Что такое усадка при литье под давлением? Полное руководство [2024]

Литье под давлением - один из самых популярных процессов производства пластиковых деталей, от крошечных Лего до автомобильных бамперов и элементов приборной панели. Но, несмотря на то, что эта технология широко распространена, многие люди не понимают, что происходит после того, как расплавленный пластик впрыскивается в форму.

Одно из свойств, присущих пластику, - значительная усадка при охлаждении. Эта усадка не только изменяет размеры, но и может вызвать внутренние напряжения, которые приводят к деформацияИскажение геометрии или размеров детали.

Управление и снижение усадки - важный аспект проектирования и производства сложных пластиковых деталей, сохраняющих жесткие допуски в течение всего срока службы изделия. В этом руководстве вы, как профессионал производитель литья пластмасс под давлениемЯ расскажу о том, что вызывает усадку при литье под давлением, как ее можно прогнозировать и контролировать, а также о стратегиях уменьшения дефектов в ваших деталях.

Что такое усадка при литье под давлением?

Усадка - это сокращение пластикового компонента при охлаждении после впрыска в литьевую машину. Как правило, усадка пластиковых полимеров составляет 2-4%, хотя может варьироваться от 0,5% до 10% в зависимости от пластика, армирующих добавок, например стекловолокна, и таких деталей, как толщина стенок. Полностью исключить усадку невозможно, поэтому ее необходимо учитывать при проектировании пластиковых деталей.

В самых крайних случаях неравномерная усадка называется деформация может деформировать детали настолько, что они не будут соответствовать заданным допускам. Но коробление может проявляться очень тонко, в виде небольших изгибов или скручиваний, невидимых человеческому глазу, поэтому управление усадкой с помощью конструкторских решений и обработки является основополагающим фактором.

Динамика усадки и ее влияние зависят от комбинации факторов:

• Полимерная композиция: Как молекулы реагируют на изменения температуры и давления, что влияет на тенденцию к направленной усадке. Аморфные полимеры, такие как ABS имеют более однородное, а полукристаллические пластики, такие как ПЭ и ПП, анизотропное поведение.
• Температура расплава: Более высокие температуры расплава обычно увеличивают усадку из-за расширения полимерных цепей.
• Температура плесени: Более быстрое охлаждение увеличивает внутренние напряжения. Более горячие формы позволяют молекулам расслабиться перед тем, как застыть на месте.
• Распределение молекулярной массы: Полимеры с большим весом имеют тенденцию к большей усадке.
• Наличие наполнителей/армирования: Волокна ограничивают усадку в соответствии с их ориентацией. Минеральные наполнители снижают общую усадку.
• Факторы геометрии: Например, толщина стенок, ребра и т.д. Более толстые участки сжимаются сильнее, чем более тонкие, что может привести к искажениям.

Почему пластик дает усадку?

Чтобы понять, что является причиной усадки, важно сначала рассмотреть, что происходит с полимерами на молекулярном уровне, когда они проходят процесс литья под давлением.

Молекулярное поведение в пластмассах

Пластмассы содержат длинные молекулярные цепочки, состоящие из повторяющихся единиц, соединенных между собой, которые называются полимерами. Поведение этих цепочек - насколько упорядоченно они упакованы друг с другом - определяет, является ли материал аморфным или полукристаллическим.

Аморфные полимеры имеют беспорядочно свернутую структуру без повторяющейся организации между цепями. При нагревании аморфные полимеры образуют свободно текущую жидкость, поскольку молекулы раздвигаются. При охлаждении запутанные цепочки сближаются, сжимаются и застывают на месте, но так и не складываются в упорядоченные структуры.

Распространенные аморфные пластики:

• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS)
• Поликарбонат (PC)
• Полистирол (PS)

Полукристаллические пластмассы содержат области, в которых молекулярные цепи упакованы вместе, образуя упорядоченные кристаллические области, в то время как другие области остаются аморфными.

При нагревании кристаллические участки плавятся в аморфные, но молекулы по-прежнему направлены в одну сторону. При охлаждении упорядоченные кристаллические структуры реформируются, стягивая молекулы в меньший объем - отсюда и происходит усадка.

Распространенные полукристаллические пластмассы:

• Полиэтилен (ПЭ)
• Полипропилен (PP)
• Нейлон (PA)

Высокая степень молекулярного выравнивания полукристаллических материалов вызывает усадку перпендикулярно потоку, в то время как аморфные полимеры усаживаются вдоль направления потока.

Как процесс формовки вызывает усадку

Теперь вернемся к литью под давлением - как условия работы машины и пресс-формы приводят к усадке?

Когда пластик попадает в нагретую бочку, силы сдвига разрушают кристаллические области, а нагрев позволяет молекулярным цепочкам раздвинуться, увеличивая свободный объем.

Затем расплавленный полимер под высоким давлением и с большой скоростью подается в относительно более холодную полость формы, которая ограничивает движение перпендикулярно направлению потока. Молекулы выравниваются вдоль направления потока, как спагетти через сопло.

В полукристаллических пластиках при понижении температуры вновь начинают формироваться упорядоченные структуры. Перестраивающиеся молекулы имеют меньший свободный объем, что приводит к их более плотному притяжению и усадке пластика.

Кроме того, между более горячей сердцевиной и более холодной поверхностью возникают остаточные напряжения, сдерживаемые жесткими стенками пресс-формы. Детали будут пытаться снять эти напряжения по мере охлаждения после извлечения из формы, что может привести к короблению.

