Литье пластмасс под давлением

Литье пластмасс под давлением: причины деформации

Выявление деформации является одним из самых простых аспектов литья под давлением. Понимание причины немного сложнее. Вот подробный обзор источников искривления и способов его предотвращения.

Любой, включая обычного потребителя, может определить, когда деталь, которая должна быть плоской по идее, искривлена или изогнута сразу после изготовления. Если эта деформированная деталь была изготовлена методом литья пластмасс под давлением, это означает, что могла бы быть возможность уменьшить или даже предотвратить непреднамеренное изгибание.

Первый шаг - понять, почему деталь деформируется, что является сложной задачей, но очень важной для устранения этой проблемы. Изучение концепций, лежащих в основе пластического деформирования, может привести к разработке подхода к его уменьшению. Инженеры могут проверить эти решения до того, как производитель начнет резку литейной стали.


Пластичная усадка

Усадка материала во время и после изготовления играет важную роль в том, почему литые пластмассовые детали деформируются. Прежде чем мы углубимся в искривление деталей, важно понять, как и почему пластичные материалы сжимаются. Чтобы сделать это, мы должны начать с молекулярного уровня, внимательно изучив, что происходит, когда пластик плавится и остывает. По большей части характеристики плавления и охлаждения зависят от типа полимера и наличия какого-либо наполнителя или армирующего волокна.

  1. Аморфные материалы

Один тип полимера определяется как аморфный, который включает материалы, такие как АБС-сополимер, полистирол и поликарбонат, среди других. Они имеют рандомную и запутанную молекулярную ориентацию в своем естественном состоянии, очень похожую на миску спагетти. По мере того как эти материалы плавятся, силы между молекулами ослабевают и они удаляются друг от друга. Кроме того, сдвиг, испытываемый во время фазы впрыска (который похож на трение), заставляет отдельные молекулы раскручиваться и выравниваться по направлению потока. Когда поток останавливается, молекулы расслабляются и возвращаются в состояние произвольной ориентации. Межмолекулярные силы притягивают их ближе друг к другу, пока температура не упадет настолько, чтобы они замерли на месте. Эти силы приводят к равномерной усадке, но эффект релаксации вызывает большую усадку в направлении потока.

 



  1. Полукристаллические материалы

В отличие от аморфных материалов, полукристаллические материалы имеют области высокоупорядоченных, тесно связанных молекулярных структур. Когда они расплавляются, кристаллические структуры разрыхляются, и молекулы выравниваются по направлению потока, подобно аморфным полимерам. Но когда материалы остывают, они не расслабляются. Вместо этого они сохраняют свою ориентацию в направлении потока, и молекулы начинают рекристаллизоваться, что приводит к значительно более высоким скоростям усадки. В этом случае, однако, эффект намного больше в направлении, перпендикулярном потоку.

 



  1. Волокно-армированные материалы

Волокна часто объединяют в полимерный материал для придания прочности и других свойств. Когда волокна вводятся в пластик, они могут противодействовать эффектам усадки из-за молекулярной ориентации, описанной выше. Волокна не растягиваются и не сжимаются при изменении температуры, поэтому наполненные волокном материалы, как правило, будут испытывать уменьшенную усадку в направлении их ориентации.

 

 

Здесь представлена усадка растягивающейся планки из полипропилена без стекловолокна в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

 

 

Здесь представлена усадка полипропиленовой растягивающей планки со стекловолокном в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

 

Как уменьшить усадку

Основная причина деформации кажется простой: изменения в усадке. Проще говоря, если деталь сжимается совершенно равномерно во всех направлениях, она становится меньше, но сохраняет правильную форму. Однако если какой-либо элемент детали сжимается с другой скоростью, чем остальные элементы, разница создает внутренние напряжения. Если эти напряжения превышают структурную целостность детали, деталь будет деформироваться при извлечении из формы.

Изменение усадки отлитой под давлением детали.

В общем, есть четыре варианта усадки:

  1. Местная

Она происходит, когда степень усадки изменяется на участке между участками, ближайшими к отверстиям, и участками, ближайшими к концу заполнения (EOF); обычно эта разница находится между более толстой (область затвора) и более тонкой (EOF) областями детали. Один участок сокращается существенно больше, чем другой.

  1. Поперек слоя

При взгляде на поперечное сечение детали эта разница в усадке возникает, когда усадка в верхней части отличается от усадки в нижней части. Эта разница может привести к изгибу детали, потому что одна сторона способна сжиматься больше и, как результат, будет меньше по сравнению с другой стороной.

  1. В зависимости от направления

Из-за выравнивания молекул или ориентации волокон различия в усадке могут возникать как параллельно, так и перпендикулярно ориентации материала или направлению потока. Как упоминалось ранее, аморфный материал имеет тенденцию к усадке в направлении, параллельном потоку. Для кристаллических материалов усадка обычно выше перпендикулярно потоку.

  1. Плоскость против толщины

Полимеры имеют тенденцию сжиматься больше в направлении толщины, чем в плоскости поверхности. Этот эффект вызван ограничением размеров пресс-формы (или отсутствием ограничения пресс-формы по толщине детали). Разница в усадке между направлениями в плоскости и толщине может вызвать деформацию, особенно в углах детали, из-за того, что они иногда толще, чем номинальная толщина стенки.

