Generowanie naprężeń wewnętrznych
W wyrobach formowanych wtryskowo lokalny stan naprężeń jest różny w poszczególnych miejscach, a stopień odkształcenia produktu zależy od rozkładu naprężeń szczątkowych. Jeżeli podczas chłodzenia produktu występuje gradient temperatury, naprężenia te rozwijają się, dlatego określa się je również jako „naprężenia formierskie”.
W częściach formowanych wtryskowo występują dwa rodzaje naprężeń wewnętrznych: naprężenia formierskie oraz temperaturowe naprężenia szczątkowe. Gdy stopione tworzywo wpływa do formy o niższej temperaturze, warstwa przy ściance gniazda szybko stygnie i krzepnie, przez co segmenty łańcuchów cząsteczkowych zostają „zamrożone”.
Ze względu na słabą przewodność cieplną warstwy zestalonego polimeru, w kierunku grubości produktu generowany jest duży gradient temperatury.
Rdzeń wyrobu krzepnie dość wolno, dlatego po zamknięciu przewężki stopiona warstwa w środku wyrobu nie jest jeszcze zestalona, a wtryskarka nie jest już w stanie skompensować skurczu podczas chłodzenia.
W ten sposób wewnętrzny skurcz produktu jest w przeciwnym kierunku niż działanie twardej warstwy skóry; rdzeń jest w stanie statycznego napięcia, podczas gdy warstwa powierzchniowa jest w stanie statycznego ściskania.
W przepływie napełniania stopu, oprócz efektu skurczu objętościowego spowodowanego naprężeniem. Istnieją również naprężenia spowodowane efektem rozszerzania prowadnicy i wylotu bramy; pierwszy efekt powoduje naprężenia związane z kierunkiem przepływu stopu, a drugi spowoduje naprężenia w kierunku prostopadłym do przepływu z powodu efektu rozszerzania wylotu.
Czynniki procesowe wpływające na stres
W warunkach szybkiego chłodzenia orientacja prowadzi do powstawania naprężeń w polimerze. Ze względu na wysoką lepkość stopionego polimeru, naprężenia wewnętrzne nie mogą zostać szybko zredukowane, co wpływa na właściwości fizyczne i stabilność wymiarową produktu.
Wpływ każdego parametru na naprężenie orientacyjne
(1) Temperatura topnienia, wysoka temperatura topnienia, niska lepkość i naprężenie ścinające zmniejszają orientację; z drugiej strony, ze względu na wysoką temperaturę topnienia przyspieszy relaksację naprężeń, zachęcając do wzmocnienia nieorientacji.
(2) W przypadku braku zmiany ciśnienia wtryskarki, ciśnienie w gnieździe formy wzrośnie, a silny efekt ścinania prowadzi do wzrostu naprężeń orientacyjnych.
(3) Wydłużenie czasu utrzymywania przed zamknięciem dyszy prowadzi do wzrostu naprężeń orientacyjnych.
(4) Zwiększenie ciśnienia wtrysku lub ciśnienia utrzymywania zwiększy naprężenie orientacyjne.
(5) Wysoka temperatura formy może zapewnić powolne chłodzenie produktu i odgrywa rolę w dezorientacji.
(6) Zwiększenie grubości produktu w celu zmniejszenia naprężenia orientacyjnego, ponieważ grubościenne produkty chłodzą się powoli, lepkość wzrasta, a proces relaksacji naprężeń trwa długo, więc naprężenie orientacyjne jest niewielkie.
Wpływ na stres temperaturowy
(1) Jak wspomniano powyżej, ze względu na duży gradient temperatury między stopionym tworzywem a ścianką podczas wypełniania formy wtryskowej zewnętrzna warstwa tworzywa, która zestala się jako pierwsza, musi przeciwdziałać skurczowi wewnętrznej cienkiej warstwy powierzchniowej zestalającej się później. Powoduje to naprężenie ściskające (naprężenie skurczowe) w warstwie zewnętrznej i naprężenie rozciągające (naprężenie orientacyjne) w warstwie wewnętrznej.
(2) Jeśli forma jest wypełniona i przez długi czas pozostaje pod działaniem ciśnienia docisku, stopione tworzywo polimerowe jest doprowadzane do gniazda formy, przez co wzrasta w nim ciśnienie wtrysku, a ciśnienie to zmienia naprężenia wewnętrzne wskutek nierównomiernej temperatury.
Jednak w przypadku krótkiego czasu utrzymywania i niskiego ciśnienia w komorze, produkt nadal będzie utrzymywał pierwotny stan naprężenia podczas chłodzenia.
(3) Jeżeli na początku chłodzenia produktu ciśnienie w gnieździe formy jest niewystarczające, wskutek skurczu podczas krzepnięcia w warstwie zewnętrznej powstanie zapadnięcie. Jeżeli ciśnienie w gnieździe formy wtryskowej jest zbyt niskie na późniejszym etapie, gdy utworzyła się już zimna, twarda warstwa, skurcz spowoduje rozwarstwienie warstwy wewnętrznej lub powstanie pustek.
(4) Jeśli ciśnienie we wnęce jest utrzymywane przed zamknięciem bramy, korzystne jest poprawienie gęstości produktu i wyeliminowanie naprężeń temperatury chłodzenia, ale w pobliżu bramy zostanie wygenerowana duża koncentracja naprężeń.
(5) Wydaje się więc, że im większe ciśnienie w formie, tym dłuższy czas utrzymywania, co pomaga zmniejszyć naprężenie skurczowe generowane przez temperaturę i odwrotnie, zwiększy naprężenie ściskające.
Związek między stresem wewnętrznym a jakością produktu
(1) Istnienie naprężeń wewnętrznych w produkcie będzie miało poważny wpływ na właściwości mechaniczne i wydajność produktu; ze względu na istnienie i nierównomierny rozkład naprężeń wewnętrznych, w procesie użytkowania produktu pojawią się pęknięcia.
W temperaturze zeszklenia poniżej użytkowania często występują nieregularne odkształcenia lub wypaczenia, ale także powodują, że powierzchnia produktu jest “biała”, mętna, pogarszają się właściwości optyczne.
(2) Spróbuj obniżyć temperaturę na bramie i wydłużyć czas powolnego chłodzenia, co sprzyja poprawie nierównomierności naprężeń szczątkowych produktu, dzięki czemu właściwości mechaniczne produktu są jednolite.
(3) Bez względu na to, czy chodzi o polimer krystaliczny czy niekrystaliczny, wytrzymałość na rozciąganie wykazuje charakterystykę anizotropową.
W przypadku polimerów amorficznych wytrzymałość na rozciąganie zależy od położenia punktu wtrysku. Gdy jest on ustawiony zgodnie z kierunkiem wypełniania formy, wytrzymałość maleje wraz ze wzrostem temperatury stopionego tworzywa; gdy znajduje się prostopadle do kierunku wypełniania formy wtryskowej, wytrzymałość rośnie wraz ze wzrostem tej temperatury.
(4) Wzrost temperatury stopu prowadzi do wzmocnienia efektu reorientacji, podczas gdy osłabienie efektu orientacji zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie.
Orientacja bramki wpływa na orientację poprzez wpływ na kierunek przepływu materiału, a ponieważ anizotropia polimerów niekrystalicznych jest silniejsza niż polimerów krystalicznych, wytrzymałość na rozciąganie w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu jest większa dla tych pierwszych niż dla tych drugich.
Niskotemperaturowe formowanie wtryskowe powoduje większą anizotropię mechaniczną niż wtrysk w wysokiej temperaturze. Na przykład stosunek wytrzymałości w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu wynosi 1,7 przy wysokiej temperaturze wtrysku i 2 przy niskiej.
(5) Wydaje się zatem, że wzrost temperatury topnienia prowadzi do spadku wytrzymałości na rozciąganie zarówno w przypadku polimerów krystalicznych, jak i niekrystalicznych, ale mechanizm jest inny; ten pierwszy wynika z efektu redukcji poprzez orientację.
Potrzebujesz wyceny projektu formowania wtryskowego?Uzyskaj konkurencyjną wycenę, informacje zwrotne DFM i harmonogram produkcji od zespołu inżynierskiego ZetarMold.
Poproś o bezpłatną wycenę → Pełny przegląd znajdziesz w naszym Kompletnym przewodniku po formowaniu wtryskowym.
