Technologia CNC powstała w połowie XX wieku z inicjatywy amerykańskich naukowców pracujących na uniwersytecie MIT. Miała służyć do obróbki elementów w przemyśle wojskowym, głównie lotnictwie. Tam zapotrzebowanie na szybko, dokładnie i powtarzalnie wykonane elementy było największe. Jak to zazwyczaj bywa, technologia debiutująca w wojsku szybko przeszła do cywila i usprawnia dzisiaj większość przemysłów. Przemysł drewniany oraz budowlany nie stanowią tutaj wyjątku. CNC, czyli maszyny sterowane numerycznie (ang. Computer Numerical Control) w warsztatach ciesielskich tną, wiercą, obrabiają elementy łączące, szczelinują, wymiarują i manipulują materiałem, wykonując wiele działań w jednym czasie. Wykorzystanie tej technologii do obróbki pozwala uzyskać ogromną dokładność i powtarzalność elementów.

Firma Modulam znając zalety tego systemu oferuje dostawy materiału w maksymalnym stopniu przygotowanego do montażu w technologii CNC. Dzięki oferowanej przez nas najnowszej technologii, duża część prac nad nową konstrukcją jest prowadzona jeszcze w hali producenta, nie na placu budowy. Co nam to daje? Pracę niezależnie od warunków pogodowych, bezpieczniejszą i szybszą. To wszystko znacząco zmniejsza koszty inwestora i skraca czas inwestycji.

Możliwości i ograniczenia

Jak wszystkie maszyny, tak i maszyny ciesielskie CNC posiadają konkretne możliwości i ograniczenia. Najbardziej uniwersalne dedykowane są do obróbki drewna suchego. Drewno mokre i surowe stawia większe opory pracy co znacznie ogranicza możliwości szybkiej obróbki. Surowy materiał tworzy też lepki pył obniżając jakość pracy sprzętu. Pył taki może zalepiać elementy jezdne w maszynie, prowadnice i szyny. Może także wpływać na działanie czujnika fotokomórki działającego przy obróbce. Do takich zastosowań potrzebne są specjalne urządzenia z mocniejszym silnikiem i odporne na powstający odpad.

Większość dostępnych maszyn radzi sobie w pewnym zakresie z materiałem nieodpowiednio przygotowanym. Maszyny posiadają powierzchnię zerową, która jest bazą pracy narzędzia. Przykładowo, jeśli planowana praca wymaga krokwi o przekroju 8×18 a producent dostarcza je w widełkach 17,5 – 18,5 maszyna i tak pracuje w odniesieniu do góry krokwi wykonując zaciosy o różnej głębokości by zniwelować różnicę poziomów. Większe problemy mogą sprawiać sami producenci materiału. Często przy drewnie klejonym, zamawianym na wymiar nie ma potrzeby wstępnego przycięcia materiału. Producent nalepia więc naklejkę od czoła, która potrafi się częściowo odkleić i wystawać poza obrys, co wprowadza w błąd urządzenia pomiarowe maszyny i sprawia, że wszelkie prace są wykonywane w złych miejscach.

Najbardziej istotne są jednak ograniczenia samych narzędzi do obróbki drewna. Wymiary tarcz piły, średnice frezów i wierteł oraz prowadnic narzucają ograniczenia w głębokościach cięcia, promieniach krzywizn i średnicach otworów.

Możliwości maszyn CNC różnych producentów różnią się między sobą tylko nieznacznie. Dla ułatwienia opisujemy narzędzia i sposób obróbki na podstawie jednego z rynkowych bestsellerów. Na świecie pracuje już ponad 2500 szt. tego modelu. Może on obrabiać drewno budowlane bez pomiarów czy trasowania o przekroju aż do szer. 300 i wys. 450mm, są również większe modele maszyn mogące przyjmować elementy do wys. 1000mm. Maszyna posiada modułową konstrukcję co pozwala na personalizację sprzętu pod wymogi zakładu. Dostępne moduły to na przykład piła tarczowa, pięcioosiowa frezarka i moduł wiertniczy. Mimo, że sama maszyna potrafi dokonywać obróbki teoretycznie nieskończenie długich elementów, to długość stołów prowadzących i odbierających materiał narzuca ograniczenia. Najczęściej jest to 12,0m lub 13,5m czyli długości elementów handlowo – transportowych. Maszyna posiada też zazwyczaj oprogramowanie pozwalające automatycznie ograniczyć ilość odpadów i strat materiału.