Почему происходят отклонения

Хотя очевидно, что изменяющиеся коэффициенты усадки могут вызывать деформацию, важно также понимать, почему эти различия возникают в первую очередь. Вот пять наиболее распространенных причин:

  1. Скорость охлаждения

В случае с любым полукристаллическим материалом высокая скорость охлаждения приводит к меньшему времени формирования кристаллических структур. Этот эффект уменьшает общую объемную усадку. Тот же эффект применяется к аморфным материалам, но поскольку общая усадка меньше, степень уменьшения усадки при высоких скоростях охлаждения уменьшается.

  1. Ориентация из-за заполнения

Первоначально ориентация длинных, вязких полимерных молекул обусловлена сдвиговым напряжением во время течения. Когда полимер все еще находится при высокой температуре и напряжение сдвига снято, ориентация будет ослаблена. (Ориентация фиксируется только тогда, когда сдвиг и замерзание происходят одновременно.) Когда это ослабление происходит в аморфных материалах, обычно наблюдается большая усадка параллельно потоку.

 

Ориентация волокна:

Красный = волокна выровнены в направлении  потока.

Синий = волокна выровнены перпендикулярно потоку.

Поскольку молекулы кристаллических материалов выровнены в направлении потока, большая часть кристаллизации будет происходить перпендикулярно потоку, вызывая большую усадку в этом направлении.

  1. Границы пресс-формы

Пока деталь находится в форме, она не может сжиматься в плоскости своей поверхности, но может сжиматься в направлении ее толщины. Это имеет два эффекта. Во-первых, существует большая усадка в направлении толщины.                                    

Во-вторых, полимер накапливает напряжения в плоскости своей поверхности. После выброса эти напряжения могут ослабнуть, поскольку деталь продолжает охлаждаться, вызывая деформацию. Чем выше температура пресс-формы, тем ниже скорость охлаждения и тем больше напряжения уходят от детали. Выравнивание по пресс-форме также зависит от материала. Материалы, которые сопротивляются ползучести (и расслабляются медленнее), имеют более высокую линейную усадку, в то время как материалы, которые расслабляются быстрее, имеют меньшую линейную усадку.

 


Неравномерная усадка.

 

Во-вторых, полимер накапливает напряжения в плоскости своей поверхности. После выброса эти напряжения могут ослабнуть, поскольку деталь продолжает охлаждаться, вызывая деформацию. Чем выше температура пресс-формы, тем ниже скорость охлаждения и тем больше напряжения уходят от детали. Выравнивание по пресс-форме также зависит от материала. Материалы, которые сопротивляются ползучести (и расслабляются медленнее), имеют более высокую линейную усадку, в то время как материалы, которые расслабляются быстрее, имеют меньшую линейную усадку.

  1. Разница температур по толщине

Когда температура формы на одной стороне поперечного сечения отличается от другой, усадка не будет равномерной в обоих сторонах. По сути, плоскость на одной стороне детали будет сжиматься больше, в результате чего она будет меньше другой стороны, создавая изгибающий момент, который может привести к деформации.

 

Неравномерное охлаждение.


  1. Изменения толщины и неровные края

При различной толщине детали для охлаждения толстых областей требуется больше времени, что может привести к большей усадке. Подобный эффект происходит с областями, которые находятся далеко от отверстий. Если используется постоянный профиль уплотнения, области, расположенные ближе к отверстиям, будут становиться более плотными и холодными с одной скоростью, а области, расположенные дальше от ворот – с другой, вызывая дисперсию усадки.

Как симуляция может помочь

Управление деформацией является сложной задачей, учитывая количество вовлеченных факторов и то, как каждый из них может влиять на другие. Программное обеспечение для моделирования может упростить эту работу, позволяя инженерам решать проблему на более раннем этапе цикла разработки продукта.

С помощью инструментов визуализации результаты можно масштабировать и привязывать для упрощения интерпретации и сравнения с другими симуляциями.

 

Представленная симуляция, сравнивает различные варианты обработки и их влияние на усадку деталей.

 

Итерирование конструкций с помощью ручных или автоматизированных рабочих процессов позволяет инженерам изменять условия обработки или конструкцию детали, чтобы определить комбинацию, которая дает нужную деталь. Автоматический оптимизационный анализ Moldflow обеспечивает прямую обратную связь о влиянии изменений конструкции, материалов и процессов на деформацию детали.

Моделирование Moldflow также позволяет быстрее и проще рассмотреть более широкий спектр потенциальных решений, таких как изменение материала или охлаждение пресс-формы, что более удобно, чем работа с усадкой после формования детали.

 

Конечные мысли

Что делает деформацию настолько трудным для диагностики, так это то, что очень редко бывает только один ответ. В большинстве случаев многие факторы могут противодействовать или преувеличивать друг друга, что затрудняет выделение вклада каждого из них. Понимание того, как и почему возникает пластическая деформация посредством моделирования, дает инженерам преимущество при анализе для разработки соответствующего решения, в рамках их бюджета и графика.