Holzeigenschaften meistern für präzises CNC-Holzbearbeitung

Holzeigenschaften meistern für präzises CNC-Holzbearbeitung

Zerspaner verwechseln Holz oft mit einem „leicht zu bearbeitenden Material“ bei der CNC-Holzbearbeitung, weil es viel weicher ist als Metall. In gewissem Sinne ist das wahr, da Sie bei der CNC-Holzbearbeitung Schnittparameter mit viel höheren Vorschüben programmieren können als bei den meisten Metallen. Andererseits hat Holz jedoch viele einzigartige Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, um den Schneidprozess für maximale Effizienz zu optimieren.

Holzarten für CNC-Holzbearbeitung

Es gibt 3 Hauptkategorien von Holz für die Holzbearbeitung: Hartholz, Weichholz und Holzwerkstoffe.

Hartholz

Die Lehrbuchdefinition eines Hartholzbaums ist ein Angiosperm, häufiger als Laubbaum bezeichnet. Einige Beispiele wären Eiche, Birke und Ahorn. Diese Baumarten werden oft für die Herstellung hochwertiger Möbel, Terrassen, Fußböden und Baukomponenten verwendet.

Weichholz

Ein Weichholz ist ein Nadelbaum, manchmal als Gymnosperm bekannt. Diese sind typischerweise weniger dicht als Harthölzer und werden daher mit leichterer Bearbeitung assoziiert. Lassen Sie sich vom Namen nicht täuschen: manche Weichhölzer sind härter als manche Harthölzer. Harvey Tools Drehzahl- und Vorschubtabellen für sein Angebot an material-spezifischen Schaftfräsern für Holz sind nach Janka-Härte kategorisiert, genau aus diesem Grund. Die Janka-Härte ist eine modifizierte Härteskala mit einem Test, der speziell für die Klassifizierung von Holzarten entwickelt wurde.

Weichholz wird für Möbel verwendet, kann aber auch für Türen, Fensterrahmen und Papierprodukte eingesetzt werden. Einige Beispiele sind Kiefer und Zeder. Tabelle 1 listet 20 gängige Hölzer mit ihrer Janka-Härte auf.

Gängiger Name:	Janka-Härte (Imperial):
Balsa	90
Gelber Buckeye	350
Schwarze Weide	360
Zucker-Kiefer	380
Östlicher Pappel	430
Amerikanische Kastanie	540
Rote Kiefer	560
Douglasie, Inneres Nord	600
Grau-Birke	760
Schwarze Esche	850
Östliche Rote Zeder	900
Amerikanische Schwarze Kirsche	950
Schwarzer Nussbaum	1010
Amerikanische Buche	1300
Weiße Eiche	1360
Zucker-Ahorn	1450
Apfel	1730
Brasilianische Kirsche	2350
Olive	2700
Indisches Rosenholz	3170

Holzwerkstoffe (Engineered Woods)

Holzwerkstoffe, oder Verbundholz, sind jegliche Art von Holzfasern, Partikeln oder Strangmaterial, die mit einem Klebstoff oder Bindemittel zusammengehalten werden. Obwohl einige dieser Materialien leichter zu bearbeiten sind als Massivholz, kann der Klebstoff, der das Material zusammenhält, extrem abrasiv sein. Dies kann vorzeitigen Werkzeugverschleiß verursachen und Schwierigkeiten bei der CNC-Holzbearbeitung schaffen. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Arten von Holzwerkstoffen schwieriger zu bearbeiten sind als andere, insbesondere solche mit einem höheren Anteil an Bindematerial. Diese Typen sollten mit weniger aggressiven Drehzahlen und Vorschüben programmiert werden. Zum Beispiel ist MDF (mitteldichte Faserplatte) schwieriger zu bearbeiten als Sperrholz, aber viel leichter als Phenolharz.

Eigenschaften von Holz

Korngröße (Grain Size)

Technisch gesehen kann Holz als natürlicher Verbundwerkstoff betrachtet werden, da es aus starken und flexiblen Zellulosefasern besteht, die durch eine steifere, leimartige Matrix aus Lignin und Hemicellulose zusammengehalten werden. Wenn man in Bau-Begriffen denkt, wären die Zellulosefasern der Stahlbewehrung, und der Beton wäre das Lignin und Hemicellulose. Holz mit großen Zellulosefasern wird als grobkörnig (Eiche, Esche) betrachtet. Hölzer mit kleineren und weniger Fasern werden als feinkörnig (Kiefer, Ahorn) betrachtet. Weichhölzer neigen dazu, feinkörnig zu sein und werden daher stereotyp als leichter zu bearbeiten angesehen, da sie nicht so viele starke Fasern zum Scheren haben. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Hartholzbäume grobkörnig sind und nicht alle Nadelbäume feinkörnig sind.