Rodzaje narzędzi

Podstawowym narzędziem jest zawsze piła tarczowa, która docina czoło elementu umożliwiając pomiar i ustawienie materiału. Pozwala dociąć element pod wybranym kątem, wykonuje rowkowania i cięcia koszowe/narożne. Zamontowana piła ma średnicę 800 mm, z kątem obróbki 180st oraz pochyleniem do 60st. Może się ona odchylać od pionu i i obracać w płaszczyźnie poziomej.
Drugi moduł to pięcioosiowa frezarka. Daje ona prawie nieograniczone możliwości przestrzennej obróbki drewna. Najczęściej używanym jest frez walcowy wykonujący czynności wymagające zebrania materiału. Połączenia na nakładkę murłat, krokwie, kalenice, ścięcia koszowe, fazowanie itp…
Frez palcowy służy do wykonywania gniazd i innych punktowych obróbek materiału. Na przykład wgłębienia na nakrętki przy połączeniach śrubowych. Można go też wykorzystać do wykonania ozdobnych zakończeń krokwi lub napisów i wzorów w drewnie. Posiada on elementy tnące na części czołowej oraz bocznej, co sprawia, że jest bardzo uniwersalnym narzędziem.

Moduł frezerski obsługuje też frez “jaskółczy ogon”, który służy do tworzenia czopów pod łączenia o tej samej nazwie. Najlepsze jego wykorzystanie daje właśnie pięcio lub sześcioosiowy system obróbki. Frezarka czteroosiowa, również dostępna, nie daje pełnej możliwości manewrowania tak złożonym łączeniem.

Moduł sześcioosiowego robora frezerskiego jest najnowszym rozwiązaniem i umożliwia jeszcze szerszą obróbkę elementu. Posiada on agregat robota z pięcioma stopniami swobody i zautomatyzowany zmieniacz narzędzi mogący pomieścić aż 16 różnych przyborów. Dzięki wózkom pozycjonującym moduł może obrobić wszystkie 6 stron materiału w jednym cyklu.

Maszyna ciesielska CNC umożliwia dodatkowo obsługę modułu wiertniczego. Dysponuje możliwością wykonania nawiertów odchylonych nawet do 60st wiertłami typu świder oraz niewyrywającymi wiertłami z frezem.

Dodatkowym modułem może być np. szczeliniarka. Piła mechaniczna tworzy nacięcia pod blachy węzłowe o niewielkich grubościach jak 10 lub 8 mm. Firmy specjalizujące się w tego typu obróbce powinny zainwestować w moduł szczeliniarki z podtrzymaniem, gdyż wersja podstawowa może błądzić i gubić kąt w przypadku grubych materiałów. Moduły szczeliniarek różnią sie od siebie także ustawieniem.

Producenci maszyn CNC oferują moduły pionowe i poziome z automatycznym smarowaniem łańcuchów.
Bardzo pomocnym narzędziem jest rysik do znaczenia tuszem, który umożliwia oznaczenie elementów wg klucza ujętego w dokumentacji projektowej. Można go uzupełnić o moduł drukarki etykiet w końcowej części maszyny.

Przykłady zastosowania CNC w obróbce ciesielskiej

Tradycyjne połączenia ciesielskie służą do łączenia elementów od najdawniejszych czasów. Obecnie rzadko wykorzystuje się je w konstrukcjach drewnianych przez ich niewielką nośność oraz pracochłonne ręczne wykonanie. Maszyny CNC pozwoliły na powrót do tej technologii. Kształtowanie złączy służy nie tylko jako połączenie nośne ale również jako pomocnicze i montażowe ustalenie miejsc połączenia stycznych elementów. W przypadku niedostatecznej nośności wzmacnia się je łącznikami mechanicznymi takimi jak wkręty ciesielskie, złącza stalowe gwoździowane lub śruby. Do najczęściej stosowanych obecnie obróbek zaczerpniętych z rozwiązań tradycyjnych należą złącza podłużne – nakładki ukośne i nakładki proste oraz złącza poprzeczne – nakładki proste i jaskółcze ogony, czopy i wręby. Wstępne ustalenie pozycji łączonych elementów przyspiesza montaż eliminując np. odmierzanie słupków ściany szkieletowej na podwalinie i oczepie, rozstaw krokwi na murłacie i płatwiach, itp…

