Древесина – это ценнейший природный материал, который используется во многих отраслях промышленности и быту. Это не заменимый материал, который обладает массой преимуществ по сравнению с другими, например с пластиком или с металлом. Древесина легко обрабатывается, при правильном уходе и эксплуатации долговечна. Это экологически чистый материал с неординарной текстурой, которая получается за счет неравномерного прироста ранней и поздней древесины. [1]
Несмотря на оригинальную текстуру, древесину подвергают декоративно-художественной обработке. Способов декорирования поверхности достаточно много, но, несмотря на многообразие, создаются новые виды её обработки. С каждым годом рынок мебельной продукции совершенствуется и развивается. Создавая новый способ декора на поверхности древесины, приходится усложнять или совершенствовать старые технологические процессы, что ведет к определенным дополнительным затратам. [2] Однако можно упростить технологические процессы, использовать минимум операций и получить уникальный рельефный оттиск. Это демонстрирует рассматриваемый в данной статье новый способ декорирования, который достаточно прост в исполнении.
Рис.1 Принципиальная схема декорирования: 1 – неподвижная плита пресса; 2 – железные пластины; 3 – клише; 4 – планки; 5 – заготовленная деталь древесины; 6 - подвижная плита пресса.
Технологический процесс способа декорирования поверхности рельефным рисунком начинается с прессования (рис.1) в холодном прессе. Клише вдавливают в заготовленную деталь из древесины лиственных пород (например, липа, как в данном примере, береза и др.) на определенную глубину. Оптимальная глубина запрессовки составляет 2 – 2,5мм, что было экспериментально выявлено. Получившийся оттиск снимают с заготовки до гладкой поверхности (путем фрезерования), и в течение некоторого времени смачивают водой. Так как при прессовании полости сосудов и волокна либриформа деформируются, то после высыхания, за счет упругих свойств уплотненные волокна древесины под действием влаги восстанавливают свою первоначальную форму и на поверхности появляется рельефный декор (рис. 3), который можно подвергать дальнейшей защитно-декоративной обработке.
Для лучшего результата деталь из древесины выдерживали под давлением по времени. На рис. 2 представлены данные восстановления волокон после деформации в процентном содержании с учетом времени от 0 до 4 минут.
Рис. 2 Результат изменения деформации волокон древесины
Из полученных данных, следует, что если заготовку из древесины выдерживать под давлением в прессе 2 минуты, то волокна древесины восстанавливаются на 31,5% (относительно глубины запрессовки), рельеф получается четким, ярко выраженным (рис. 3). При увеличении времени нагрузки до 4 минут происходит сильное уплотнение волокон. Из-за интенсивной деформации, клетки теряют свою первоначальную форму и волокна восстанавливаются только на 28,5%. У образца с минимальным временем выдержки под давлением формируется слабо выраженный рельефный рисунок на поверхности, происходит частичное восстановление волокон до 16,5%.
Рис.3 Рельефный рисунок на поверхности детали из древесины липы после восстановления волокон
Кроме глубины запрессовки и времени выдержки при прессовании необходимо учитывать размер, форму пуансона (клише). Для получения ровного оттиска на поверхности необходимо, чтобы края рельефа на клише были не острыми, а под углом 40 - 60º или скруглённые, радиусные. Это препятствует перерезанию волокон при небольшой глубине запрессовки. На рис. 4 представлен острый рельеф пуансона и радиусный. При остром рельефе пуансона (рис. 4а) сила упругости Е1, 2 направленна по осям «клина», что приводит к перерезанию волокон и разрушению древесины. Рис. 4б показывает обратное, сила упругости Е направленна относительно силы давления в прессе. Это способствует равномерному уплотнению волокон древесины, что препятствует их разрыву. Волокна подчиняются законом реологии, за счет чего и происходит плавная деформация. Следовательно, при одинаковом давлении прессования острый край пуансона будет разрывать волокна и не уплотнять их, а при радиусном рельефе древесина постепенно поддается деформации, не разрушая при этом свою структуру.
а. Острый край рельефа у пуансона б. Радиусный рельеф у пуансона
Рис. 4 Форма рельефа рисунка у пуансона.
Радиус у рельефа пуансона должен быть так же оптимальным для прессования. Большой радиус вызывает слабую деформацию, что приведёт к не четко выраженному рельефному рисунку на поверхности. Малый же способствует разрушению волокон, как и острый рельеф пуансона. По полученным экспериментальным данным следует, что оптимальный радиус рельефа составляет D = 3,5 – 5мм. Древесина легко поддается деформации и при этом волокна не рвутся, что позволяет упростить дальнейшие технологические операции. На рис. 5 показан рельефный оттиск после прессования со временем выдержки 4 минуты, глубиной запрессовки 2,5 – 3мм., рельеф у пуансона составлял в D = 5,5 мм, что привело к разрушению волокон у верхнего слоя древесины.
