Winowajca problemów z kurczeniem się i wypaczaniem

Naprężenie szczątkowe to naprężenie wywołane procesem, zamrożone w formowane części z tworzyw sztucznych. Mogą być wywołane przepływem lub termicznie. Naprężenia szczątkowe wpływają na część podobnie jak naprężenia przyłożone zewnętrznie. Jeśli są one wystarczająco silne, aby pokonać integralność strukturalną części, część wypaczy się po wyrzuceniu lub później pęknie, gdy zostanie przyłożone zewnętrzne obciążenie robocze. Naprężenia szczątkowe są główną przyczyną kurczenia się i wypaczania części. Warunki procesu i elementy konstrukcyjne, które zmniejszają naprężenia ścinające podczas wypełniania wnęki, pomogą zmniejszyć naprężenia szczątkowe wywołane przepływem. Podobnie, te, które promują wystarczające upakowanie i jednorodność chłodzenie formy zmniejszy naprężenia szczątkowe wywołane termicznie. W przypadku materiałów wypełnionych włóknami, te warunki procesu, które promują jednolite właściwości mechaniczne, zmniejszą indukowane termicznie naprężenia szczątkowe. naprężenie szczątkowe.

Naprężenie szczątkowe wywołane przepływem

Nienaprężone, długołańcuchowe cząsteczki polimeru mają tendencję do dopasowywania się do losowego stanu równowagi w temperaturach wyższych niż temperatura topnienia (tj. w stanie stopionym). Podczas przetwarzania cząsteczki orientują się w kierunku przepływu, ponieważ polimer jest ścinany i wydłużany. Jeśli zestalenie nastąpi przed całkowitym rozluźnieniem cząsteczek polimeru do stanu równowagi, orientacja molekularna zostanie zablokowana w obrębie polimeru. formowana część z tworzywa sztucznego. Ten rodzaj zamrożonego stanu naprężenia jest często określany jako naprężenie szczątkowe wywołane przepływem. Ze względu na rozciągniętą orientację molekularną w kierunku przepływu, wprowadza on anizotropowy, niejednorodny skurcz i właściwości mechaniczne w kierunkach równoległych i prostopadłych do kierunku przepływu.

Zamrożona orientacja molekularna

Ze względu na połączenie wysokiego naprężenia ścinającego i wysokiej szybkości chłodzenia przylegającej do ściany formy, istnieje wysoce zorientowana warstwa zamrożona bezpośrednio pod powierzchnią części. Zostało to zilustrowane na rysunku 1. Późniejsza ekspozycja części z wysokimi naprężeniami szczątkowymi (lub zamrożoną orientacją) na wysoką temperaturę może pozwolić na rozładowanie niektórych naprężeń. Zazwyczaj skutkuje to skurczem i wypaczeniem części. Ze względu na efekt izolacji termicznej zamrożonych warstw, stopiony polimer w gorącym rdzeniu jest w stanie zrelaksować się w większym stopniu, co prowadzi do powstania strefy o niskiej orientacji molekularnej. Chiński dostawca form

RYSUNEK 1. Rozwój szczątkowych naprężeń przepływu spowodowanych zamrożoną orientacją molekularną podczas etapów napełniania i pakowania.
(1) Strefa wysokiego chłodzenia, ścinania i orientacji

(2) Strefa niskiego chłodzenia, ścinania i orientacji

Redukcja naprężeń szczątkowych wywołanych przepływem

Warunki procesu, które zmniejszają naprężenia ścinające w stopionym materiale, zmniejszają poziom naprężeń szczątkowych wywołanych przepływem. Ogólnie rzecz biorąc, naprężenia szczątkowe wywołane przepływem są o jeden rząd wielkości mniejsze niż naprężenia szczątkowe wywołane termicznie.

• wyższa temperatura topnienia
• wyższa temperatura ścianki formy
• dłuższy czas napełniania (niższa prędkość topnienia)
• zmniejszone ciśnienie pakowania
• krótsza ścieżka przepływu.

