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

Чтобы успешно формовать LFRT, необходимо понимание некоторых их уникальных характеристик. Понимание различий между LFRT и обычными армированными термопластами привело к разработке оборудования, конструкции и методов обработки, чтобы максимизировать ценность и потенциал LFRT.

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

При производстве LFRT непрерывные нити некрученой ровницы из стекловолокна сначала протягиваются в головку для покрытия и пропитки смолой, а после выхода из головки эта непрерывная полоса армированного пластика укорачивается или гранулируется, обычно до длины от 10 до 12 мм. мм. Напротив, обычные смеси коротких стеклянных волокон содержат только коротко обрезанные волокна длиной от 3 до 4 мм, длина которых обычно уменьшается до менее 2 мм в экструдерах сдвигового типа.

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

Чтобы сохранить длину волокна в процессе формования LFRT, необходимо учитывать три важных аспекта: машину для литья под давлением, конструкцию детали и пресс-формы и условия обработки.

I. Соображения относительно оборудования

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 компаундов с короткими волокнами, также можно использовать для формования LFRT, и, хотя стандартное оборудование для формования коротких волокон подходит для большинства деталей и изделий LFRT, можно внести некоторые модификации в оборудование, чтобы лучше поддерживать длину волокон. .

Шнек общего назначения с типичной секцией «подача-сжатие-измерение» хорошо подходит для этого процесса, и за счет уменьшения степени сжатия в дозирующей секции можно уменьшить деструктивное срезание волокна. Коэффициент сжатия дозирующей секции примерно 2:1 является оптимальным для продуктов LFRT. Изготовление винтов, цилиндров и других компонентов из специальных металлических сплавов не требуется, поскольку LFRT не испытывает такого сильного износа, как традиционные термопласты, армированные стекловолокном короткой резки.

Еще одним элементом оборудования, дизайн которого может быть полезен, является наконечник сопла. Некоторые термопластичные материалы легче обрабатывать с помощью наконечника сопла с обратным конусом, который 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 щелевого наконечника сопла/клапана со 100%-ной конструкцией «свободного потока», которая позволяет длинным волокнам легко проходить через сопло в деталь.

Кроме того, отверстия сопла и заслонки должны иметь диаметр не менее 5,5 мм (0,250 дюйма) и не иметь острых краев. Важно понять, как материал проходит через оборудование для литья под давлением, и определить, где сдвиг приведет к разрыву волокон.

II. Конструкция 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 краев (включая ребра, выступы и другие элементы) позволяет избежать ненужных напряжений в формованной детали и уменьшить износ волокна.

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

Общие принципы хорошего пластикового дизайна предполагают, что поддержание толщины стенки ниже 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 материал имеет повышенную вероятность разрыва волокон после попадания в форму.

Компоненты — это только один аспект дизайна, и важно учитывать, как материал входит в форму. Когда направляющие и литники направляют материал в полость, в этих областях может произойти значительное повреждение волокна, если они не спроектированы правильно.

When designing a mold for molding LFRT compounds, a fully rounded runner is optimal, with a minimum diameter of 5.5mm (0.250in). Any other form of runner than a full rounded corner runner will have sharp corners that will increase stresses during the molding process and destroy the glass fiber reinforcement. Hot runner systems with open gates are acceptable.

The gate should have a minimum thickness of 2mm (0.080in). If possible, position the gate along an edge that does not block the flow of material into the cavity. The gate on the surface of the part will need to be rotated 90° to prevent triggering fiber breakage that could reduce mechanical properties.

Finally, it is important to pay attention to the location of the fusion lines and to know how they affect the area where the part will be loaded (or stressed) during use. The fusion lines should be moved to areas where stress levels are expected to be low through proper gate placement.

A computerized mold filling analysis can help determine where these fusion lines will be positioned. Structural finite element analysis (FEA) can be used to compare the location of high stresses with the location of the fusion lines identified in the mold filling analysis.

It should be noted that these part and mold designs are only recommendations. There are many examples of parts with thin walls, wall thickness variations and delicate or fine features that have achieved good performance using LFRT complexes. However, the further one deviates from these recommendations, the more time and effort is required to ensure that the full benefits of LFRT are realized.


III. Processing Conditions

Processing conditions are critical to the success of LFRT. With the right processing conditions, it is possible to prepare a good LFRT part using a universal injection molding machine and a properly designed mold. In other words, even with proper equipment and mold design, fiber length may be compromised if poor processing conditions are used. This requires understanding what the fibers will encounter during the molding process and identifying the areas that will cause excessive fiber shear.

First, monitor the back pressure. The high back pressure introduces a large shear force on the material that will reduce fiber length. Consider starting with zero back pressure and increasing it only enough to allow the screw to return uniformly during feeding, using a back pressure of 1.5 to 2.5 bar (20 to 50 psi) is usually sufficient to obtain a consistent feed.

High screw speeds also have a detrimental effect. The faster the screw rotates, the more likely it is that solids and unmelted material will enter the screw compression section causing fiber damage. Similar to the recommendations for back pressure, the speed should be kept as low as possible to the minimum level required to stabilize the filling screw. Screw speeds of 30 to 70 r/min are common when molding LFRT compounds.

During the injection molding process, melting occurs through two factors that act together: shear and heat. Because the goal is to preserve the length of the fibers in LFRT by reducing shear, more heat will be required. Depending on the resin system, the temperature for processing an LFRT compound will typically be 10 to 30°C higher than a conventionally molded compound.

However, before simply increasing the barrel temperature across the board, it is important to note the inverse of the barrel temperature distribution. Typically, the barrel temperature rises as the material moves from the hopper to the nozzle; however, for LFRT, the recommended temperature is higher at the hopper. Inverting the temperature distribution causes the LFRT pellets to soften and melt before entering the compression section of the high shear screw, which facilitates fiber length retention.

Последнее замечание относительно обработки включает в себя использование материалов повторного использования. Шлифовка формованных деталей или литников обычно приводит к уменьшению длины волокна, поэтому добавление повторно используемого материала может повлиять на общую длину волокна. Во избежание значительного снижения механических свойств рекомендуемое максимальное количество повторно используемого материала составляет 5%. Большее количество повторно используемого материала может негативно сказаться на механических свойствах, таких как ударная вязкость.