I materiali termoplastici rinforzati con fibre lunghe (LFRT) vengono utilizzati per applicazioni di stampaggio a iniezione con elevate proprietà meccaniche. Sebbene la tecnologia LFRT possa fornire buone proprietà di resistenza, rigidità e impatto, la lavorazione di questo materiale gioca un ruolo importante nel determinare come può essere eseguita la parte finale.
Per poter modellare correttamente LFRT, è necessario comprendere alcune delle loro caratteristiche uniche. Comprendere le differenze tra LFRT e i materiali termoplastici rinforzati convenzionalmente ha guidato lo sviluppo di apparecchiature, progettazione e tecnologie 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 delle fibre. 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 composizione di tipo shear.
Nella produzione di LFRT, i fili continui di roving in fibra di vetro vengono prima aspirati in uno stampo per il rivestimento e l'impregnazione della resina. Dopo l'uscita dallo stampo, le strisce continue vengono tagliate o pellettizzate, di solito tagliate a una lunghezza di 10-12 mm. Al contrario, i tradizionali compositi a fibra corta di vetro contengono solo fibre tritate lunghe da 3 a 4 mm e la loro lunghezza è ulteriormente ridotta a tipicamente meno di 2 mm negli estrusori di tipo a taglio.
La lunghezza della fibra nel pellet LFRT aiuta a migliorare le proprietà meccaniche del LFRT - maggiore resistenza all'impatto o tenacità mantenendo la rigidità. Finché le fibre vengono mantenute in lunghezza durante il processo di stampaggio, formeranno uno "scheletro interno" che fornisce proprietà meccaniche eccellenti. Tuttavia, un cattivo 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 stampaggio, non è possibile ottenere il livello richiesto di prestazioni.
Al fine di mantenere la lunghezza della fibra durante il processo di stampaggio LFRT, ci sono tre aspetti importanti da considerare: macchina per lo stampaggio a iniezione, progettazione di parti e stampi e condizioni di lavorazione.
Innanzitutto, precauzioni per le attrezzature
Una domanda che viene spesso posta sull'elaborazione della LFRT è se possiamo usare le attrezzature esistenti per lo stampaggio a iniezione per modellare questi materiali. Nella stragrande maggioranza dei casi, le attrezzature per la formazione di compositi in fibra di base possono anche essere utilizzate per formare LFRT. Sebbene le tipiche attrezzature di stampaggio a fibra corta siano soddisfacenti per la maggior parte delle parti e dei prodotti LFRT, alcune modifiche all'apparecchiatura possono aiutare a mantenere la lunghezza della fibra.
Una vite universale con una tipica sezione "dosaggio-compressione-dosaggio" è molto adatta per questo processo e la cesoiatura distruttiva delle fibre può essere ridotta riducendo il rapporto di compressione della sezione di dosaggio. Un rapporto di compressione del segmento di 2: 1 metro è ottimale per i prodotti LFRT. L'uso di speciali leghe metalliche per la produzione di viti, barili e altre parti non è necessario perché l'usura LFRT non è grande come i tradizionali materiali termoplastici rinforzati con fibre di vetro tagliate.
Un altro dispositivo che può beneficiare della revisione del design è la punta dell'ugello. Alcuni materiali termoplastici sono più facili da lavorare con una punta dell'ugello rastremata, che crea un elevato grado di taglio quando il materiale viene iniettato nella cavità dello stampo. Tuttavia, tali punte degli ugelli riducono significativamente la lunghezza della fibra dei materiali compositi a fibra lunga. Si consiglia pertanto di utilizzare un gruppo ugello / valvola con ugello scanalato con design "a flusso libero" al 100% che consenta alle fibre lunghe di passare facilmente attraverso l'ugello nel componente.
Inoltre, il diametro dell'ugello e il foro del gate dovrebbero avere una dimensione libera di 5,5 mm (0,250 pollici) o superiore e non vi è alcun bordo tagliente. È importante capire in che modo il materiale fluisce attraverso l'apparecchiatura di stampaggio a iniezione e determinare dove la cesoia romperà le fibre.
In secondo luogo, parti e design della muffa
Buone parti e design dello stampo sono anche utili per mantenere la lunghezza della fibra di LFRT. Eliminando gli spigoli vivi attorno a una porzione del bordo (tra cui nervature, sporgenze e altre caratteristiche) si evita lo stress non necessario nella parte stampata e si riduce l'usura delle fibre.
Le parti devono avere un design nominale della parete con uno spessore della parete uniforme. Cambiamenti più grandi nello spessore delle pareti possono comportare un imballaggio inconsistente e un orientamento indesiderato delle fibre nella parte. Dove lo spessore deve essere più spesso o più sottile, è necessario evitare improvvisi cambiamenti nello spessore delle pareti per evitare la formazione di zone ad alto taglio che possono danneggiare le fibre e diventare la fonte della concentrazione di stress. Di solito si tenta di aprire il cancello nella parete più spessa e fluire verso la parte sottile, mantenendo la parte di riempimento nella parte sottile.