Рис. 5 Рельеф на поверхности древесины липы после прессования
Прессование древесины с целью получения рельефного декора на поверхности является полностью механическим процессом. Учитывая это, такие свойства древесины, как пластичность, упругость и вязкость приобретают главное значение при деформации. Древесина, подвергающаяся прессованию, не является чисто упругим телом. Наличие в ней таких явлений, как релаксация и ползучесть, дает основание отнести древесину к упруго-вязким или вязко-пластичным материалам [7].
Рисунок декора получается благодаря пористой структуре древесины, которая легко поддается деформации. В связи с тем, что древесина является упруго-вязко-пластичным материалом, её реологические свойства могут изменяться при приложении и после снятия нагрузки. При нагружении образца внутри возникают три вида деформаций: упругие, упруго-вязкие (эластичные) и пластичные или остаточные деформации. [3,6] Упругие деформации составляют обратимую часть общих деформаций, они исчезают сразу после снятия нагрузки, эластичные же восстанавливаются постепенно, а остаточные деформации сохраняются. Последние являются необратимыми, за счет чего и происходит образование рельефа.
Увеличение влажности приводит к резкому снижению реологических коэффициентов, что повышает релаксацию волокон древесины. С резким изменением влажности остаточные деформации снижаются. С помощью упруго-эластичных свойств древесины, уплотненные волокна, впитывая влагу, восстанавливаются, что приводит к выпуклому рельефу на поверхности древесины.
а
б
Рис.6 Деформация древесины при сжатии [5] :
а – участок поперечного разреза древесины с показом характерной деформации отдельных трахеид; б – деформация поздней древесины
На рис. 6 видно, что волокна древесины как единое целое работают сообща. При деформации происходит напряжение, что вызывает упругие деформации, которые сопротивляются нагружению. При постепенном увеличении нагрузки полости волокон поддаются деформации и изменяют свою первоначальную форму.
В данном эксперименте деформация происходит сначала при уплотнении древесных волокон, а поскольку они являются эластичными, то проявившаяся во время прессования эластическая деформация проходит со временем. Поглощая влагу, деформируемые трахеиды и паренхимные клетки (рис.6) в волокнах либриформа и сердцевинных лучах, восстанавливаются, но частично теряя при этом свою первоначальную форму. [4] Таким образом образуется рельефный рисунок на поверхности древесины.
Если рассмотреть механические свойства древесины, то её можно отнести к реологической модели, которая состоит из упруго-пластичных тел. Учитывая эту особенность, древесина подчиняется закону Гука, так как при малых деформациях зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной. Упругую деформацию вычисляли по следующей формуле:
,
где к – коэффициент упругости (коэффициент деформации);
ΔХ – абсолютное удлинение стержня (глубина упрессовки).
На рис. 7 можно увидеть, как возрастает упругая деформация в связи с изменением модуля упругости. Относительно других лиственных пород упругая деформация у липы ниже. Соответственно, образцы из древесины липы легче поддаются деформации, стабильнее по своим значениям и механической обработке. В связи с этой особенностью для проведения эксперимента была взята древесина липы.
Рис. 7 Различие упругой деформации между разными породами древесины Преимущества рассматриваемого способа заключается в следующем:
-
Восстановление волокон происходит за счет упругой деформации, а внутри древесины остаются только остаточные деформации, которые не вызывают различных дефектов при прессовании, последующей обработке и сушке;
-
При прессовании волокна не перерезаются, что не нарушает структуру древесины;
-
Получившийся рельефный рисунок на поверхности со временем не деформируется и сохраняется рельефный рисунок, так как все волокна восстановлены;
-
Изменение цвета древесины при прессовании не происходит, так как прессование выполняется при комнатной температуре, что экономит время и уменьшает энергозатраты;
-
Древесину не подвергают сушке перед прессованием. Она имеет влажность 8-12%.
Данный способ упрощает технологический процесс, создавая прочный и надежный рельефный узор на поверхности детали из древесины. Хвойные породы древесины не подходят для представленного способа обработки, так как в них находятся экстрактивные, смолистые вещества, которые при уплотнении «склеивают» волокна древесины и не дают им восстановиться для того, чтобы создать рельефный рисунок на поверхности. Так же древесина твердых пород не пригодна для такого вида обработки, из-за того, что она имеет более плотную структуру, большую сопротивляемость и прочность при сжатии поперек волокон.
Древесина не простой материал. Для того чтобы обработать поверхность или нанести защитно-декоративное покрытие нужно учитывать не только физико-механические свойства древесины, но и возраст, место и условия произрастания дерева. Плотность и твердость древесины зависит как от породы дерева, так и от того где оно росло, при какой влажности, температуре. Учитывая все эти характерные особенности можно создать прочное и экологически чистое изделие с удивительным, рельефным декором на его поверхности.
Рецензенты:
Черемных Н.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Начертательной геометрии и машиностроительного черчения «Уральский государственный лесотехнический университет», г.Екатеринбург.
Уласовец В.Г., д.т.н., профессор кафедры механической обработки древесины ФГБОУ ВПО « Уральский государственный лесотехнический университет», г.Екатеринбург.