Станок для резки пенопласта с ЧПУ: как работает нихромовая струна и как выбрать

Как называется станок и что у него внутри

В обиходе такой станок называют терморезкой, термическим резаком, станком струнной или горячей струнной резки. В англоязычных источниках это hot wire foam cutter. Конструктивно в нём три части: рама с кареткой, которая ведёт проволоку по заданному контуру, блок питания, который греет её током, и контроллер с программой в G-коде.

Проволока работает как нагреватель. Нихром (сплав никеля и хрома, у марки A около 80 % никеля и 20 % хрома) выбирают за высокое удельное сопротивление, около 1,12 мкОм·м, примерно в 66 раз выше, чем у меди, и за стойкость к окислению на воздухе. Температура его плавления около 1400 °C, так что для пенопласта запас огромный.

Температуры размягчения и разложения взяты из паспорта безопасности вспененного полистирола. Для самой проволоки источники называют разные цифры. Вики по горячей струне cncfoam.com пишет о 200–400 °C для работы с пенопластом, а в расчётах любителей на сайте Jacobs Online начальной целью служит около 1000 °F, то есть примерно 540 °C. Температуру проволоки в работе никто не меряет, поэтому эти числа не уставка.

Принцип резки: плавление, подача и «прогиб» струны

Вики cncfoam.com описывает резку как баланс трёх вещей: нагрев, отвод тепла и скорость. Пенопласт не горит, а плавится и испаряется в тонкой зоне перед проволокой, и сама проволока идёт в промежутке из пара и размягчённого материала.

Отсюда следует, что произойдёт при неверной скорости:

Из этого получается рабочее правило из той же вики: подбирать самую медленную комфортную подачу, при которой струна остаётся прямой. Прямая струна даёт точный рез. Температуру проверяют так: берут обрезок того же пенопласта, пускают прямую линию на выбранной скорости и смотрят на ширину реза и положение струны. Нагрев растёт, пока рез не станет тонким и чистым.

Чем плотнее материал, тем больше сопротивление, и подачу нужно снижать или нагрев повышать. Чем длиннее участок струны в самом пенопласте, тем сильнее она изгибается, поэтому в толстых блоках скорость тоже падает.

Что можно вырезать: оси и конструкция

Проволока прямая, и это главное ограничение. Двигая её концы, станок получает линейчатые поверхности: плоскость, цилиндр, конус, скос. Шар или выпуклость одним проходом не вырезать, потому что через такую поверхность нельзя провести прямую.

Вики cncfoam.com различает четыре схемы:

• 2 оси (X/Y). Оба конца струны ходят вместе, струна параллельна самой себе. Получается деталь постоянного сечения: плоские буквы, прокладки, вкладыши, шаблоны. Конусов и скосов нет.
• 3 оси (X/Y и вращение). К двум осям добавлен поворотный стол. Профиль режут, блок поворачивают на заданный угол и режут снова: так делают колонны, многогранники, балясины.
• 4 оси (X/Y и U/V). Два независимых узла двигают каждый свой конец струны в двух направлениях. Струна идёт между разными профилями, поэтому режет сужающееся крыло, переход из квадрата в круг, закрученную колонну.
• 5 осей. Четыре оси плюс стол для объёмных деталей, собранных из нескольких проходов с поворотом.

Конструктивно встречаются вертикальная рамка, где струна режет плиту по всей толщине за один проход, и порталы с горизонтальной струной между двумя стойками, у которых концы двигаются независимо. Для длинной струны нужно пружинное натяжение: нагретая проволока удлиняется и без компенсации провисает.

