Главная »Пластмассовые изделия на заказ

Остаточные напряжения, пластмассовые изделия на заказ и их усадка, коробление при литье из пластмасс

Существенной проблемой литья полимерных изделий является контроль пресс-формы пластмассового изделия на заказ и прогнозирование ее эксплуатационных изменений. Например, появляю­щиеся утяжпны в отливке возникают из-за усадки материала при охлаждении или отверждении. Обычная геометрическая пресс-форма на заказ образующихся дефектов — это реб­ристость поверхности. Размер утяжин, которые зачастую являются только пробле­мой внешнего вида, связан как с материалом и условиями переработки, так и с гео­метрией самого пластикового изделия. Если ребро толще боковой стенки, то возможно появление утяжин на плоской стороне пластикового изделия от производителя.

 

Рис. 3.57. Профиль степени отверждения по толщине 10 мм пластины.    Рис. 3.58. Зависимость времени отверждения от толщины пластины при различных

температурах пресс-формы. Выделенная область показывает условия, при которых может происходить термическая деструкция.

Условия переработки пластика, вызывающие несимметричное распределение остаточных напряжений по толщине изделия из пластика, зачастую приводят к его короблению. Наиболее подвержены остаточным напряжениям изделия из термопластов. Их появление свя­зывают с двумя основными взаимозавнсящими факторами: охлаждением и напря­жениями при течении расплава. Первая и наиболее важная причина появления на­пряжений заключается в излишне ускоренном охлаждении изделия из пластмассы на заказ в формующей полости. Этот доминирующий фактор вызывает появление растягивающих напря­жений в центре пластмассового изделия на заказ и сжимающих напряжений на его поверхности. Типовые кривые распределения остаточных напряжений в пластинах из ПММА и ПС .

Остаточные напряжения в отливках формируются вследствие сдвиговых и нор­мальных напряжений, возникающих в расплаве полимера по мере его движения в литниковой системе и на стадии заполнения пресс-формы. Такие напряжения зачастую очень малы по сравнению с напряжениями, возникающими при охлаждении. Одна­ко при низких температурах литья они могут быть значительными, что, возможно,приведет к получению изделий с остаточными растягивающими напряжениями в поверхностных слоях. Результаты такого подхода к оценке пластин из ПС, полученных литьем пластика под давлением при различных темпера­турах. На рисунке показано распределение остаточных напряжений по толщине пластины перпендикулярно и параллельно направлению потока. Исаев  так­же показал, что напряжения при течении максимальны у места впуска. Образую­щиеся в результате остаточные напряжения имеют особое значение, поскольку мо­гут привести к растрескиванию полимерного изделия.

Разработка моделей и анализ процессов усадки и коробления при промышлен­ном производстве изделий из пластмасс необходимы для понимания и прогнозиро­вания сложного термомеханического поведения перерабатываемого материала. Усадка и коробление пластмассовых изделий являются результатом негомогенности и анизотропии расплава, вызванных ориентацией макромолекул вследствие сдвиговых деформа­ций потока расплава, его поведением при отверждении или затвердевании, неопти­мальной по теп дерегулированию схемой пресс-формыдля литья и отклонениями в условиях перера­ботки. Усадка и коробление напрямую связаны с остаточными напряжениями и, со­ответственно, со скоростью охлаждения, или «сшивки», расплава полимера. Есть надежда, что точное прогнозирование процесса литья и формирования остаточных напряжений позволит конструировать лучшие формы, реализующие благоприят­ные условия переработки.

Пластмассовые изделия на заказ и оценка усадки

Для иллюстрации усадки и динамики остаточных напряжений, возникающих при литье пластмасс под давлением, рассматривается плоская формующая полость. В первом приближении можно допустить, что по мере быстрого охлаждения мате­риала холодными поверхностями пресс-формы вокруг массы расплава образуется оболоч­ка из твердого материала. Если пренебречь стадией подпитки в цикле литья под дав­лением, то такое жесткое обрамление способствует усадке при затвердевании. Этот процесс сопровождается незначительными сжимающими усилиями. Фактически если исключить подпитку пресс-формы расплавом, то примерно 85-90% объемных изме­нений полимера сопровождаются усадкой по толщине изделия из платстмассы.

Изменение толщины конечного изделия из пластмассы может быть оценено с использованием PVT-диаграммы. В качестве примера рассматривается пластмассовое изделие из ПС толщиной 1 мм. Расплав впрыскивается при 175 °С до максимального давления вы­держки 600 бар, поддерживаемого до момента застывания впускного литника при средней температуре изделия 125 °С. В этот момент давление снижается до 1 бар и температура падает до 25 °С. Этот процесс можно проследить по PVT-диаграмме .

Из PVT-диаграммы можно сделать заключение, что пластмассовые изделия будут иметь средний удельный объем 0,956 см¹Д при атмосферном давлении. Удельный объем изменяет­ся до 0,005 см¹/г, или 0,523% от указанной точки, до тех пор пока изделие не остынет до комнатной температуры. Окончательная толщина изделия из пластика составит 0,995 мм. Важно подчеркнуть, что скорость охлаждения, использованная для измерения

Пластмассовые изделия на заказ от производителя и их оценка распределения внутренних напряжений

Затвердевание отливки начинается при заполнении прессформы и продолжается по­сле ее заполнения, то есть на стадии подпитки. Это замораживает сдвиговые напря­жения течения, имеющие тот же порядок, что и термические напряжения. В рабо­те  рассчитаны остаточные внутренние напряжения в литьевых изделиях, вклю­чая вязкоэластичное поведение полимера и оба отмеченных вида напряжений. Автор  аналитически показал, что напряжения, вызванные течением, достаточно значимы  в основном фиксируются в остывающем пластмассовом изделие. Это соответствует экс­периментальным данным Исаева  и Вимбергера-Фрейдла.

Для приблизительной оценки остаточных внутренних напряжений в отливке можно использовать параболическое распределение температуры с начальной точ­кой в момент его затвердевания. Это согласуется с характером послойного распре­деления напряжений сжатия-растяжения. Допуская, что фазовые изменения не влияют на внутренние напряжения, для аппроксимации их распределения можно использовать простую функцию на основе параболического распределения темпе­ратуры.

Температура затвердевания представляет собой температуру стеклования для аморфных полимеров или температуру кристаллизации для частично кристалли­зующихся полимеров. Уравнение выведено из предположения наличия ста­тического равновесия (то есть интеграл напряжений по толщине должен быть равен нулю). На рис. 3.62 приведено сравнение сжимающих напряжений, измеренных на поверхности образцов из ПММА, с результатами уравнения (3.50).

 

Температура, *С

Рис. 3.62. Сравнение рассчитанных по уравнению и измеренных сжимающих напряжений на поверхности пластин, полученных из ПММА литьем под давлением

 

Рис. 3.63. Обозначения при расчете коробления изделия из пластика

 

Оценка коробления пластмассового изделия за счет теплового дисбаланса пресс-формы для литья

Тепловой дисбаланс прессформы для литья является основной причиной коробления изделий из пластика. Он сможет возникать в результате несовпадения изотерм охлаждения с геометрией литьевой формы для литья пластмасс. Достаточно прост, но эффективен расчет коробления по разности температур Г между двумя половинами формы для литья. Используя обозначения, представ­ленные на рис. 3.63, можно предсказать коробление пластмассового изделия на заказ с помощью следующего соотношения:

Для иллюстрации действия уравнения авторы могут оценить прогиб линейки из ПС длиной 30 см и толщиной 1 мм при тепловом дисбалансе формы 5 °С. Принимая КТР ПС равным 7 х Ю^-5 мм/мм/°С по уравнению (3.51), получаем коробление ве­личиной 15,7 мм.