Użycie maszyn ciesielskich w technologii CNC pomaga również w sprawniejszym wykorzystywaniu nowoczesnych technik łączenia elementów drewnianych. Zakłady produkcyjne wytwarzające wiązary kratowe łączone w węzłach na płytki kolczaste z powodzeniem stosują takie maszyny. Precyzyjne dopasowanie elementów wiązara wraz z wprasowaną w węzeł płytką stalową umożliwiają osiągnięcie zakładanej nośności i niezawodności elementu. W nowoczesnych konstrukcjach drewnianych coraz częściej bardzo ważnym wymogiem jest spełnienie odporności ogniowej konstrukcji. O ile sam przekrój drewniany łatwo zaprojektować aby spełniał warunek nośności w trakcie działania pożaru, o tyle trudności sprawiają połączenia stalowe wrażliwe na działanie wysokich temperatur. W takim przypadku stosuje się m.in. połączenia z blachami ukrytymi w drewnie. Obróbka elementu drewnianego wymaga tutaj najwyższej precyzji za pomocą szczeliniarki. Ogromnym ułatwieniem jest także wykonanie wierceń w drewnie.

Maszyny CNC do obróbki drewna sprawiły, że funkcję cieśli pracującego w warsztacie i na placu budowy przejęli projektanci, inżynierowie programujący obróbkę i operatorzy maszyny. Z jednej strony przeniesienie większości prac przygotowawczych i obróbczych poza plac budowy otworzyło wielkie możliwości, ale z drugiej wymaga to kontroli produkcji i przygotowania. Duża dokładność obróbki zakłada minimalny margines błędu. Idealne spasowanie przygotowanych w fabryce konstrukcji wymaga równie dokładnie wykonanych elementów już na placu budowy jak np. żelbetowe podstawy. A więc by korzystać z wszelkich korzyści, które daje nam tak dokładna obróbka, musimy dostosować do niej standardy wykonania reszty elementów.

W dzisiejszych czasach dobrze prowadzony proces projektowania powinien opierać się na trzech głównych czynnikach. Bezpieczeństwie oraz aspektach ekonomicznych i ekologicznych. Przy czym wszystkie trzy muszą się odnosić tak do procesu powstawania konstrukcji jak i jej użytkowania. Dlatego bardzo ważne jest powierzanie projektu specjalistom, którzy wiedzą jak optymalnie stworzyć konstrukcję nie pomijając żadnej z trzech wymienionych zasad. 

Często spotkać się można z projektami, które powstały w oparciu głównie o bezpieczeństwo. Oczywiście nie można potępiać stawiania tej wytycznej na pierwszym miejscu, jednakże dobrze wyszkolony projektant z odpowiednim doświadczeniem potrafi stworzyć konstrukcję bezpieczną a jednocześnie opłacalną i ekologiczną. 

Ekonomia w projekcie konstrukcji drewnianej

Obniżanie kosztów całej inwestycji zależy od paru czynników. Projektant dobrze znający materiał jakim jest drewno, potrafi wybrać optymalne przekroje elementów konstrukcji potrzebne do realizacji projektu. Taka optymalizacja często znacząco zmniejsza ilość potrzebnego materiału. Znając rynek może zastosować też najbardziej powszechne, czyli najłatwiejsze w pozystaniu i najtańsze rodzaje budulca. Rozeznanie w rynku pomaga też wybrać najbliższego dobrego dostawcę co zmniejsza koszty transportu materiałów. 

Podejście ekologiczne

Oczywiście, już wybranie drewna do powstania konstrukcji nadaje inwestycji ekologiczny charakter, ale i tutaj da się to zrobić lepiej bądź gorzej. Zmniejszenie wielkości i objętości potrzebnych elementów konstrukcji przyczynia się do tzw. racjonalnego wykorzystania tarcicy drewnianej. Wybranie odpowiedniego dostawcy potrafi znacząco obniżyć ilość emitowanych spalin w trakcie transportu. Mądrze zaprojektowane połączenia stalowe przyczyniają się do zmniejszenia ilości stali wykorzystanej w projekcie, co znacząco zmniejsza ilość energii, dwutkenku węgla itd.

