Литьевые армированные изделия : характеристики коробления

Существуют отличия в характеристиках усадки неармированных и армированных стекловолокном термопластов. Правила конструирования для уменьшения деформации, действующие для деталей из неармированных пластмасс в малой степени пригодны для деталей, армированных стекловолокном. Доминирующим фактором при этом является ориентация волокон. Для того чтобы еще на этапе конструирования учесть возможное коробление или оптимизировать поведение коробления на прототипах необходимо знать причины и механизмы ориентирования волокон, и их воздействие на процесс усадки. Понимание этого позволит выработать правила конструирования и меры по минимизации коробления.

Если форма готового изделие отличается от заданной, т.у. имеет, например, перекосы, неровные кромки или углы, то это принято называть короблением изделия. Такое коробление обусловлена локальной разницей в усадке, которая вызвана анизотропией материала или неравномерным распределением температуры. На рисунке 1 показана зависимость между неравномерной усадкой и изменением формы.

Существующие правила конструирования для минимизации коробления изделия и обычные контрмеры при запуске новых пресс-форм в первую очередь относятся к неармированным материалам. Таким образом в некоторых случаях приходится нести значительные конструктивные и материальные затраты во избежание «смертного греха» при формообразовании изделия - чрезмерные утолщения. Делаются попытки минимизировать перепад давлений в форме путем увеличения количества питателей. Кроме того, известно большое влияние охлаждения формы на коробление, меньшее значение имеет ориентация молекул, которая играет роль только на очень упругих, прежде всего плоских деталях. Для армированных изделий на¬против, существует доминантный фактор: ориентация волокон. В тоже время характеристики изме¬нения давления и температуры, и даже кристаллизация, имеют только второстепенное значение. Таким образом, известные принципы конструирования для минимизации коробления имеют ограниченную значимость, в то же самое время, на передний план выходят совсем другие зависимости. Далее будет показан механизм ориентации волокон во время фазы впрыска и выдержки под давлением и его влияние на изделие. Понимание процессов, происходящих в материале, позволит вывести ряд правил для предотвращения коробления.

Рис. 1: Равномерная и неравномерная усадка

Распределение усадки

Механические свойства стекла и термопластов различаются на порядки. Стекловолокно примерно в 40 раз жестче окружающего его полимера, при этом его тепловое расширение составляет только 1/30. Композитные характеристики литьевой массы слагаются из характеристик компонентов в соответствии с содержанием стекловолокна. Влияние стекловолокна сказывается в первую очередь по направлению волокон, а в поперечном направлении преобладают свойства полимера (рис. 2).

Так как во время переработки волокна выстраиваются в определенной ориентации, то свойства перерабатываемого материала больше не являются однородными. Наоборот, появляется локально различное распределение жесткости и усадки, которое зависит от ориентации волокон по площади поверхности и толщине стенок изделия. Такое анизотропное поведение материала отчетливо проявляется уже при низком содержании стекловолокна (10 объемных %).

Вначале пояснение еще одного термина: во время охлаждения в форме пластмасса сжимается или усаживается. Для производителя пресс-форм усадка представляет собой изменение длины всего изделия. Но из приведенных выше рассуждений становится ясно, что усадка изделия не является равномерной и, что изменение общей длины является суммой всех локально различных усадок. Поэтому далее понятие усадки всегда будет использоваться как локальное изменение размеров пространственно ограниченного сегмента изделия.

Рис. 2: Сегмент изделия (со стекловолокном)

Течение расплава и ориентация волокон

Когда расплав полимера втекает через литник в полость формы, то он начинает распределяться в радиальном направлении. Так как периметр фронта течения увеличивается, то расплав подвергается эластичному расширению под прямым углом к направлению течения. Выстраивание волокна как результат этого расширения потока выражена таким образом, что прежняя ориентация (в канале/ питателе) не имеет существенного значения. В то время как полость заполняется расплавом, одновременно по направлению толщины устанавливается профиль потока. Скорость потока выше всего в его середине, а по краям она уменьшается вплоть до ноля из-за адгезии с холодными стенками формы. Вследствие этого расплав подвергается усилиям сдвига, который в итоге отвечает за сопротивление текучести и тем самым за давление литья.

Рис. 3: Сдвиговой поток

Сдвиг материала, однако, не является однородным относительно толщины стенки. Более того, вблизи стенки существует ярко выраженный сдвиговой слой, в то время как в центре, расплав течет скорее в виде сгустков или блоков и почти не подвержен сдвигу. Частичка расплава, которая очень быстро течет вперед в среднем слое, в конце концов, направляется «фонтанообразным» фронтом течения в непосредственную близость к стенке и тем самым подпадает под воздействие сдвига. Ориентация волокон устанавливается под воздействием обоих механизмов: сдвига (рис. 3) и расширения (рис. 4).

Рис. 4: Расширительный поток

В полости формы оба механизма накладываются друг на друга (рис.5, слева). Объем расплава, только что попавший через литник в полость, получает вначале ярко выраженную поперечную ориентацию. Затем он с поршневым потоком в центре полости перемещается в направлении фронта расплава не испытывая при этом практически никакого изменения ориентации, т. е., волокна по прежнему лежат поперек направления потока. На фронте расплава объем расплава перенаправляется к стенке и вследствие этого попадает в сдвиговой поток, который устанавливает волокна в направлении потока. Таким образом, вследствие обоих механизмов в стенке изделия возникают три слоя, в каждом их которых основное направление волокон повернуто на 90 0С относительно другого слоя. С помощью микрофотоснимка на образцах с отшлифованным торцом это четко видно.

Теперь механические свойства изделия будут зависеть от толщины этих слоев и соответствующего угла ориентации волокон. В тех местах, где преобладают периферийные слои, изделие более жестко по направлению течения, чем поперек него. Кроме того, в этом случае волокна препятствуют усадке по направлению течения расплава. Для особой наглядности ниже представлены основные ориентации волокон, усредненные по толщине стенки изделия.

Рис. 5: Ориентация волокон в листе

И хотя на толщину слоев влияют геометрия, общая толщина стенок, охлаждение и технологический процесс, все-таки определяющим фактором влияния является вязкость полимера. Полимер с высокой природной вязкостью (например, полипропилен, ПП) обладает доминантным слоем ядра. Если с другой стороны природная вязкость низкая (например, полиамид, ПА), то ситуация обратная, большая часть волокон лежит по направлению потока (рис. 6).

Время выдержки под давлением, которое имеет решающее значение для неармированных материалов в плане сохранности формы изделия и коробления, для армированных стекловолокном термопластов не играет такой решающей роли, так как величина локальной усадки хотя и зависит и от давления и от температуры, но в первую очередь зависит от ориентации волокон. Часто практикуемое на неармированных материалах изменение толщин стенки для целевого воздействия на усадку оказывает в данном случае лишь очень незначительное влияние. Однако при определенных обстоятельствах во время фазы выдержки под давлением может произойти значительное течение расплава и тем самым повлиять на изменение ориентации.

Термостатирование формы также оказывает лишь относительное небольшое влияние. Обусловленное ориентацией коробление может быть компенсировано только четкими резкими перепадами температуры.

Рис.6: Структурная вязкость и распределение по слоям

Ориентация волокон как причина коробления

Ориентация волокон или образование слоев сами по себе еще не обязательно являются причиной коробления. Только лишь когда ориентация (угол и степень ориентации) изменяется от места к месту, то проявляются локально различные усадки, что тем самым приводит к появлению внутренних напряжений и возможных деформаций. Причинами такой различной ориентации могут быть: