Czym jest skurcz w formowaniu wtryskowym? Kompletny przewodnik [2024]

Formowanie wtryskowe jest jednym z najpopularniejszych procesów produkcji części z tworzyw sztucznych, od małych klocków Lego po zderzaki samochodowe i elementy deski rozdzielczej. Jednak pomimo powszechności tej technologii, wiele osób nie rozumie, co dzieje się po wtryśnięciu stopionego plastiku do formy.

Jedną z nieodłącznych cech tworzyw sztucznych jest ich znaczne kurczenie się podczas chłodzenia. Ten skurcz to nie tylko zmiana wymiarów, ale może również powodować wewnętrzne naprężenia, które prowadzą do wypaczeniezniekształcenie geometrii lub wymiarów części.

Zarządzanie i redukcja skurczu jest istotnym aspektem projektowania i produkcji skomplikowanych części z tworzyw sztucznych, które zachowują wąskie tolerancje przez cały okres użytkowania produktu. W tym przewodniku, jako profesjonalista Producent form wtryskowych z tworzyw sztucznychPodzielę się tym, co powoduje skurcz przy formowaniu wtryskowym, jak można go przewidzieć i kontrolować, a także strategiami zmniejszania wad części.

Czym jest skurcz w formowaniu wtryskowym?

Skurcz odnosi się do kurczenia się elementu formowanego z tworzywa sztucznego, gdy stygnie on po wtrysku we wtryskarce. Ogólnie rzecz biorąc, polimery z tworzyw sztucznych kurczą się w zakresie 2-4%, chociaż może to wynosić od 0,5% do 10% w zależności od tworzywa sztucznego, dodatków wzmacniających, takich jak włókna szklane, i szczegółów, takich jak grubość ścianki. Niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie skurczu, dlatego należy go uwzględnić podczas projektowania części z tworzyw sztucznych.

W najbardziej ekstremalnych przypadkach, nierównomierny skurcz zwany wypaczenie może zniekształcić części do tego stopnia, że nie będą one pasować do określonych tolerancji. Ale wypaczenia mogą pojawiać się w bardzo subtelny sposób, jako niewielkie zagięcia lub skręcenia niewidoczne dla ludzkiego oka - dlatego zarządzanie skurczem poprzez wybór projektu i obróbki ma fundamentalne znaczenie.

Dynamika kurczenia się i jego wpływ zależą od kombinacji czynników:

• Skład polimeru: Sposób, w jaki cząsteczki reagują na zmiany temperatury i ciśnienia, co wpływa na kierunkowe tendencje do kurczenia się. Amorficzne polimery, takie jak ABS mają bardziej jednolite właściwości, podczas gdy półkrystaliczne tworzywa sztuczne, takie jak PE i PP, zachowują się anizotropowo.
• Temperatury topnienia: Wyższe temperatury topnienia generalnie zwiększają kurczliwość z powodu rozszerzania się łańcuchów polimerowych.
• Temperatury pleśni: Szybsze chłodzenie zwiększa naprężenia wewnętrzne. Gorętsze formy pozwalają na większe rozluźnienie cząsteczek przed zamrożeniem.
• Rozkład masy cząsteczkowej: Polimery o większej masie mają tendencję do większego kurczenia się.
• Obecność wypełniaczy/wzmocnień: Włókna ograniczają kurczliwość wzdłuż ich orientacji. Wypełniacze mineralne zmniejszają ogólny skurcz.
• Czynniki geometrii: Grubość ścianki, żebra itp. Grubsze obszary kurczą się bardziej niż cieńsze, potencjalnie powodując zniekształcenia.

Dlaczego plastik się kurczy?

Aby zrozumieć, co powoduje kurczenie się, ważne jest, aby najpierw przyjrzeć się temu, co dzieje się z polimerami na poziomie molekularnym, gdy przechodzą one przez proces formowania wtryskowego.

Zachowanie molekularne w tworzywach sztucznych

Tworzywa sztuczne zawierają długie łańcuchy molekularne powtarzających się jednostek połączonych ze sobą, znanych jako polimery. Zachowanie tych łańcuchów - w jaki sposób są one uporządkowane - określa, czy materiał jest amorficzny czy półkrystaliczny.

Polimery amorficzne mają losowo zwiniętą strukturę bez powtarzającej się organizacji między łańcuchami. Po podgrzaniu amorficzne polimery tworzą swobodnie płynącą ciecz, gdy cząsteczki rozchodzą się od siebie. Chłodzenie pozwala splątanym łańcuchom zbliżyć się, skurczyć i zestalić w miejscu, ale nigdy nie układają się w uporządkowane struktury.

