработка с абразивной суспензией (ultrasonic machining) к ножевому ультразвуку не относится: там инструмент колеблется в среде с абразивом и снимает хрупкие материалы. Это другая технология.

Если выбираете между ножом и лазером, прогоните образцы своего материала на обоих и сравните кромку под лупой. Лазерную резку кожи и ткани в мастерской описывает статья про CO2-станок и режимы, а перечень материалов, которые лазеру противопоказаны, — здесь. Остальные станки для необычных материалов собраны в подтеме «Другие станки с ЧПУ».