Выявить коробление – одна из самых простых задач литья под давлением, а вот понять, почему оно возникло – уже не так легко. Рассмотрим подробно причины его появления и методы его предотвращения.
На картинке показан скриншот из программы Autodesk Mouldflow, показывающий деформированную отливку.
Любой, даже самый рядовой потребитель, может заметить, что деталь, которая должна быть изначально плоской, искривлена или изогнута сразу после изготовления. Если производство данного изделия осуществляется методом литья пластмасс под давлением, то существует вероятность уменьшения, либо даже предотвращения этого непреднамеренного коробления.
Первый шаг – понять, почему изделие коробится. Это является сложной задачей, но существенно необходимой для дальнейшего устранения дефекта. Изучение концепции пластического коробления позволяет разработать методы его уменьшения, а сопутствующие технологии, как, например, программа для моделирования процесса литья под давлением Autodesk Moldflow, помогают определить корректность этих решений еще перед началом непосредственного изготовления пресс-формы.
Для обеспечения отлаженного процесса, используйте Autodesk Moldflow Adviser на самых ранних этапах разработки проекта.
Пластическая усадка в процессе литья
Усадка материала в процессе литья и уже после изготовления играет значительную роль на деформацию изделия. Прежде чем предпринимать какие-либо меры по устранению дефекта, необходимо понять, как и почему происходит усадка полимерного материала. Чтобы сделать это, следует начать с молекулярного уровня, детально изучив, что происходит с материалом в процессе плавления и охлаждения. По большей части особенности плавления и охлаждения зависят от типа полимера и от наличия каких-либо наполнителей и армирующего волокна.
- Аморфные материалы
Один из видов полимеров – аморфные, к ним относятся АБС, полистирол, поликарбонат и другие. Они имеют неупорядоченную молекулярную ориентацию в своем естественном состоянии, внешне похожую на тарелку со спагетти. В процессе плавления этих материалов связь между молекулами ослабляется, и они отдаляются друг от друга. Кроме того, в момент впрыска происходит сдвиг материала (похожий на трение), в результате которого отдельные молекулы могут раскручиваться и выравниваться в направлении потока. Когда поток останавливается, молекулы расслабляются и вновь возвращаются к неупорядоченной структуре. Межмолекулярные силы притягивают их друг к другу до момента охлаждения, когда они замирают на месте. Именно эти силы способствуют равномерной усадке, но эффект релаксации вызывает большую усадку в направлении потока.
- Полукристаллические материалы
В отличии от аморфных полимеров, полукристаллические имеют области высокоупорядоченных, тесно связанных молекулярных структур. При плавлении кристаллическая структура ослабляется и молекулы выравниваются в направлении течения потока, так же, как и у аморфных материалов. Но при охлаждении они не релаксируют, а сохраняют ориентацию в направлении течения и начинают рекристаллизоваться, что значительно увеличивает коэффициент усадки. В этом случае эффект проявляется гораздо сильнее в направлении перпендикулярном потоку.
- Армированные волокном материалы
Волокна часто добавляют в полимерные материалы для придания прочности и других свойств. Когда волокна вводятся в материал, они могут препятствовать усадке из-за молекулярной ориентации, описанной выше. Волокна не растягиваются и не сжимаются при изменении температуры, поэтому армированные волокном полимеры, как правило, будут испытывать меньшую усадку в направлении их ориентации.
На рисунке показана усадка образца из полипропилена без стекловолокна с двумя вариантами литников: с литником в торце изделия (слева) и с литником в центре изделия (справа). (Autodesk Moldflow)
На рисунке показана усадка образца из полипропилена со стекловолокном с двумя вариантами литников: с литником в торце изделия (слева) и с литником в центре изделия (справа). (Autodesk Moldflow)
Как изменяется усадка или основная причина коробления
Основная причина коробления обманчиво проста: неравномерность усадки. Проще говоря, если изделие дает усадку совершенно равномерно во всех направлениях, то оно становится меньше по размеру, но сохраняет правильную форму. В случае же, если какой-то элемент дает усадку, отличающуюся от всех остальных частей изделия, то вот эта разница в коэффициентах создает внутреннее напряжение. Если это напряжение нарушает структурную целостность детали, то она коробится при выталкивании из пресс-формы.