 Naprężenia szczątkowe indukowane termicznie

Naprężenia szczątkowe indukowane termicznie występują z następujących powodów:

• Materiał kurczy się, gdy temperatura spada z ustawień procesu do warunków otoczenia osiąganych po zakończeniu procesu.
• Elementy materiałowe doświadczają różnych historii termiczno-mechanicznych (np. różnych szybkości chłodzenia i ciśnień upakowania), gdy materiał zestala się od ściany formy do środka.
• Zmieniające się ciśnienie, temperatura oraz orientacja cząsteczek i włókien skutkują zmienną gęstością i właściwościami mechanicznymi.
• Pewne ograniczenia formy uniemożliwiają część formowana od kurczenia się w kierunkach planarnych.

Przykład hartowania swobodnego

Kurczenie się materiału podczas formowanie wtryskowe można wygodnie zademonstrować na przykładzie swobodnego hartowania, w którym część jednolitej temperatury jest nagle umieszczona w kanapce przez forma kanału zimnego ściany. Podczas wczesnych etapów chłodzenia, gdy zewnętrzne warstwy powierzchniowe stygną i zaczynają się kurczyć, większość polimeru w gorącym rdzeniu jest nadal stopiona i może się swobodnie kurczyć. Jednakże, gdy wewnętrzny rdzeń stygnie, lokalny skurcz termiczny jest ograniczany przez już sztywne warstwy zewnętrzne. Powoduje to typowy stan rozkładu naprężeń z naprężeniem w rdzeniu zrównoważonym przez ściskanie w warstwach zewnętrznych, jak pokazano na rysunku 2 poniżej.

Powstają zmienne naprężenia szczątkowe, a część odkształca się, gdy warstwy o różnej objętości właściwej dla zamrożenia oddziałują na siebie nawzajem.

Naprężenie szczątkowe wywołane procesem a naprężenie szczątkowe we wnęce

Dane dotyczące naprężeń szczątkowych wywołanych procesem są znacznie bardziej użyteczne niż dane z wnęki naprężenie szczątkowe dane dla odlewanie symulacja. Poniżej znajdują się definicje tych dwóch terminów wraz z przykładem ilustrującym różnicę między nimi.

Naprężenia szczątkowe wywołane procesem

Po wyrzuceniu części, ograniczenia z wnęka formy są uwalniane, a część może się kurczyć i odkształcać. Po osiągnięciu stanu równowagi, pozostałe naprężenia wewnątrz części nazywane są naprężeniami szczątkowymi wywołanymi procesem lub po prostu naprężeniami szczątkowymi. Naprężenie szczątkowe wywołane procesem może być wywołane przepływem lub termicznie, przy czym to drugie jest dominującym składnikiem.

Naprężenie szczątkowe we wnęce

Podczas gdy część jest nadal ograniczona w gnieździe formy, naprężenie wewnętrzne, które gromadzi się podczas krzepnięcia, jest określane jako naprężenie szczątkowe w gnieździe. To naprężenie szczątkowe w gnieździe jest siłą, która napędza skurcz i wypaczenie części po wyrzucie.

Przykład

Ten skurcz Rozkład opisany w Warpage z powodu skurczu różnicowego prowadzi do profilu naprężenia szczątkowego wywołanego termicznie dla wyrzucanej części, jak pokazano na lewym dolnym rysunku poniżej. Profil naprężenia na lewym górnym rysunku to naprężenie szczątkowe we wnęce, w którym część formowana pozostaje ograniczona w formie przed wyrzuceniem. Po wyrzuceniu części i uwolnieniu siły ograniczającej z formy, część kurczy się i wypacza, aby uwolnić wbudowane naprężenie szczątkowe (ogólnie naprężenie rozciągające, jak pokazano) i osiągnąć stan równowagi. Stan równowagi oznacza, że na część nie działa żadna siła zewnętrzna, a naprężenia rozciągające i ściskające w przekroju części powinny się równoważyć. Rysunki po prawej stronie odpowiadają przypadkowi z nierównomiernym chłodzeniem na całej grubości części, co powoduje asymetryczny rozkład naprężeń szczątkowych.

Profil naprężeń szczątkowych we wnęce (u góry) a profil naprężeń szczątkowych wywołanych procesem i kształt części po wyrzuceniu (u dołu).

Redukcja naprężeń szczątkowych wywołanych temperaturą

Warunki, które prowadzą do wystarczającego upakowania i bardziej jednolitej temperatury ścianek formy, zmniejszą naprężenia szczątkowe wywołane temperaturą. Obejmują one:
- Właściwe ciśnienie i czas pakowania
- Równomierne chłodzenie wszystkich powierzchni części
- Jednolita grubość przekroju ściany