I materiali termoplastici rinforzati con fibre lunghe (LFRT) vengono utilizzati per applicazioni di stampaggio a iniezione ad alte prestazioni. Sebbene la tecnologia LFRT offra buone proprietà di resistenza, rigidità e impatto, la lavorazione di questo materiale gioca un ruolo importante nel determinare quali prestazioni può raggiungere la parte finale.
Per poter modellare con successo LFRT, è necessario comprendere alcune delle loro caratteristiche uniche. Comprendere le differenze tra LFRT e convenzionali materiali termoplastici rinforzati ha guidato lo sviluppo di apparecchiature, tecnologie di progettazione e di elaborazione per massimizzare il valore e il potenziale di LFRT.
La differenza tra LFRT e i tradizionali compositi corti rinforzati con fibre di vetro si trova nella lunghezza della fibra. In LFRT, la lunghezza della fibra è uguale alla lunghezza del pellet. Questo perché la maggior parte degli LFRT sono prodotti dalla pultrusione piuttosto che dalla semplice composizione. Nella fabbricazione di LFRT, un traino continuo di stoppino in fibra di vetro viene prima aspirato in uno stampo da rivestire e impregnato di resina. Dopo essere uscito dallo stampo, la striscia continua di rinforzo in plastica viene triturata o appallottolata, di solito tagliata a una lunghezza di 10 ~ 12 mm. Al contrario, i compositi convenzionali in fibra di vetro corte contengono solo fili tagliati da 3 a 4 mm di lunghezza, che sono ulteriormente ridotti di lunghezza a meno di 2 mm negli estrusori a taglio.
LFRT viene solitamente preparato mediante un processo di pultrusione, impregnando i fasci di fibre di vetro continue con la resina e quindi tagliandoli in pellet lunghi. Lunghezza della fibra di vetro uguale alla lunghezza del pellet.
La lunghezza della fibra nei pellet LFRT aiuta a migliorare le proprietà meccaniche di LFRT - maggiore resistenza all'impatto o tenacità mantenendo la rigidità. Finché le fibre mantengono la loro lunghezza durante il processo di formazione, formano uno "scheletro interno" che fornisce proprietà meccaniche eccellenti. Tuttavia, uno scarso processo di stampaggio può trasformare prodotti a fibra lunga in materiali a fibra corta. Se la lunghezza della fibra viene compromessa durante il processo di formatura, non è possibile ottenere il livello di prestazioni richiesto.
Figura prima e dopo la decomposizione termica delle parti stampate ad iniezione. Il colore chiaro è lo scheletro interno formato dalle fibre lunghe dopo che la resina si brucia e lo scheletro mantiene la forma della parte. Per mantenere la lunghezza della fibra durante lo stampaggio LFRT, ci sono tre aspetti importanti da considerare: macchina per lo stampaggio a iniezione, progettazione di parti e stampi e condizioni di lavorazione.
01 Precauzioni per le attrezzature
Una domanda frequente sull'elaborazione della LFRT è se sia possibile per noi modellare questi materiali usando l'attrezzatura esistente per lo stampaggio a iniezione. Nella stragrande maggioranza dei casi, le attrezzature per la formazione di compositi in fibra di base possono anche essere utilizzate per modellare le LFRT. Mentre le tipiche attrezzature per lo stampaggio di fibre in fiocco sono soddisfacenti per la maggior parte delle parti e dei prodotti LFRT, alcune modifiche all'apparecchiatura potrebbero essere migliori per aiutare a mantenere la lunghezza della fibra.
Una vite universale con una tipica sezione "dosaggio-compressione-dosaggio" è ideale per questo processo e la cesoia distruttiva delle fibre può essere ridotta riducendo il rapporto di compressione della sezione di dosaggio. Il rapporto di compressione della sezione di misurazione di circa 2: 1 è il migliore per i prodotti LFRT. La produzione di viti, barili e altri componenti da leghe metalliche speciali non è necessaria perché l'usura del LFRT non è grande come i termoplastici convenzionali rinforzati con fibre di vetro tagliate.
Un altro pezzo di equipaggiamento che può beneficiare della revisione del design è la punta dell'ugello. Alcuni materiali termoplastici sono più facili da inclinare con un ugello conico rovesciato che crea un elevato grado di taglio quando il materiale viene iniettato nella cavità dello stampo. Tuttavia, questa punta dell'ugello può ridurre significativamente la lunghezza della fibra del composito a fibra lunga. Si consiglia quindi di utilizzare un gruppo punta / valvola con ugello scanalato 100% "a flusso libero" che consenta un facile accesso delle fibre lunghe attraverso l'ugello. Inoltre, il diametro dei fori dell'ugello e del gate dovrebbe essere di 5,5 mm (0,250 pollici) o superiore in dimensioni sciolte e non avere bordi taglienti. È importante capire in che modo il materiale fluisce attraverso l'apparecchiatura di stampaggio a iniezione e dove si determina che la cesoia spezzerà la fibra.
02 Progettazione di parti e stampi
La buona parte e il design dello stampo aiutano anche a mantenere la lunghezza della fibra del LFRT. Eliminando gli spigoli vivi attorno a una parte del bordo, tra cui nervature, sporgenze e altre caratteristiche, si evitano sollecitazioni non necessarie nella parte stampata e si riduce l'usura delle fibre. Le parti devono essere progettate a parete nominale con spessore uniforme della parete. I maggiori cambiamenti nello spessore delle pareti comportano un riempimento non uniforme e un orientamento indesiderato delle fibre nella parte. Laddove è necessario uno spessore maggiore o minore, è necessario evitare bruschi cambiamenti dello spessore delle pareti per evitare la formazione di aree ad alto taglio che possono danneggiare le fibre e diventare una fonte di concentrazione di stress. Di solito prova ad aprire il cancello nella parete più spessa, e fluire verso la parte sottile, la parte di riempimento è mantenuta nella parte sottile. Le comuni linee guida sulla progettazione plastica suggeriscono che mantenere uno spessore della parete inferiore a 4 mm (0,160 in) promuoverà un flusso buono e uniforme e ridurrà la possibilità di depressioni e vuoti. Per i complessi LFRT, lo spessore ottimale della parete è in genere di circa 3 mm (0,120 pollici) e lo spessore minimo è 2 mm (0,080 pollici). Quando lo spessore della parete è inferiore a 2 mm, aumenta la probabilità di rottura della fibra del materiale dopo l'entrata nello stampo.
Le parti sono solo un aspetto del design ed è anche importante considerare come il materiale entra nello stampo. Quando i corridori e le porte portano il materiale nella cavità, in queste aree si può verificare una significativa quantità di guasto della fibra senza una progettazione adeguata.
Quando si progetta uno stampo che viene utilizzato per modellare i composti LFRT, un raccordo pieno è il migliore, con un diametro minimo di 5,5 mm (0,250 pollici). Oltre al runner a tutto tondo, qualsiasi altra forma di runner avrà angoli acuti, aumenteranno lo stress durante il processo di stampaggio per indebolire il rinforzo in fibra di vetro. I sistemi a canali caldi con guide aperte sono accettabili. Lo spessore minimo del cancello dovrebbe essere 2 mm (0,080 pollici). Se possibile, posizionare il cancello lungo un bordo che non ostruisca il flusso di materiale nella cavità. Il canale di colata sulla superficie del pezzo richiede una rotazione di 90 ° per impedire la rottura della fibra e ridurre le proprietà meccaniche. Infine, prestare attenzione alla posizione delle linee di saldatura e al modo in cui influiscono sull'area sottoposta a carico (o sollecitazione) quando viene utilizzata la parte. La linea di fusione dovrebbe essere spostata nell'area in cui si prevede che il livello di stress sia inferiore da un layout ragionevole del gate.
L'analisi di riempimento del computer può aiutare a determinare dove verranno collocati questi collegamenti fusibili. L'analisi degli elementi finiti strutturali (FEA) può essere utilizzata per confrontare la posizione di alta sollecitazione con la posizione della linea di confluenza determinata durante l'analisi di riempimento. Va notato che questi componenti e design di stampo sono solo suggerimenti. Ci sono molti esempi di componenti che hanno pareti sottili, spessori delle pareti variabili e caratteristiche delicate o fini che raggiungono buone prestazioni con i compositi LFRT. Tuttavia, più lontano da queste proposte, più tempo e sforzi sono dedicati a garantire tutti i vantaggi della tecnologia a fibra lunga.
03 Progettazione dell'elaborazione
Le condizioni di lavorazione sono la chiave del successo di LFRT. Finché vengono utilizzate le condizioni di lavorazione corrette, è possibile utilizzare macchine per stampaggio a iniezione convenzionali e stampi adeguatamente preparati per i componenti LFRT preparati. In altre parole, anche con la corretta attrezzatura e il design dello stampo, la lunghezza della fibra può risentirne se si utilizzano condizioni di lavorazione scadenti. Ciò richiede la comprensione delle condizioni che la fibra incontrerà durante il processo di formazione e l'identificazione dell'area che causerà un'eccessiva cimatura della fibra.
In primo luogo, monitorare la contropressione. L'elevata contropressione introduce notevoli forze di taglio sul materiale, riducendo la lunghezza della fibra. Considerando che partendo da una contropressione zero e aumentandolo solo per consentire alla vite di ritrarsi in modo uniforme durante l'alimentazione, una pressione di ritorno di 1,5-2,5 bar (20-50 psi) è solitamente sufficiente per ottenere un'alimentazione costante.
L'alta velocità della vite ha anche effetti negativi. Più veloce ruota la vite, più è probabile che il materiale solido e non fuso entri nella sezione di compressione della vite causando danni alle fibre. Analogamente alle raccomandazioni per la contropressione, cercare di mantenere la velocità di rotazione al livello più basso richiesto per riempire stabilmente la vite. Nella formazione di complessi LFRT, sono comuni velocità delle viti di 30-70 giri / min.
Durante lo stampaggio a iniezione, la fusione avviene attraverso due fattori interagenti: taglio e calore. Poiché l'obiettivo è proteggere la lunghezza della fibra in LFRT riducendo il taglio, sarà necessario più calore. A seconda del sistema di resina, la temperatura alla quale il composito LFRT viene lavorato è in genere da 10 a 30 ° C superiore rispetto ai composti di stampaggio convenzionali.
Tuttavia, prima di aumentare semplicemente la temperatura del cilindro completamente, prestare attenzione all'inversione della distribuzione della temperatura del cilindro. Tipicamente, la temperatura della canna aumenta mentre il materiale si sposta dalla tramoggia all'ugello, ma per LFRT si consiglia di avere una temperatura più alta nella tramoggia. La distribuzione della temperatura invertita ammorbidisce e scioglie i pellet LFRT prima di entrare nella sezione di compressione delle viti a taglio alto, facilitando così la ritenzione della lunghezza delle fibre.
La nota finale sull'elaborazione comporta l'uso di materiale di back-up. La molatura di una parte o di un ugello stampata di solito determina una lunghezza della fibra inferiore, pertanto l'aggiunta di materiale di supporto può influire sulla lunghezza complessiva della fibra. Al fine di non ridurre significativamente le proprietà meccaniche, si consiglia di restituire la quantità massima di materiale è del 5%. Una maggiore quantità di materiale riciclato avrà un impatto negativo sulle proprietà meccaniche come la resistenza all'impatto.