Что хотите вырезать и какой станок нужен

Материал: EPS и XPS

EPS — вспененный (беспрессовый) пенополистирол, белая «крупа». В России его регулирует ГОСТ 15588-2014 «Плиты пенополистирольные теплоизоляционные»: плиты делают беспрессовым способом из вспенивающегося полистирола с антипиренами. Стандарт выделяет марки от ППС10 до ППС45, а для фасадных систем ещё ППС15Ф, ППС16Ф и ППС20Ф. Число в названии отвечает минимальной плотности в кг/м³: у ППС15 это 15, у ППС25 это 25. Прочность на сжатие при 10 % деформации растёт вместе с плотностью, для ППС12 это не менее 60 кПа, для ППС35 не менее 250 кПа.

Сами плиты в стандарте делят на типы: резаные из крупных блоков (Р), графитосодержащие резаные (РГ) и термоформованные (Т). Образцы для испытаний стандарт велит вырезать нагретой нихромовой проволокой, то есть струнная резка там описана как штатный способ. Чем плотнее марка, тем твёрже поверхность и тем детальнее рез, а для мелкого рисунка это важнее скорости: по cncfoam.com, плотному материалу нужен больший нагрев или меньшая подача.

XPS — экструдированный пенополистирол, плотный и мелкоячеистый. В России его описывает ГОСТ 32310-2020 «Изделия из экструзионного пенополистирола, применяемые в строительстве». Cncfoam.com отмечает, что XPS режется до более гладкой твёрдой поверхности, хорошо шлифуется и красится, но требует чуть больше нагрева или чуть меньшей скорости. Для мелких деталей и архитектурного декора это обычно лучший выбор.

Файлы и программы

Большинство станков принимает на вход векторный контур. Cncfoam.com загружает SVG, DXF (примитивы LWPOLYLINE, POLYLINE, CIRCLE, LINE, ARC, SPLINE) и готовый G-код, а потом считает время реза и показывает 3D-предпросмотр. Там же советуют делать контур одним замкнутым путём без лишних объектов: так файл читается без ошибок. Форматы описаны в терминах DXF и G-код.

G-код у термореза проще, чем у фрезера: нет шпинделя, смены инструмента и заходов по глубине. По описанию cncfoam.com, нагрев струны включают как вспомогательный выход командой M8 и выключают M9, после включения ставят короткую паузу G4 на прогрев, а скорость F задаёт скорость струны. Для 4 осей добавляются координаты U и V второго конца струны. Пример:

G90 G17 G21        ; абсолютные координаты, миллиметры
G0 X0 Y0 U0 V0     ; подъезд к старту, струна холодная
M8                 ; нагрев включён
G4 P0.7            ; пауза 0,7 с на прогрев
G1 X50 Y0 U50 V0 F400
G1 X50 Y30 U50 V30
M9                 ; нагрев выключен

Команды включения нагрева зависят от контроллера, так что точный набор берут из инструкции станка.

Ширина реза и поправка в программе

Согласно cncfoam.com, рез складывается из диаметра проволоки и расплава по бокам и в сумме составляет около 0,5–1,5 мм. Чем горячее струна и чем медленнее подача, тем он шире. Из-за этого деталь по внешнему контуру получается меньше нарисованной, а отверстие больше. Для точных пар поправку делают так: наружную траекторию смещают наружу на половину ширины реза, внутреннюю смещают внутрь. Ширину реза измеряют по пазу в обрезке. О понятии: керф.

Пример расчёта: плита 1000×600×50 мм

Задача: вырезать панель 900×500 мм со скруглёнными углами R50 из плиты 1000×600×50 мм. Панель стоит по центру, до края плиты по 50 мм, и струна заходит в рез с края.

Длина траектории:

• периметр прямоугольника: 2 × (900 + 500) = 2800 мм;
• четыре угла R50: вычитаем 8 × 50 = 400 мм и прибавляем окружность 2π × 50 ≈ 314 мм, получается 2800 − 400 + 314 = 2714 мм;
• подход с края и уход обратно: 2 × 50 = 100 мм;
• итого около 2814 мм.

Время при разных скоростях подачи. Скорость зависит от плотности и нагрева, в источниках она сильно различается, так что значения ниже взяты как ориентир:

Это время только резки, без установки плиты и натяжки струны.