Popularne amorficzne tworzywa sztuczne:

• Akrylonitryl-butadien-styren (ABS)
• Poliwęglan (PC)
• Polistyren (PS)

Półkrystaliczne tworzywa sztuczne zawierają obszary, w których łańcuchy molekularne łączą się, tworząc uporządkowane obszary krystaliczne, podczas gdy inne obszary pozostają amorficzne.

Po podgrzaniu obszary krystaliczne stapiają się z obszarami amorficznymi, ale cząsteczki nadal są w większości skierowane w tych samych kierunkach. Podczas chłodzenia uporządkowane struktury krystaliczne reformują się, przyciągając cząsteczki do mniejszej objętości - stąd bierze się skurcz.

Popularne półkrystaliczne tworzywa sztuczne:

• Polietylen (PE)
• Polipropylen (PP)
• Nylon (PA)

Wysoki stopień wyrównania molekularnego materiałów półkrystalicznych powoduje kurczenie się prostopadle do przepływu, podczas gdy polimery amorficzne kurczą się wzdłuż kierunków przepływu.

Jak proces formowania powoduje kurczenie się materiału?

Wracając do formowania wtryskowego - w jaki sposób warunki maszyny i formy prowadzą do skurczu?

Gdy tworzywo sztuczne wchodzi do ogrzewanej beczki, siły ścinające rozbijają obszary krystaliczne, podczas gdy ogrzewanie pozwala łańcuchom molekularnym rozprzestrzeniać się, zwiększając wolną objętość.

Następnie stopiony polimer jest wtłaczany pod wysokim ciśnieniem i z dużą prędkością do stosunkowo chłodniejszej wnęki formy, która ogranicza ruch prostopadły do kierunku przepływu. Cząsteczki układają się wzdłuż kierunku przepływu jak spaghetti w dyszy.

W przypadku półkrystalicznych tworzyw sztucznych wraz ze spadkiem temperatury uporządkowane struktury zaczynają się ponownie formować. Wyrównujące się cząsteczki mają mniejszą wolną objętość, co prowadzi do ich ściślejszego przyciągania - kurczenia się tworzywa sztucznego.

Dodatkowo powstają naprężenia szczątkowe między gorętszym rdzeniem a chłodniejszymi obszarami powierzchni, które są ograniczone sztywnymi ściankami formy. Części będą próbowały złagodzić te naprężenia podczas dalszego chłodzenia po wyrzuceniu z formy, potencjalnie powodując wypaczenie.

Gdzie występuje skurcz?

Większość skurczu zachodzi podczas chłodzenia wewnątrz formy, chociaż mniejsza ilość może wystąpić po wyrzuceniu, gdy temperatura w pełni się ustabilizuje.

Skurcz po formowaniu zależy od kilku czynników:

• Warunki przetwarzania, takie jak prędkość wtrysku, ciśnienie i temperatura
• Jak szybko warstwy powierzchniowe krzepną, ograniczając ruch molekularny
• Poziom naprężeń szczątkowych

Na przykład w przypadku amorficznych tworzyw sztucznych, takich jak PC i ABS, większy skurcz ma miejsce na zewnątrz formy, ponieważ wewnętrzne sekcje pozostają stopione dłużej, umożliwiając rozluźnienie łańcuchów polimerowych. Lub bardzo cienkie części zestalają się szybciej, tworząc mniejsze naprężenia wewnętrzne.

Przewidywanie i pomiar współczynnika kurczliwości

Każde tworzywo sztuczne kurczy się inaczej w różnych warunkach. Dlatego pierwszym krokiem do zrozumienia, w jaki sposób część może się odkształcać, jest dokładne określenie szybkości skurczu.

Skurcz jest mierzony jako procentowa zmiana między wymiarami części formowanej wtryskowo w porównaniu do formy ze stali narzędziowej: Skurcz (%) = (wymiar formy - wymiar części) / wymiar formy x 100

Większość producentów żywic z tworzyw sztucznych podaje dane dotyczące skurczu w arkuszach danych materiałowych, chociaż idealnym rozwiązaniem jest przetestowanie dokładnych parametrów produkcyjnych. Typowe wartości skurczu mieszczą się w przedziale:

• Polimery amorficzne: 0.3-0.7%
• Półkrystaliczne tworzywa sztuczne: Około 2%

Należy pamiętać, że szczegóły przetwarzania wpływają na skurcz danego tworzywa sztucznego. Zmiany prędkości wtrysku, temperatury, ciśnienia i innych czynników mogą wpływać na szybkość skurczu.

Jak oprogramowanie symulacyjne przewiduje współczynniki skurczu?