Feuchtegehalt (Moisture Content, MC)

Feuchtegehalt (MC) ist eine der wichtigsten Variablen, die bei der Bearbeitung von Holz berücksichtigt werden müssen. Ein extrem häufiges Problem beim Bauen mit Holz ist seine Neigung zum Verziehen. Feuchtigkeitsschwankungen in der Luft beeinflussen unvermeidlich den Feuchtegehalt im Holz. Jede Änderung des Feuchtegehalts (ob Zunahme oder Abnahme) stört die Form des Werkstücks. Deshalb muss man berücksichtigen, welcher Art von Feuchtigkeit ein Produkt an seinem endgültigen Bestimmungsort ausgesetzt sein wird.

Ausgleichsfeuchtegehalt (Equilibrium Moisture Content, EMC)

Ausgleichsfeuchtegehalt (EMC) tritt auf, wenn Holz einen Gleichgewichtspunkt in seinem Feuchtegehalt erreicht hat. Innenraum-EMC-Werte in den USA liegen im Durchschnitt bei etwa 8 %, Außenwerte bei etwa 12 %. Diese Werte variieren landesweit aufgrund von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsunterschieden. Zum Beispiel haben die südöstlichen USA einen durchschnittlichen Innenraum-EMC von 11 %, während der Südwesten etwa 6 % beträgt (Küstenregion ausgenommen). Es ist wichtig zu berücksichtigen, welche Region und Anwendung das Endprodukt antreffen wird, damit das Holz mit dem korrekten Feuchtegehalt vor der Bearbeitung ausgewählt werden kann. Die meisten Arten von Flachfaserholz ändern ihre Größe um 1 % für jede 4 % Änderung des MC. Die Verzugsrichtung hängt von der Faserorientierung ab.

Generell steigen die Leistungsanforderungen für einen Vorgang mit zunehmendem Feuchtegehalt, hauptsächlich aufgrund des Dichteanstiegs. Die Dichte von Holz nimmt mit steigendem MC zu. Die zusätzliche Leistung kann notwendig sein, um einen schwereren Span aus der Schneidzone bei der CNC-Holzbearbeitung zu drücken. Es ist erwähnenswert, dass Holz, wie synthetische Polymere, ein viskoelastisches Material ist, das Energie absorbiert, wenn es feuchter wird. Der Proportionalitätsgrenzwert seiner mechanischen Eigenschaften intensiviert sich mit steigendem MC.

Bei der Bearbeitung mancher Holzarten steigt die Schneidzonentemperatur mit zunehmendem MC, bei anderen Arten sinkt sie. Seien Sie sicher und vermeiden Sie schnellen Werkzeugverschleiß, indem Sie die Schnittgeschwindigkeit (Vc) verringern, wenn Sie Holz mit einem Feuchtegehalt über 10 % bearbeiten. Harvey Tool Drehzahl- und Vorschubtabellen empfehlen eine Verringerung um 30 pro MC-Prozentpunkt. Wie immer hängt es jedoch von der bearbeiteten Holzart und der Art des durchgeführten Vorgangs ab.

Temperaturänderung ist nicht der einzige Grund, warum höherer Feuchtegehalt mit schnellem Werkzeugverschleiß assoziiert ist. Feuchtigkeit im Holz ist nicht nur mit Wasser assoziiert, sondern auch mit Harzen, Zuckern, Ölen, Stärken, Alkaloiden und Gerbstoffen, die im Wasser vorhanden sind. Diese Substanzen reagieren besonders gut mit Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS) und in geringerem Maße mit Hartmetall.

Äste (Knots) und ihre Auswirkungen auf die CNC-Holzbearbeitung

Ein Ast ist ein Teil eines Zweigs oder einer Gliedmaße, der in den Stamm eines Baumes eingewachsen ist. Der Einfluss von Ästen auf die mechanischen Eigenschaften von Holz ist auf die Unterbrechung der Kontinuität und die Richtungsänderung der Holzfasern zurückzuführen, die damit verbunden sind. Diese Eigenschaften sind in diesem Holzbereich niedriger, da die Fasern um den Ast verzerrt sind und zu Spannungskonzentrationen führen. „Rissbildung“ (Risse durch Schrumpfen) tritt oft um Äste herum während der Trocknung auf. Härte und Festigkeit senkrecht zur Faser sind Ausnahmen von den allgemein niedrigeren mechanischen Eigenschaften. Aufgrund dieser letzten beiden Ausnahmen sollten Holzbearbeitungsparameter bei Begegnung eines astigen Werkstückbereichs reduziert werden, um Stoßbelastung zu vermeiden.