Problem na uczelniach

Wielkim problemem na polskim rynku jest to, że uczelnie traktują projektowanie konstrukcji drewnianych po macoszemu. Studenci uczeni są głównie projektowania w oparciu o stal i beton. To prowadzi do sytuacji, gdzie na rynku jest bardzo niewielu specjalistów znających się na projektowaniu z użyciem drewna. Potrzebne są do tego pracownie posiadające odpowiednie doświadczenie w tym zakresie. Na szczęście jesteśmy jedną z niewielu firm, które takim doświadczeniem mogą się pochwalić. 

Dlaczego to takie ważne? Projektant bez doświadczenia w projektowaniu konstrukcji drewnianych przyjmuje zazwyczaj “zbyt bezpieczne” rozwiązania. Co za tym idzie konstrukcja, która mogłaby być lekka, estetyczna i bezpieczna, wychodzi gruba i ciężka. Zdarza się, że różnica między projektem optymalnym a zachowawczym to nawet 30% użytego materiału więcej. To dużo z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia. Tym bardziej, że są to koszty, które nie wpływają dodatnio na bezpieczeństwo konstrukcji. 

Jak my to robimy?

Mając wieloletnie doświadczenie, projektanci w Modulam są w stanie zaoferować Państwu projekty zoptymalizowane pod względem bezpieczeństwa, ekonomii oraz ekologii budowy i użytkowania. Znamy materiał jakim jest drewno, stosujemy rygorystyczne normy na których wiemy, że możemy polegać. Zdobyliśmy też doświadczenie, które daje nam pewność, że nasze rozwiązania sprawdzają się przez lata użytkowania.

Nie tylko wśród osób zupełnie nie związanych z branżą budowlaną pokutuje mylne przekonanie, że konstrukcje drewniane powodują zagrożenie w warunkach pożaru. Niestety nadal istnieje także rzesza konstruktorów i budowlańców, podtrzymujących takie stwierdzenia. Na szczęście, za postępem światowym, także i polski rynek coraz bardziej otwiera się na potwierdzone naukowo wnioski, że konstrukcje drewniane nie tylko nie odstają od betonowych i stalowych jeśli chodzi o parametry ogniowe, ale i często przewyższają je. Nasza firma w pełni świadomie korzysta z najnowszej wiedzy podczas projektowania oraz dostarczania surowców do produkcji konstrukcji drewnianych. Jako Modulam dostarczamy elementy wraz z projektem uwzględniającym obliczenia odporności ogniowej. A częścią naszej wiedzy pragniemy się teraz podzielić.

Nowoczesne podejście do tradycyjnego materiału

Przekonanie o łatwopalności konstrukcji drewnianych wywodzi się jeszcze z czasów średniowiecznych. Wtedy to, do konstrukcji takich używano litego drewna niestruganego, obrobionego ręcznie i suszonego naturalnie. Materiał był zazwyczaj szorstki i popękany. Ponadto budynki były często kryte strzechą, która zwiększała palność obiektu, a rozprzestrzenianie ognia następowało nagle i obejmowało cały budynek bez szans na ratunek mienia, a często i życia ludzkiego. Człowiek nie mogąc sobie poradzić z ochroną budynków drewnianych przez ogniem, zaczął zastępować materiał drewniany innymi materiałami budowlanymi – nie płonącymi i nie rozprzestrzeniającymi ognia. Na szczęście te czasy bezpowrotnie minęły. Oczywiście należy o nich pamiętać i brać te sytuacje pod uwagę. Nie należy jednak bać się tego materiału, lecz ulepszać i szukać rozwiązań naukowych, technologicznych i inżynierskich aby móc bardzo bezpiecznie i świadomie projektować i korzystać z drewnianych budynków. Nowoczesne konstrukcje powstają najczęściej z produktów drewnianych, a nie „zwykłego drewna”. Produkt drewniany to dzieło nowoczesnych technologów i inżynierów. Drewno klejone wzdłużnie, warstwowo i krzyżowo to produkty, które są obrobione automatycznie, suszone komorowo i strugane maszynowo. Ich powierzchnia jest gładka, krawędzie elementu są fazowane a masywność elementu zapewnia długotrwałą odporność na ogień.

Czemu tak się dzieje? W trakcie pożaru, na powierzchni drewnianego elementu powstaje warstwa zwęglonego drewna, która mimo, że nie ma już właściwości nośnych, to w dalszym przebiegu pożaru izoluje rdzeń elementu od wysokiej temperatury i dostępu powietrza. Ponieważ zwęglanie postępuje bardzo powoli, bo ok. 0,7 mm/sek, to cały element bardzo długo utrzymuje wymagane właściwości nośne określone w projekcie. Czas, przez który według norm te parametry są wystarczające dla bezpieczeństwa budynku określają normy klas nadawane drewnu: R15, R30, R60, R90 itd. Odpowiadają one 15, 30, 60, 90 minutom zachowania wymaganych parametrów w warunkach pożaru.

Grubość vs. klasa drewna na przykładzie drewna klejonego warstwowo

Drewno przeznaczone na budowę konstrukcji dzielone jest na klasy wytrzymałości. Są one opisane oznaczeniami GL20 – GL32, gdzie wyższy numer odpowiada wyższym parametrom wytrzymałości na zginanie, rozciąganie, ściskanie itd. Najczęściej używane w budownictwie klasy to GL24 i GL28. Są one wystarczająco wytrzymałe dla większości konstrukcji przy zachowaniu stosunkowo niewielkiej ceny. Przy projektowaniu konstrukcji dla długiego zachowania wytrzymałości w warunkach pożarów projektant musi pamiętać, że lepiej w takich warunkach sprawdzają się elementy grubsze, wykonane z drewna niższej klasy niż elementy smuklejsze z wyższej klasy materiału. Dzieje się tak ze względu na proces zwęglania powierzchni opisany wcześniej. Dlatego tak ważne jest, by projekt tworzył fachowiec z bogatym doświadczeniem w projektowaniu konstrukcji drewnianych, świadomy wszystkich ich właściwości.

Nie ma też ograniczeń co do wykorzystania drewna w tworzeniu ścian i stropów będących przegrodami ogniowymi w klasach REI30 i REI60. Drewno jest bardzo dobrym izolatorem. Ściana z pełnego drewna o grubości 36 cm wystawiona z jednej strony na temperaturę 1000 stopni Celsjusza na 90 minut, podgrzewa się z drugiej strony o ok. 2 stopnie. Dla porównania beton już po pół godzinie potrafi nagrzać się nawet do 600 stopni po stronie nie wystawionej na działanie płomieni.

Czemu wracamy do drewna?

Jest wiele czynników, dla których temat konstrukcji drewnianych w ogóle wrócił do szerokiego obiegu. Drewno jako surowiec jest tanie, lekkie, ekologiczne, estetyczne i pozwala na tworzenie konstrukcji niemożliwych do zbudowania w oparciu o stal i beton.

Niska masa drewna przy jego wysokiej wytrzymałości pozwala na budowanie konstrukcji o dużej rozpiętości z użyciem smukłych i nielicznych filarów. To rozwiązanie coraz częściej przekonuje do drewna nie tylko właścicieli niewielkich domków, ale i projektantów dużych wiat i hal magazynowych. Niska waga budulca znacząco ułatwia też transport i montaż co korzystnie wpływa na koszty. Łatwy transport oraz naturalne pochodzenie drewna sprawiają, że jest ono jednym z bardziej ekologicznych budulców obecnie dostępnych. Przy racjonalnie prowadzonej gospodarce leśnej możliwe jest wykorzystywanie go w bardzo długiej perspektywie. Wbrew powszechnej opinii, drewno jest też surowcem niesamowicie trwałym. Odpowiednio wysuszone, do ok.12% wilgotności (drewno klejone warstwowo) lub do ok. 15% wilgotności (drewno lite), nie wymaga już żadnych laminatów ani środków ochrony biologicznej.

Jak widać wszystkie te zalety przekonały już do siebie gospodarki wysoko rozwinięte, gdzie z drewna tworzy się lub projektuje coraz więcej budynków, nawet tych wysokich. W planach są m.in. konstrukcje drewniane w Wiedniu (84m), Amsterdamie (73m) oraz Sztokholmie (133m).

Jako dostawca drewna oraz firma wykonująca projekty konstrukcji drewnianych, potrafimy odpowiednio dobrać najlepszy rodzaj materiałów dla danego projektu i w optymalny sposób wykorzystać wszystkie jego zalety. W swoich realizacjach zawsze używamy budulca z odpornością ogniową obliczoną według najbardziej restrykcyjnych, europejskich norm. Nie ma bowiem dla nas nic cenniejszego niż zadowolony i bezpieczny klient.