Расход материала:

• объём плиты: 1000 × 600 × 50 = 30 000 000 мм³, то есть 30 л;
• площадь плиты 0,6 м², площадь панели 900 × 500 − (4 − π) × 50² ≈ 447 900 мм², то есть около 0,448 м²; использование плиты примерно 74,6 %;
• рез при ширине 1 мм: 2814 × 1 × 50 ≈ 140 700 мм³, это около 0,14 л, меньше 0,5 % объёма плиты.

Поправка на рез: при ширине 1 мм траектория для панели 900×500 с углами R50 получает размеры 901×501 мм и радиусы 50,5 мм. Деталь после реза выходит заданного размера.

Типичные ошибки

Раздел неисправностей в вики cncfoam.com длиннее, но чаще всего встречаются четыре:

1. Струна выгибается назад. Подача выше, чем способна расплавить струна. Снижают скорость, поднимают нагрев или натяжение. Это первый признак на длинных рамках: чем длиннее струна, тем раньше она начнёт отставать.
2. Оплавленные кромки и широкий рез. Струна слишком горячая или идёт слишком медленно. Поднимают скорость, ставят проволоку тоньше.
3. Скруглённый угол или «хвост» на углу. Струна отстаёт на повороте. Входят в угол медленнее, добавляют паузу в точке излома, проектируют угол со скруглением.
4. Тонкие перемычки отваливаются. Узкие места и мелкие детали вырезают с технологическими перемычками, которые потом обрезают ножом.

Безопасность: пары, огонь, ток

Полистирол горюч. Паспорт безопасности вспененного полистирола называет его combustible (горючим), разложение начинается выше 200 °C, а при горении образуются мономер стирола и угарный газ. Для плит по ГОСТ 15588-2014 нормируется время самостоятельного горения образца, не более 4 с для большинства марок и не более 1 с для ППС16Ф, ППС15Ф и ППС20Ф. Это результат испытания плиты с антипиреном. Перегретую струну и застрявший в расплаве кусок оно не отменяет.

Пары при резке раздражают дыхательные пути и глаза, если вентиляции мало. Так записано в паспорте безопасности, там же рекомендуют при попадании расплава на кожу охлаждать место холодной водой, расплав не снимать и обращаться к врачу. NIOSH (США) в 2005 году проверил воздух на заводе пенополистирола, где резали блоки горячей проволокой. Концентрации стирола, пентана, угарного газа и пыли оказались ниже применимых пределов, а отчёт всё равно рекомендовал локальную вытяжку у мест резки с подвижным гибким воздуховодом, как у сварочных постов. В России для стирола в воздухе рабочей зоны ГН 2.2.5.3532-18 даёт максимально разовую 30 мг/м³ и среднесменную 10 мг/м³, класс опасности 3.

Электрика у термореза необычная: низкое напряжение и большой ток. По расчётам на Jacobs Online, нихромовая проволока 26 AWG (около 0,4 мм) с сопротивлением 2,67 Ом на фут, то есть около 8,8 Ом/м, нагревается примерно до 1000 °F при токе около 3,2 А. Блока на 12 В хватает примерно на 430 мм такой проволоки. Для метровой рамки по тем же цифрам нужно около 28 В при токе 3,2 А, то есть порядка 90 Вт на метр струны. Ориентир: ГОСТ 15588-2014 при вырезании образцов требует нихромовую проволоку не толще 0,7 мм с электрическим нагревом при напряжении не более 40 В.

Сравнение с фрезой и лазером

Пенополистирол в нашем списке материалов, которые нельзя резать лазером, значится как пожароопасный: он вспыхивает и плавится. Подробности в статье о материалах, которые нельзя резать лазером. Буквы и вывески целиком, с технологией и ценами, разбирает статья об объёмных буквах и вывесках, а смысл дополнительных осей у фрезерных станков описан в материале о 3-, 4- и 5-осевой обработке.