Il principio generale del buon design della plastica suggerisce che mantenere uno spessore della parete inferiore a 4 mm (0,160 in) promuoverà un flusso buono e uniforme e ridurrà la possibilità di lavandini e vuoti. Per i composti LFRT, lo spessore ottimale della parete è solitamente di circa 3 mm (0,120 pollici) e lo spessore minimo è di 2 mm (0,080 pollici). Quando lo spessore della parete è inferiore a 2 mm, aumenta la probabilità che le fibre si rompano dopo essere entrate 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 guidano il materiale nella cavità, una grande quantità di danni alle fibre può verificarsi in queste aree se non correttamente progettata.
Quando si progetta uno stampo per la formazione di un composto LFRT, il canale a raggio intero è ottimale con un diametro minimo di 5,5 mm (0,250 in). Oltre al canale a tutto tondo, qualsiasi altra forma di canale di flusso avrà spigoli vivi, il che aumenterà lo stress durante il processo di formazione e distruggerà l'effetto di rinforzo della 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 cancello sulla superficie del pezzo dovrà essere ruotato di 90 ° per impedire l'innesco della rottura della fibra e degradare le proprietà meccaniche.
Infine, prestare attenzione alla posizione delle linee di fusione e al modo in cui influiscono sull'area in cui le parti sono soggette a carico (o sollecitazione) quando vengono utilizzate. La linea di fusione dovrebbe essere spostata in un'area in cui si prevede che il livello di stress sia inferiore da una disposizione razionale del gate.
L'analisi del riempimento del computer può aiutare a determinare dove queste linee di fusione saranno localizzate. L'analisi strutturale agli elementi finiti (FEA) può essere utilizzata per confrontare la posizione di stress elevato e la posizione della linea di confluenza come determinato nell'analisi di riempimento.
Va notato che queste parti e design di stampi sono solo raccomandazioni. Esistono molti esempi di componenti che hanno pareti sottili, variazioni di spessore delle pareti e caratteristiche fini o fini che utilizzano composti LFRT per ottenere buone prestazioni. Tuttavia, più lontano da queste raccomandazioni, maggiori sono i tempi e gli sforzi necessari per garantire che tutti i benefici della tecnologia a fibra lunga siano realizzati.
In terzo luogo, le condizioni di elaborazione
Le condizioni di lavorazione sono la chiave del successo di LFRT. Finché vengono utilizzate le condizioni di lavorazione corrette, è possibile utilizzare una macchina per lo stampaggio ad iniezione generica e uno stampo appositamente progettato per preparare i pezzi LFRT. In altre parole, anche con un'attrezzatura adeguata e il design dello stampo, la lunghezza della fibra potrebbe risentirne se si utilizzano condizioni di lavorazione scadenti. Ciò richiede la comprensione di ciò che la fibra incontrerà durante il processo di stampaggio e l'identificazione delle aree che causeranno un eccessivo taglio delle fibre.
In primo luogo, monitorare la contropressione. L'alta contropressione introduce una grande forza di taglio sul materiale che riduce la lunghezza della fibra. Considerando di iniziare da una contropressione pari a zero e di aumentarla solo fino a quando la vite viene ritratta in modo uniforme durante il processo di alimentazione, è generalmente sufficiente una contropressione compresa tra 1,5 e 2,5 bar (da 20 a 50 psi) per ottenere un'alimentazione coerente.
Anche l'alta velocità della vite ha un effetto negativo. Più veloce ruota la vite, più è probabile che il materiale solido e non fuso entri nella sezione di compressione della vite e causi danni alle fibre. Simile alle raccomandazioni per la contropressione, dovrebbe essere mantenuto il più velocemente possibile per stabilizzare il minimo richiesto per riempire la vite. Quando si stampano composti LFRT, sono comuni velocità delle viti da 30 a 70 giri / min.
Nel processo di stampaggio a iniezione, la fusione avviene attraverso due fattori che agiscono insieme: taglio e calore. Poiché l'obiettivo è proteggere la lunghezza della fibra nell'LFRT riducendo il taglio, sarà necessario più calore. Secondo il sistema di resina, la temperatura del composto LFRT lavorato è solitamente 10-30 ° C superiore a quella del composto stampato convenzionale.
Tuttavia, prima di alzare semplicemente la temperatura della canna per tutto il tempo, fare attenzione all'inversione della distribuzione della temperatura della canna. Normalmente, la temperatura della canna aumenta mentre il materiale si sposta dalla tramoggia all'ugello, ma per la LFRT si raccomanda che la temperatura sia maggiore nella tramoggia. L'inversione della distribuzione della temperatura consente alle pellet LFRT di ammorbidirsi e fondersi prima di entrare nella sezione di compressione delle viti di taglio elevate, facilitando così la ritenzione della lunghezza della fibra.
