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处理器’s Most Important Job, Part 8: Molded-In Stress

工艺调整如何控制模制应力。
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这是第十一部分的系列的第八部分,该系列着重于处理器的最重要的工作。要阅读本系列的其余部分,请单击以下链接: 

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在我们通过加工可以在很大程度上控制特性的评论中,列表中的下一项是零件的内部应力,也称为模内应力。应力来自两个主要影响因素:压力差异和聚合物在零件内的冷却速率差异。流动的熔融聚合物在系统中表现出压力损失,该损失与材料流过的距离和横截面积部分相关。

因此,随着材料从模具中流出,任何模制零件上都会有可测量的压力梯度。  浇口到型腔中的最后位置进行填充。压力的这种变化将导致材料收缩程度的变化。

冷却速度效应

冷却速率也影响材料的收缩。即使模具中的冷却线布局非常细致地完成(很少发生),但由于壁厚的考虑,仍不可避免地会产生不同的冷却速率。靠近模具表面的材料的冷却速度将比零件型芯中的材料快。零件的壁厚越大,问题就越严重。

当模塑商无法解决根本原因而选择固定零件以防止其冷却时移动或改变加工条件以减少翘曲时,他们通常会承受更大的压力。

取向是与流过模具的材料的不同层的行为相关的另一个因素。聚合物链自然形成一个纠缠的网络,分子在其中缠绕。但是,当熔融聚合物流动时,流动材料的各层之间的剪切力差异会导致链条在流动方向上伸直并定向。这是引起聚合物中非牛顿行为的机理。

剪切速率在零件表面以下处达到最高,这也是冷却最快的层。这种快速冷却限制了聚合物链必须从取向状态松弛到卷曲状态的时间。因此,壁附近的材料在最终部分中将表现出较高程度的保留取向。当我们移至零件的中心时,该方向的水平将降低。不仅表面和纤芯之间的取向梯度是应力的来源,而且在纤维增强材料中,各向异性收缩是由取向纤维在冷却时对聚合物尺寸变化的限制所引起的。在横向于流动的方向上没有观察到这种限制,或者至少没有达到相同程度。

融化效果

因此,任何制造的零件都将包含一定水平的内部应力,该内部应力是由于熔融加工而自然产生的。在许多情况下,这些应力将显示为翘曲。翘曲是零件内部收缩幅度的自然结果,无论是由于体积方面的考虑还是由于方向性的影响,翘曲都会发生变化。但是,即使零件中翘曲不明显,应力仍然存在。通常他们不露面 直到零件进入现场并经历了诸如高温,与某种化学物质接触或撞击事件之类的环境条件。压力水平升高将导致对这些应用程序影响的响应不佳。

翘曲是缓解压力的机制之一。当模塑商无法解决根本原因而选择固定零件以防止其冷却时移动或改变加工条件以减少翘曲时,他们通常会承受更大的压力。大多数加工商都知道降低模具温度是减少翘曲的一种非常有效的方法。我们在谈论半结晶聚合物时讨论了这种改进的暂时性。但是那些不会结晶的材料呢?

无定形聚合物(例如聚碳酸酯,ABS, 和聚砜对较低的模具温度带来更快的冷却速度反应?

几年前在ABS上进行的一项研究提供了对该问题的一些见解。附图显示了这项研究的结果;评估模具和熔体温度对由特定等级的聚合物成型的试样的抗冲击性的影响。 ABS通常被认为是一种相当坚韧的材料,并且此类材料通常会产生落镖能量,断裂时的破裂能量为30-40纳米(22-30英尺磅),并表现出延性破坏模式。但是,请注意,当样品是在相对较低温度的模具中准备的 84°F (29°C)破坏试样所需的能量只有1.5纳米 (1.1英尺磅),该值与非常脆的材料相关。

在相当大的范围内改变熔体温度 425°F (218°C) to 525°F (274°C)没有明显改变这个结果。然而,当模具温度升高时,抗冲击性显着提高。模具温度设定为 185°F (85°C),将熔体温度设定在实验范围的上限时,抗冲击性提高到30纳米(22英尺-磅)。这种改进归因于 表面材料和芯材料之间的冷却速度,以及材料定向层厚度的减小。这两个因素都降低了零件中的模内应力水平,使其更有能力管理外部施加的应力。

当提供这些数据时,大多数加工者的自然反应是抗议如果模具温度升高,则循环时间会更长。但是,可以通过观察降低熔体温度时发生的情况来解决该反对意见。

较低的熔融温度

降低模具温度时,降低熔体温度对零件性能几乎没有影响,而当模具温度升高时,相同的调整可以进一步提高抗冲击性。在最低的熔融温度和最高的模具温度下,可获得最佳的结果,即48纳米(35英尺磅)的抗冲击性。通过降低熔体温度,可以控制增加的模具温度,而无需更改循环时间。

任何制造的零件都将包含一定水平的内部应力,该内部应力是由熔融加工自然产生的。

快速消除热量的最佳方法是不要首先引入热量。较低的熔体温度也降低了聚合物降解的风险。这种行为可以通过使用模制应力的另一种措施来验证,即抗应力开裂。当使用较高的610熔融温度模制一些透明的PC零件时°F (321°C)和较低的模具温度 75°F (24°C),观察到零件在暴露于橄榄油时会产生裂纹。实际上,如果在零件制造后经过足够的时间,即使在不暴露于橄榄油的情况下,在这些条件下成型的零件也会自发地产生裂纹。

当模具温度升至 221°F (105°C)并将熔体温度降至 530°F (277°C)消除了应力裂纹而没有延长循环时间。

零件表面也具有更好的外观,因为较高的模具温度会延迟表面材料的固化速度。这些都是轶事,在塑料世界中,每个人都有一个或两个好故事。但是,这对于科学来说是不可行的。

在我们的 下一篇 ,我们将详细说明这些改进背后的基本原理,并将其转化为可确保模塑零件具有最佳性能的工艺条件。

关于作者

麦可 塞普

麦可 Sepe is an independent, global materials and processing consultant whose company, 麦可 P. Sepe 有限责任公司位于亚利桑那州的塞多纳。他在塑料行业拥有40多年的经验,并协助客户选择材料, manufacturability, 流程优化,故障排除和故障分析。联络号码:928-203-0408• [email protected].

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