Виновник усадки и деформации

Остаточное напряжение - это вызванное процессом напряжение, застывшее в формованной детали. Оно может быть вызвано потоком или термическим воздействием. Остаточные напряжения воздействуют на деталь аналогично внешним напряжениям. Если они достаточно сильны для того, чтобы нарушить структурную целостность детали, деталь деформируется при извлечении или позже растрескается при приложении внешней эксплуатационной нагрузки. Остаточные напряжения являются основной причиной усадки и коробления детали. Условия процесса и элементы конструкции, снижающие напряжение сдвига при заполнении полости, помогут уменьшить остаточные напряжения, вызванные потоком. Аналогичным образом, условия, способствующие достаточной упаковке и равномерному охлаждению пресс-формы, уменьшат остаточные напряжения, вызванные тепловым воздействием. Для материалов с волокнистым наполнителем технологические условия, способствующие равномерному изменению механических свойств, уменьшат остаточное напряжение, вызванное тепловым воздействием. Китайский поставщик пресс-форм

Индуцированное потоком остаточное напряжение

При температуре выше температуры расплава (т.е. в расплавленном состоянии) длинноцепочечные полимерные молекулы в ненапряженном состоянии стремятся к состоянию равновесия в виде беспорядочной спирали. В процессе переработки молекулы ориентируются в направлении потока, поскольку полимер подвергается сдвигу и удлинению. Если затвердевание происходит до того, как молекулы полимера полностью релаксируют до состояния равновесия, молекулярная ориентация фиксируется в пределах
формованной детали. Этот тип застывшего напряженного состояния часто называют остаточным напряжением, вызванным течением. Из-за растянутой молекулярной ориентации в направлении течения оно приводит к анизотропной, неоднородной усадке и механическим свойствам в направлениях, параллельных и перпендикулярных направлению течения.

Замороженная молекулярная ориентация

Из-за сочетания высокого напряжения сдвига и высокой скорости охлаждения вблизи стенок пресс-формы непосредственно под поверхностью детали застывает высокоориентированный слой. Это показано на рисунке 1. Последующее воздействие высокой температуры на деталь с высокими остаточными напряжениями течения (или застывшей ориентацией) может привести к снятию некоторых напряжений. Это обычно приводит к усадке и короблению детали. Благодаря теплоизолирующему эффекту застывших слоев расплав полимера в горячей сердцевине может расслабиться в большей степени, что приводит к образованию зоны с низкой молекулярной ориентацией. Китайский поставщик пресс-форм

РИСУНОК 1. Развитие остаточных напряжений течения из-за замороженной ориентации молекул на стадиях наполнения и упаковки.
(1) Зона высокого охлаждения, сдвига и ориентации (2) Зона низкого охлаждения, сдвига и ориентации

Снижение остаточного напряжения, вызванного потоком

Условия процесса, снижающие напряжение сдвига в расплаве, уменьшают уровень индуцированных потоком остаточных напряжений. Как правило, остаточные напряжения, вызванные течением, на порядок меньше остаточных напряжений, вызванных термическим воздействием. Китайский поставщик пресс-форм

• более высокая температура расплава
• повышенная температура стенок пресс-формы
• более длительное время заполнения (меньшая скорость расплава)
• пониженное давление упаковки
• более короткий путь потока.

 Остаточные напряжения, вызванные термическим воздействием

Термоиндуцированные остаточные напряжения возникают по следующим причинам:

• Материал сжимается по мере того, как температура снижается от настроек процесса до условий окружающей среды, достигаемых по завершении процесса.
• По мере затвердевания материала от стенок формы к центру элементы материала испытывают различные термомеханические воздействия (например, различные скорости охлаждения и давления упаковки).
• Изменение давления, температуры, ориентации молекул и волокон приводит к изменению плотности и механических свойств.
• Определенные ограничения пресс-формы не позволяют формованной детали сокращаться в плоскостных направлениях.

Пример свободного закаливания

Усадку материала при литье под давлением удобно продемонстрировать на примере свободной закалки, при которой деталь с одинаковой температурой внезапно оказывается зажатой холодными стенками формы. На ранних стадиях охлаждения, когда внешние поверхностные слои остывают и начинают сжиматься, основная масса полимера в горячей сердцевине все еще расплавлена и может свободно сжиматься. Однако по мере охлаждения внутреннего ядра локальное термическое сжатие сдерживается уже жесткими внешними слоями. Это приводит к типичному распределению напряжений, при котором растяжение в сердцевине уравновешивается сжатием внешних слоев, как показано на рис. 2 ниже.

РИСУНОК 2. Развитие остаточных термических напряжений в "свободно закаливающейся" детали из-за колебаний охлаждения по всей форме детали и реакции материала на изменение температуры.