Specjalistyczne oprogramowanie symulacyjne może modelować proces formowania wtryskowego dla określonego projektu części z tworzywa sztucznego w celu przewidywania zachowań, takich jak skurcz. Ich działanie polega na cyfrowym naśladowaniu takich czynników jak:

• Właściwości reologiczne tworzywa sztucznego
• Wydajność maszyny do formowania
• Temperatury, prędkości, ciśnienia
• Geometria części

W rezultacie inżynierowie mogą wizualizować tendencje do kurczenia się i ryzyko wypaczenia ich projektu. Umożliwia to wprowadzanie poprawek przed podjęciem decyzji o kosztownym oprzyrządowaniu formy.

Symulacja pomaga również w określeniu najlepszego kompromisu między właściwościami potrzebnymi do zapewnienia funkcjonalności a wadami wynikającymi ze skurczu. Zmiany mogą obejmować modyfikację geometrii, lokalizacji bramek, a nawet operacji wtórnych.

Jak kontrolować skurcz przy formowaniu wtryskowym?

Całkowite wyeliminowanie skurczu jest prawie niemożliwe w przypadku tworzyw sztucznych. Jednak dzięki celowym decyzjom projektowym i procesowym można go zminimalizować na tyle, aby produkować solidne wymiarowo, funkcjonalne części.

Strategie zmniejszania kurczliwości tworzyw sztucznych

Oto kilka najlepszych praktyk stosowanych w celu zmniejszenia wad skurczowych:

1. Prawidłowe napełnianie, pakowanie i chłodzenie

Zbyt szybkie napełnianie - zachęca do wyrównania cząsteczek, ryzykując anizotropowy skurcz.

Nieodpowiednie pakowanie - prowadzi do nieprzewidywalnego zapadania się wewnętrznych sekcji części po wysunięciu.

Zbyt szybkie chłodzenie - Powoduje różny skurcz w grubych i cienkich obszarach, co prowadzi do wypaczeń.

2. Zwiększenie temperatury formy

Umożliwia rozluźnienie łańcuchów polimerowych przed całkowitym zestaleniem, zmniejszając naprężenia wewnętrzne. Często idealna jest temperatura 30-50°C poniżej temperatury topnienia.

3. Korzystanie z systemów gorącokanałowych

Gorące prowadnice utrzymują w stanie stopionym wlewki i prowadnice, eliminując zimne ślimaki, zmniejszając wymagania dotyczące długości przepływu, umożliwiając optymalizację sekcji części.

4. Dodanie włókien szklanych

Przy około 30% odcięcia wagowego włókna utrudniają kurczenie się, zapewniając wzmocnienie. Chociaż zmniejsza udarność.

5. Obejmuje prawidłowe odpowietrzanie formy

Odpowietrzanie zapobiega uwięzieniu powietrza we wnęce podczas napełniania, zapewniając pełne uszczelnienie i równomierny skurcz.

6. Korzystanie z formowania wtryskowego wspomaganego gazem

Sprężony gaz jest wtryskiwany do wnęki, dociskając materiał do ścian, poprawiając replikację i dokładność wymiarową. Ciśnienie powoduje kurczenie się materiału do małych, wydrążonych kanałów.

7. Przepakowywanie stref o wysokiej kurczliwości

Zazwyczaj obszary przeciwne do kierunku przepływu wykazują większy skurcz w miarę rozluźniania się cząsteczek. Można to skompensować celowo wyższym upakowaniem.

Zasady projektowania minimalizujące nierównomierny skurcz

Odpowiednia geometria części w ogromnym stopniu przyczynia się do stabilności, ponieważ tworzywo sztuczne kurczy się podczas chłodzenia. Niektóre wytyczne projektowe pomagające zmniejszyć nierównomierny skurcz obejmują:

• Ustawienie optymalnej grubości ścianki dla zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości. Grube strefy wykazują większy skurcz w porównaniu do cienkich obszarów.
• Ograniczenie różnic w grubości ścianek pojedynczych części, dzięki czemu sekcje pozostają jednolite. Nagłe zmiany powodują preferencyjne kurczenie się, zniekształcając cieńsze obszary.
• W tym odpowiednie kąty ciągu na pionowych ściankach umożliwiające równomierne kurczenie się podczas wyrzucania, zapobiegając przywieraniu.
• Umieszczenie linii spawania i łączenia z dala od stref o wysokim wyglądzie lub tolerancji. Obszary te są z natury podatne na niespójny skurcz.
• Używanie żeber lub konstrukcji wsporczych z cienkimi profilami tylko tam, gdzie jest to konieczne do zarządzania masą. Żebra pomagają ograniczyć skurcze różnicowe na większych ścianach, ale zwiększają masę, jeśli nie są wymagane.