Термопласты, армированные длинными волокнами (LFRT), используются для литья под давлением с высокими механическими свойствами. Хотя технология LFRT может обеспечить хорошую прочность, жесткость и ударные свойства, метод обработки этого материала играет важную роль в определении того, какие свойства могут быть достигнуты в конечной детали.

Для успешного формирования LFRT необходимо понимание некоторых их уникальных характеристик. Понимание различий между LFRT и обычными армированными термопластами привело к разработке оборудования, методов проектирования и обработки, чтобы максимизировать ценность и потенциал LFRT.

Разница между LFRT и обычными укороченными, компаундами, армированными короткими стекловолокнами, заключается в длине волокон. В LFRT длина волокон равна длине гранул. Это связано с тем, что большинство LFRT производятся методом пултрузионного формования, а не компаундом сдвигового типа.

При производстве LFRT непрерывные пряди нескрученного ровинга из стекловолокна сначала протягиваются в матрицу для нанесения покрытия и пропитки смолой, а после выхода из матрицы эту непрерывную полосу армированного пластика коротко разрезают или гранулируют, обычно до длины от 10 до 12 мм. мм. Напротив, обычные композиции из короткого стекловолокна содержат только короткоразрезанные волокна длиной от 3 до 4 мм, которые в дальнейшем уменьшаются до длины менее 2 мм в экструдерах сдвигового типа.

Длина волокон в гранулах LFRT помогает улучшить механические свойства LFRT – повысить ударопрочность или ударную вязкость – при сохранении жесткости. Пока волокна сохраняют свою длину в процессе формования, они образуют «внутренний скелет», обеспечивающий превосходные механические свойства. Однако неправильный процесс формования может превратить длинноволокнистый продукт в коротковолокнистый материал. Если длина волокон будет нарушена в процессе формования, невозможно достичь желаемого уровня производительности.

Чтобы сохранить длину волокна во время процесса формования LFRT, необходимо учитывать три важных аспекта: термопластавтомат, конструкцию детали и формы, а также условия обработки.

И. Рекомендации по оборудованию

Часто задаваемый вопрос о переработке LFRT заключается в том, можем ли мы использовать существующее оборудование для литья под давлением для формования этих материалов. В большинстве случаев оборудование, используемое для формования соединений с короткими волокнами, также может использоваться для формования LFRT, и хотя типичное оборудование для формования коротких волокон подходит для большинства деталей и продуктов LFRT, в оборудование можно внести некоторые модификации, чтобы лучше поддерживать длину волокна. .

Для этого процесса хорошо подходит шнек общего назначения с типичной секцией «подача-сжатие-дозирование», а за счет снижения степени сжатия в секции дозирования можно уменьшить деструктивный сдвиг волокон. Степень сжатия дозирующей секции примерно 2:1 является оптимальной для продуктов LFRT. Изготовление винтов, стволов и других компонентов из специальных металлических сплавов не является необходимым, поскольку LFRT не подвергается такому сильному износу, как традиционные термопласты, армированные стекловолокном.

Еще одним элементом оборудования, пересмотр конструкции которого может оказаться полезным, является наконечник сопла. Некоторые термопластические материалы легче обрабатывать с помощью сопла с обратным сужением, которое создает высокую степень сдвига при впрыскивании материала в полость формы. Однако этот наконечник сопла может значительно уменьшить длину волокна длинноволокнистых композитов. Поэтому рекомендуется использовать узел наконечника/клапана сопла с прорезями со 100%-ной конструкцией «свободного потока», которая позволяет длинным волокнам легко проходить через сопло в деталь.

Кроме того, отверстия сопла и затвора должны быть диаметром 5,5 мм (0,250 дюйма) или более и не иметь острых краев. Важно понимать, как материал проходит через оборудование для литья под давлением, и определить, где сдвиг приведет к разрыву волокон.

II. Проектирование компонентов и пресс-форм

Хорошая конструкция деталей и пресс-форм также может быть очень полезной для сохранения длины волокна LFRT. Устранение острых углов вокруг некоторых кромок (включая линии ребер, выступы и другие элементы) позволяет избежать ненужных напряжений в формованной детали и снижает износ волокон.

Детали должны иметь номинальную конструкцию стенок с одинаковой толщиной стенок. Большие различия в толщине стенок могут привести к неравномерному заполнению и нежелательной ориентации волокон в детали. Если необходимы более толстые или более тонкие детали, избегайте резких изменений толщины стенок, чтобы избежать образования областей с высоким сдвигом, которые могут повредить волокна и стать источником концентрации напряжений. Обычно стараются открыть ворота в более толстой стенке и течь в более тонкую часть, сохраняя заполненный конец в более тонкой части.

