Wpływ kolejnych etapów wiercenia i parametrów obróbki na powstawanie nieprzeciętych włókien i uszkodzeń delaminacyjnych w kompozytach wzmacnianych włóknem

Dlaczego małe otwory mają znaczenie w dużych konstrukcjach

Nowoczesne samoloty, samochody i turbiny wiatrowe opierają się na tworzywach wzmacnianych włóknem — lekkich materiałach z włókien szklanych lub węglowych związanych żywicą. Materiały te są wytrzymałe, ale wrażliwe przy wykonywaniu otworów na śruby i elementy złączne. Proste wiercenie może rozdzierać warstwy lub pozostawiać wewnątrz otworu nierozcięte pasma włókien, co po cichu osłabia krytyczny element. Badanie to analizuje, jak wiercić czyściej i mocniej w płytach z włókna szklanego, dobierając ostrożnie rozmiar wiertła, sekwencję wiercenia i ustawienia maszyny.

Warstwy, włókna i niepożądane uszkodzenia

Kompozyty wzmacniane włóknem zbudowane są jak stos cienkich tkanin nasączonych spoiwem. Gdy wirujące wiertło przebija ten stos, może rozdzielać warstwy — zjawisko zwane delaminacją — a także pozostawiać wewnątrz otworu pęczki nierozciętych włókien. Oba typy uszkodzeń zmniejszają nośność elementu przed jego zerwaniem. Autorzy skupili się na powszechnym laminacie z włókna szklanego złożonym z siedmiu tkaninowych warstw sklejonych epoksydem. Wykonali duże płaskie płyty, pocięli je na próbki testowe, a następnie wiercili otwory w wielu różnych warunkach, naśladując sposób produkcji rzeczywistych części przemysłowych.

Wypróbowanie podejścia krok po kroku przy wierceniu

Pierwsze pytanie brzmiało, czy „wiercenie sekwencyjne” — użycie serii kolejnych mniejszych, potem średnich, a na końcu docelowych wierteł — może zmniejszyć uszkodzenia w porównaniu z wierceniem do pełnego rozmiaru jednorazowo. Z pomocą frezarki sterowanej komputerowo zespół wykonał otwory o średnicach 7 i 10,1 milimetra używając jednego, dwóch lub trzech wierteł w sekwencji, przy stałej prędkości posuwu i obrotów. Następnie sfotografowali przód i tył każdego otworu i użyli oprogramowania do analizy obrazów, by zmierzyć, jak duży obszar wokół otworu uległ oddzieleniu oraz jaka część powierzchni otworu została pokryta nieprzeciętymi włóknami.

Jak prędkość i posuw wpływają na jakość otworu

Następnie naukowcy zmieniali kluczowe ustawienia maszyny: prędkość posuwu (jak szybko wiertło jest wciskane w materiał) i prędkość obrotową wrzeciona (jak szybko się obraca). Przetestowali trzy poziomy posuwu od bardzo wolnego do całkiem szybkiego i trzy prędkości obrotowe od niskiej do wysokiej, dla obu rozmiarów otworów. Dla każdej kombinacji ponownie zmierzyli delaminację i nieprzecięte włókna przy wejściu i wyjściu otworu. Wykonali też testy zginania trzypunktowego — podpierając próbkę na końcach i naciskając w środku — aby sprawdzić, jaką siłę mogą wytrzymać wywiercone elementy przed pęknięciem i jak to koreluje z uszkodzeniami wokół otworu.

Co ujawniły obrazy i testy zginania

Pomiary wizualne ujawniły wyraźny wzorzec. Wiercenie etapami, przy użyciu kilku stopniowo większych wierteł, zmniejszało delaminację zarówno z przodu, jak i z tyłu płyty. Jednak ta strategia miała tendencję do zwiększania ilości nieprzeciętych włókien przy wejściu, gdzie wielokrotne wyciąganie narzędzia zdawało się wyrywać włókna ku górze i pozostawiać je niepodpartymi. Po stronie wyjścia ta sama metoda etapowa pomagała lepiej usunąć włókna i zmniejszała uszkodzenia związane z nieprzeciętymi włóknami. Z kolei wyższe prędkości posuwu — szybsze wciskanie wiertła — konsekwentnie pogarszały zarówno delaminację, jak i liczbę nieprzeciętych włókien, podczas gdy wyższe obroty wrzeciona — szybsze kręcenie wiertła — redukowały oba rodzaje uszkodzeń. Porównanie tych miar z testami zginania wykazało, że próbki z mniejszymi uszkodzeniami wokół otworów przenosiły większe obciążenia; siła zrywu poprawiała się nawet o około 18 procent przy lepszych warunkach wiercenia.

Praktyczne wnioski dla bezpieczniejszych, lżejszych części

W praktycznym ujęciu badanie pokazuje, że sposób wiercenia otworu w elemencie z włókna szklanego znacząco wpływa na jego wytrzymałość. Użycie kilku rozmiarów wierteł w sekwencji może chronić strukturę warstwową przed rozwarstwieniem, zwłaszcza po stronie wyjściowej, choć może pozostawić więcej luźnych włókien przy wejściu. Zbyt agresywny posuw (wysoki feed) szkodzi, podczas gdy szybsze obroty zwykle łagodniej traktują materiał. Łącząc strategię wiercenia etapami z umiarkowanymi prędkościami posuwu i wyższymi obrotami, producenci mogą uzyskać czyściejsze otwory, które zachowują więcej wytrzymałości kompozytu — istotna korzyść dla lotnictwa, motoryzacji i innych konstrukcji, gdzie każdy gram i każdy margines bezpieczeństwa mają znaczenie.

Cytowanie: Izadi, S.M.H., Mozaffari, A. The influence of sequential drilling and machining parameters on uncut fiber formation and delamination damage in fiber-reinforced composites. Sci Rep 16, 10132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40786-y

Słowa kluczowe: wiercenie kompozytów, laminaty szklane, uszkodzenia delaminacyjne, parametry obróbki, nieprzecięte włókna