Materiały termoplastyczne wzmocnione długimi włóknami (LFRT) są stosowane do formowania wtryskowego o wysokich właściwościach mechanicznych. Chociaż technologia LFRT może zapewnić dobrą wytrzymałość, sztywność i właściwości uderzenia, przetwarzanie tego materiału odgrywa ważną rolę w określaniu, jak może działać końcowa część.
Aby skutecznie kształtować LFRT, konieczne jest zrozumienie niektórych z ich unikalnych cech. Zrozumienie różnic między LFRT i konwencjonalnymi materiałami termoplastycznymi spowodowało rozwój wyposażenia, konstrukcji i technologii przetwarzania w celu zmaksymalizowania wartości i potencjału LFRT.
Różnica między LFRT a tradycyjnie ciętymi, krótkimi kompozytami wzmocnionymi włóknem szklanym polega na długości włókien. W LFRT długość włókna jest taka sama jak długość peletki. Wynika to z faktu, że większość LFRT produkowana jest przez pultruzję, a nie przez mieszanie typu shear.
W produkcji LFRT, ciągłe pasma włókien przędzenia włókien są najpierw wciągane do matrycy w celu powlekania i impregnowania żywicy. Po wyjściu z matrycy, ciągłe paski są cięte lub granulowane, zwykle przycinane do długości 10-12 mm. W przeciwieństwie do tego, tradycyjne krótkie kompozyty z włókna szklanego zawierają tylko pocięte włókna o długości 3 do 4 mm, a ich długość jest dalej redukowana do typowo mniejszych niż 2 mm w wytłaczarkach typu shear.
Długość włókien w peletkach LFRT pomaga poprawić właściwości mechaniczne LFRT - zwiększoną odporność na uderzenia lub wytrzymałość przy zachowaniu sztywności. Tak długo, jak włókna są utrzymywane na długości podczas procesu formowania, będą tworzyć "wewnętrzny szkielet" zapewniający doskonałe właściwości mechaniczne. Jednak zły proces formowania może przekształcić długie włókna w krótkie materiały włókniste. Jeśli długość włókna jest zagrożona podczas procesu formowania, nie jest możliwe uzyskanie wymaganego poziomu wydajności.
Aby zachować długość włókien podczas procesu formowania LFRT, należy wziąć pod uwagę trzy ważne aspekty: wtryskarkę, projekt części i formy oraz warunki przetwarzania.
Po pierwsze, środki ostrożności dotyczące sprzętu
Jednym z pytań, które często stawia się przed obróbką LFRT, jest to, czy możemy wykorzystać istniejący sprzęt do formowania wtryskowego do kształtowania tych materiałów. W ogromnej większości przypadków sprzęt do formowania kompozytów z włókien ciętych może być również wykorzystywany do tworzenia LFRT. Chociaż typowe wyposażenie do formowania krótkich włókien jest zadowalające dla większości części i produktów LFRT, niektóre modyfikacje sprzętu mogą lepiej pomóc w utrzymaniu długości włókien.
Uniwersalna śruba z typową sekcją "pomiar kompresji i podawania" jest bardzo odpowiednia dla tego procesu, a ścinanie niszczące włókna można zmniejszyć przez zmniejszenie stopnia sprężania sekcji pomiarowej. Współczynnik kompresji segmentu 2: 1 jest optymalny dla produktów LFRT. Zastosowanie specjalnych stopów metali do produkcji śrub, beczek i innych części nie jest konieczne, ponieważ zużycie LFRT nie jest tak duże, jak w przypadku tradycyjnych termoplastów wzmocnionych włóknem szklanym.
Innym urządzeniem, które może skorzystać z przeglądu projektu, jest końcówka dyszy. Niektóre materiały termoplastyczne są łatwiejsze w obróbce za pomocą odwróconej stożkowej końcówki dyszy, co powoduje wysoki stopień ścinania, gdy materiał wtryskuje się do gniazda formy. Jednakże takie końcówki dysz znacznie zmniejszają długość włókien długich kompozytów włóknistych. Dlatego zaleca się stosowanie zespołu końcówki / zaworu z końcówką szczelinową o 100% konstrukcji "swobodnego przepływu", która pozwala długim włóknom łatwo przejść przez dyszę do elementu.
Ponadto średnica dyszy i otworu bramy powinna mieć luźny rozmiar 5,5 mm (0,250 cala) lub więcej i nie ma ostrej krawędzi. Ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób materiał przepływa przez urządzenie do formowania wtryskowego i określić, gdzie ścinanie będzie łamać włókna.
Po drugie, projektowanie części i form
Dobre części i konstrukcja formy są również pomocne w utrzymaniu długości włókien LFRT. Wyeliminowanie ostrych naroży wokół części krawędzi (w tym żeber, występów i innych cech) pozwala uniknąć niepotrzebnych naprężeń w wypraskowanej części i zmniejsza zużycie włókien.
Części powinny mieć nominalną konstrukcję ściany o jednolitej grubości ściany. Większe zmiany grubości ściany mogą powodować niespójne upakowanie i niechcianą orientację włókien w części. Jeżeli grubość musi być grubsza lub cieńsza, należy unikać nagłych zmian grubości ścianki, aby uniknąć tworzenia się obszarów o dużym ścinaniu, które mogą uszkodzić włókna i stać się źródłem koncentracji naprężeń. Zazwyczaj próbuje się otworzyć bramę w grubszej ścianie i przepłynąć do cienkiej części, utrzymując koniec napełniania w cienkiej części.