Где происходит усадка?

Большая часть усадки происходит во время охлаждения внутри формы, но меньшая часть может произойти после извлечения, когда температура полностью стабилизируется.

Усадка после формовки зависит от нескольких факторов:

• Условия обработки, такие как скорость впрыска, давление и температура
• Как быстро застывают поверхностные слои, ограничивая движение молекул
• Уровень остаточных напряжений

Например, при использовании аморфных пластмасс, таких как ПК и АБС, усадка происходит вне формы, так как внутренние части дольше остаются расплавленными, что позволяет релаксировать полимерные цепи. Или очень тонкие детали застывают быстрее, создавая меньше внутренних напряжений.

Прогнозирование и измерение скорости усадки

Каждый пластиковый материал дает разную усадку при различных условиях. Поэтому первым шагом к пониманию того, как может деформироваться деталь, является точное определение скорости усадки.

Усадка измеряется как процентное изменение размеров детали, полученной литьем под давлением, по сравнению с формой из инструментальной стали: Усадка (%) = (размер пресс-формы - размер детали) / размер пресс-формы x 100

Большинство производителей полимерных смол предоставляют данные об усадке в технических паспортах материалов, однако идеальным вариантом является тестирование при точных производственных параметрах. Типичные значения усадки находятся в диапазоне:

• Аморфные полимеры: 0.3-0.7%
• Полукристаллические пластмассы: Около 2%

Помните, что детали обработки влияют на усадку конкретного пластика. Изменения скорости впрыска, температуры, давления и т. д. могут повлиять на скорость усадки.

Как программное обеспечение для моделирования прогнозирует степень усадки

Специализированное программное обеспечение для имитации может моделировать процесс литья под давлением для конкретной конструкции пластиковой детали, чтобы предсказать такие характеристики, как усадка. Они работают путем цифрового моделирования таких факторов, как:

• Реологические свойства пластика
• Производительность формовочной машины
• Температура, скорость, давление
• Геометрия детали

В результате инженеры могут визуализировать тенденции к усадке и риски деформации своей конструкции. Это позволяет внести коррективы, прежде чем приступать к изготовлению дорогостоящей оснастки.

Моделирование также помогает определить оптимальный компромисс между свойствами, необходимыми для обеспечения функциональности, и дефектами, возникающими при усадке. Изменения могут включать в себя модификацию геометрии, расположения затворов и даже вторичных операций.

Как контролировать усадку при литье под давлением

Полностью устранить усадку в пластмассах практически невозможно. Однако благодаря продуманным конструкторским и технологическим решениям ее можно свести к минимуму, чтобы изготавливать прочные и функциональные детали с заданными размерами.

Стратегии уменьшения усадки пластика

Вот несколько наиболее эффективных стратегий, используемых для уменьшения дефектов усадки:

1. Правильный баланс наполнения, упаковки и охлаждения

Слишком быстрое заполнение - способствует выравниванию молекул, что чревато анизотропной усадкой.

Недостаточная упаковка - приводит к непредсказуемому разрушению внутренних частей детали после извлечения.

Слишком быстрое охлаждение - вызывает различную усадку толстых и тонких участков, что приводит к короблению.

2. Повышение температуры пресс-формы

Позволяет расслабить полимерные цепи до полного затвердевания, снижая внутренние напряжения. Часто идеальным вариантом является температура на 30-50°C ниже температуры расплава.

3. Использование систем горячего прогона

Горячие бегунки сохраняют расплавленными литники и бегунки, устраняя холодные пробки, что снижает потребность в длине потока и позволяет оптимизировать сечение деталей.

4. Добавление стеклянных волокон

При отсечке около 30% по весу волокна препятствуют усадке, обеспечивая армирование. Хотя при этом снижается ударная прочность.

5. Обеспечьте надлежащую вентиляцию плесени

Вентиляция предотвращает задержку воздуха в полости во время заполнения, обеспечивая полную упаковку для равномерной усадки.

6. Использование литья под давлением с использованием газа

Сжатый газ подается в полость, прижимая материал к стенкам, что улучшает копийность и точность размеров. Под действием давления материал сжимается в небольшие полые каналы.

7. Переупаковка зон с высокой усадкой

Как правило, в областях против направления потока наблюдается большая усадка, поскольку молекулы расслабляются. Это можно компенсировать с помощью намеренно более высокой упаковки.

Правила проектирования для минимизации неравномерной усадки

Правильная геометрия деталей вносит огромный вклад в обеспечение стабильности, поскольку пластик сжимается при охлаждении. Некоторые рекомендации по проектированию, помогающие уменьшить неравномерную усадку, включают:

• Установите общую толщину стенок как можно тоньше для обеспечения достаточной прочности. Толстые зоны подвергаются большей усадке по сравнению с тонкими.
• Ограничение разброса толщины стенок отдельных деталей, что позволяет сохранить однородность сечений. Резкие изменения вызывают преимущественную усадку, деформируя более тонкие участки.
• В том числе правильные углы осадки на вертикальных стенках, обеспечивающие равномерное сужение при выталкивании, предотвращающее налипание.
• Располагайте линии сварки и стыковки вдали от зон с высоким внешним видом или допусками. Эти зоны по своей природе склонны к неравномерной усадке.
• Использование ребер жесткости или опорных конструкций с тонкими профильными деталями только там, где это необходимо, позволяет уменьшить объем. Ребра жесткости помогают ограничить дифференциальные сжатия больших стен, но добавляют дополнительную массу, если это не требуется.