Общие принципы проектирования хороших пластиков предполагают, что сохранение толщины стенок менее 4 мм (0,160 дюйма) будет способствовать хорошему равномерному потоку и уменьшит вероятность образования ямок и пустот. Для компаундов LFRT оптимальная толщина стенки обычно составляет около 3 мм (0,120 дюйма) при минимальной толщине 2 мм (0,080 дюйма). При толщине стенок менее 2 мм вероятность разрыва волокон материала после ввода в форму возрастает.

Компоненты — это только один аспект конструкции, и важно учитывать, как материал попадает в форму. Когда направляющие и заслонки направляют материал в полость, в этих областях может произойти значительное повреждение волокон, если они не спроектированы правильно.

При проектировании формы для формования компаундов LFRT оптимальной является полностью закругленная направляющая с минимальным диаметром 5,5 мм (0,250 дюйма). Любая другая форма желоба, кроме желоба с полностью закругленными углами, будет иметь острые углы, что приведет к увеличению напряжений в процессе формования и разрушению армирования из стекловолокна. Допускаются горячеканальные системы с открытыми затворами.

Ворота должны иметь минимальную толщину 2 мм (0,080 дюйма). Если возможно, расположите литник вдоль края, который не блокирует поток материала в полость. Затвор на поверхности детали необходимо повернуть на 90°, чтобы предотвратить разрыв волокна, который может привести к ухудшению механических свойств.

Наконец, важно обращать внимание на расположение линий сварки и знать, как они влияют на область, где деталь будет подвергаться нагрузке (или напряжению) во время использования. Линии сварки следует переместить в места, где ожидается низкий уровень напряжения за счет правильного размещения затворов.

Компьютерный анализ заполнения формы может помочь определить, где будут расположены эти линии сварки. Структурный анализ методом конечных элементов (FEA) можно использовать для сравнения местоположения высоких напряжений с расположением линий плавления, определенных при анализе заполнения формы.

Следует отметить, что данные конструкции деталей и пресс-форм являются лишь рекомендациями. Существует множество примеров деталей с тонкими стенками, разной толщиной стенок и деликатными или мелкими деталями, которые достигли хороших характеристик с помощью комплексов LFRT. Однако чем дальше отклоняются от этих рекомендаций, тем больше времени и усилий требуется для реализации всех преимуществ LFRT.


III. Условия обработки

Условия обработки имеют решающее значение для успеха LFRT. При правильных условиях обработки можно изготовить хорошую деталь LFRT, используя универсальную машину для литья под давлением и правильно спроектированную форму. Другими словами, даже при наличии надлежащего оборудования и конструкции пресс-формы длина волокна может быть уменьшена при использовании плохих условий обработки. Для этого необходимо понять, с чем волокна столкнутся в процессе формования, и определить области, которые могут вызвать чрезмерный сдвиг волокон.

Во-первых, следите за противодавлением. Высокое противодавление создает на материал большую силу сдвига, что приводит к уменьшению длины волокна. Рассмотрите возможность начать с нулевого противодавления и увеличивать его ровно настолько, чтобы шнек мог равномерно возвращаться во время подачи. Использование противодавления от 1,5 до 2,5 бар (от 20 до 50 фунтов на квадратный дюйм) обычно достаточно для обеспечения постоянной подачи.

Высокая скорость шнека также оказывает вредное воздействие. Чем быстрее вращается шнек, тем больше вероятность того, что твердые частицы и нерасплавленный материал попадут в секцию сжатия шнека, вызывая повреждение волокна. Аналогично рекомендациям по противодавлению, скорость следует поддерживать как можно ниже до минимального уровня, необходимого для стабилизации наполнительного шнека. Скорость шнека от 30 до 70 об/мин обычно используется при формовании компаундов LFRT.

В процессе литья под давлением плавление происходит под действием двух факторов, действующих вместе: сдвига и тепла. Поскольку цель состоит в том, чтобы сохранить длину волокон при LFRT за счет уменьшения сдвига, потребуется больше тепла. В зависимости от системы смолы температура обработки компаунда LFRT обычно на 10–30°C выше, чем для компаунда, полученного традиционным способом.

Однако, прежде чем просто увеличивать температуру ствола по всем направлениям, важно отметить обратное распределение температуры ствола. Обычно температура ствола повышается по мере перемещения материала из бункера в сопло; однако для LFRT рекомендуемая температура в бункере выше. Инверсия распределения температуры приводит к тому, что гранулы LFRT размягчаются и плавятся перед входом в секцию сжатия шнека с высокой скоростью сдвига, что способствует сохранению длины волокна.

Последнее замечание, касающееся обработки, касается использования материала повторного использования. Шлифование формованных деталей или литников обычно приводит к уменьшению длины волокна, поэтому добавление повторно используемого материала может повлиять на общую длину волокна. Чтобы не значительно снизить механические свойства, рекомендуемое максимальное количество повторно используемого материала составляет 5%. Большее количество повторно используемого материала может отрицательно повлиять на механические свойства, такие как ударная вязкость.