Ogólna zasada dobrej konstrukcji z tworzywa sztucznego sugeruje, że utrzymywanie grubości ścianki mniejszej niż 4 mm (0,160 cala) będzie sprzyjać dobremu i jednorodnemu przepływowi oraz zmniejszeniu możliwości zlewów i pustych przestrzeni. W przypadku związków LFRT optymalna grubość ścianki wynosi zwykle około 3 mm (0,120 cala), a minimalna grubość wynosi 2 mm (0,080 cala). Gdy grubość ścianki jest mniejsza niż 2 mm, wzrasta prawdopodobieństwo złamania włókien po wejściu do formy.
Części są tylko jednym aspektem projektu i ważne jest również rozważenie, w jaki sposób materiał wchodzi do formy. Gdy prowadnice i bramki prowadzą materiał do wnęki, może zaistnieć duża ilość uszkodzeń włókien w tych obszarach, jeśli nie są one właściwie zaprojektowane.
Podczas projektowania formy do formowania związku LFRT, belka o pełnym promieniu jest optymalna z minimalną średnicą 5,5 mm (0,250 cala). Oprócz kanału o pełnej okrągłości, każda inna forma kanału przepływu będzie mieć ostre narożniki, które zwiększą naprężenia podczas procesu formowania i zniszczą efekt wzmacniający włókna szklanego. Systemy gorących kanałów z otwartymi kanałami są dopuszczalne.
Minimalna grubość bramy powinna wynosić 2 mm (0,080 cala). Jeśli to możliwe, ustaw bramę wzdłuż krawędzi, która nie blokuje przepływu materiału do wnęki. Brama na powierzchni części będzie musiała być obrócona o 90 °, aby zapobiec inicjacji zerwania włókien i pogarszaniu właściwości mechanicznych.
Na koniec należy zwrócić uwagę na lokalizację linii fuzji i ich wpływ na obszar, w którym części poddawane są obciążeniu (lub naprężeniom), gdy są używane. Linia fuzji powinna zostać przeniesiona do obszaru, w którym poziom stresu powinien być niższy dzięki racjonalnemu rozmieszczeniu bramy.
Analiza wypełniania komputerowego może pomóc w ustaleniu, gdzie znajdą się te linie fuzji. Analiza strukturalna elementów skończonych (MES) może być wykorzystana do porównania położenia wysokiego naprężenia i lokalizacji linii konfluencji, jak określono w analizie napełniania.
Należy zauważyć, że te części i formy są jedynie zaleceniami. Istnieje wiele przykładów elementów, które mają cienkie ścianki, różnice grubości ścian oraz drobne lub delikatne cechy, które wykorzystują związki LFRT w celu uzyskania dobrych wyników. Jednakże, w porównaniu z tymi zaleceniami, potrzeba więcej czasu i wysiłku, aby zapewnić pełne wykorzystanie długich technologii światłowodowych.
Po trzecie, warunki przetwarzania
Warunki przetwarzania są kluczem do sukcesu LFRT. Dopóki stosowane są właściwe warunki przetwarzania, możliwe jest użycie wtryskarki ogólnego przeznaczenia i odpowiednio zaprojektowanej formy do przygotowania części LFRT. Innymi słowy, nawet przy odpowiednim wyposażeniu i konstrukcji formy, długość włókna może ucierpieć, jeśli zostaną zastosowane złe warunki przetwarzania. Wymaga to zrozumienia, co włókno spotka podczas procesu formowania i identyfikacji obszarów, które spowodują nadmierne ścinanie włókien.
Najpierw monitoruj ciśnienie wsteczne. Wysokie przeciwciśnienie wprowadza dużą siłę ścinającą na materiał, który zmniejsza długość włókna. Rozpatrując zaczynając od zerowego ciśnienia wstecznego i zwiększając je tylko do momentu równomiernego wycofania śruby podczas procesu podawania, zwykle wystarcza ciśnienie zwrotne od 1,5 do 2,5 bara (20 do 50 psi), aby uzyskać stałe podawanie.
Wysoka prędkość ślimaka ma również niekorzystny wpływ. Im szybciej obraca się śruba, tym bardziej prawdopodobne jest, że stały i nietopiony materiał wejdzie w sekcję sprężania śrub i spowoduje uszkodzenie włókien. Podobnie jak w przypadku ciśnienia wstecznego, należy go trzymać tak szybko, jak to możliwe, aby ustabilizować minimum wymagane do wypełnienia śruby. Podczas formowania związków LFRT, prędkości śrubowe od 30 do 70 obr./min są powszechne.
W procesie formowania wtryskowego topienie odbywa się przez dwa czynniki, które działają razem: ścinanie i ciepło. Ponieważ celem jest ochrona długości włókna w LFRT poprzez zmniejszenie ścinania, więcej ciepła będzie potrzebne. Zgodnie z układem żywicy temperatura przetworzonego związku LFRT jest zwykle o 10-30 ° C wyższa niż temperatura typowego formowanego związku.
Jednak przed zwykłym podniesieniem temperatury cylindra przez cały czas, należy zwrócić uwagę na odwrócenie rozkładu temperatury cylindra. Zwykle temperatura w cylindrze wzrasta, gdy materiał przemieszcza się od leja do dyszy, ale w przypadku LFRT zaleca się, aby temperatura była wyższa w zbiorniku. Odwrócenie rozkładu temperatur umożliwia zmiękczenie i stopienie granulek LFRT przed wejściem do sekcji kompresji śruby o wysokim ścinaniu, ułatwiając w ten sposób utrzymanie długości włókien.