Изменение усадки отлитой под давлением детали, смоделированное в Autodesk Moldflow.
В целом различают 4 варианта усадки:
- По областям
В этом случае степень усадки изменяется на участках между частями изделия ближайшими к литнику, и частями ближайшими к краям. Зачастую перепад наблюдается между более толстыми (область литника) и более тонкими участками отливки. Усадка на одном элементе детали существенно отличается от усадки на другом. - По толщине
При рассмотрении поперечного сечения отливки заметна разница усадки в верхней и нижней частях изделия. Это может привести к прогибу детали, так как одна ее сторона способна дать большую усадку, чем вторая, и, соответственно, она будет меньше. - По направлению
Из-за молекулярной ориентации и ориентации волокон может возникать разница в коэффициентах усадки как параллельно, так и перпендикулярно ориентации материала или направлению течения потока. Как упоминалось ранее, аморфные полимеры склонны давать усадку параллельно течению потока, а кристаллические – перпендикулярно. - В плоскости поверхности и по толщине
Полимеры имеют тенденцию давать большую усадку по толщине, чем в плоскости поверхности. Это обусловлено ограничением пространства внутри пресс-формы (или отсутствием ограничения по толщине изделия). Разница коэффициентов усадки по толщине и в плоскости поверхности также может служить причиной коробления, особенно это заметно в уголках отливки, где толщина стенки толще.
Почему возникает разница в коэффициентах усадки
Очевидно, что неравномерная усадка вызывает коробление, поэтому важно понимать, что становится причиной возникновения разницы коэффициентов. Рассмотрим пять наиболее распространенных причин:
- Скорость охлаждения
При работе с полукристаллическими полимерами высокая скорость охлаждения означает меньшее количество времени на формирование кристаллической структуры. В результате уменьшается общая объемная усадка. То же самое наблюдается и у аморфных пластмасс, но так как в целом коэффициент усадки этих полимеров ниже, то и степень снижения усадки будет меньше.
Снимок экрана программы Autodesk Moldflow, где показана ориентация волокна: красный цвет – волокна направлены по течению протока, синий цвет – волокна направлены перпендикулярно потоку. - Ориентация по заполнению
Изначально ориентация длинных вязких полимерных молекул обусловлена сдвиговым напряжением в процессе течения. Если полимер все еще имеется высокую температуру, а напряжение спало, ориентация ослабляется. (Ориентация блокируется только тогда, когда сдвиг и охлаждение происходят одновременно). После ослабления мы можем наблюдать, что у аморфных материалов в целом усадка происходит параллельно потоку, в то время как молекулы кристаллических материалов выравниваются по направлению течения, а значит в конечном итоге перпендикулярны потоку, что приводит к большей усадке.
Неравномерная усадка
- Ограничение полостью пресс-формы
Пока отливка находится внутри пресс-формы, она не может давать усадку в плоскости поверхности, но может сжиматься по толщине. В результате: 1 - усадка по толщине больше, 2 – полимер накапливает напряжение в плоскости поверхности. После впрыска это напряжение может ослабляться, так как отливка продолжает остывать, что также вызывает коробление. Чем выше температура пресс-формы, тем меньше скорость охлаждения, и тем большее напряжение высвобождается при извлечении из формы. Кроме того, плохо растекающиеся материалы (и медленно релаксирующие) имеют большую линейную усадку, по сравнению с быстро релаксирующими.
Неравномерное охлаждение
- Разница температур по толщине
Когда температура пресс-формы с одной стороны отличается от температуры с другой, усадка происходит неравномерно. Одна сторона в плоскости дает усадку больше, чем другая, а значит и размер одной стороны меньше, чем другой, в результате чего имеется прогиб и как следствие коробление. - Разница толщин и неравномерное заполнение
В случаях, когда толщина изделия разнится, более толстые участки отливки охлаждаются дольше, что может привести к увеличению усадки. Подобный эффект возникает и с участками изделия, отдаленными от литника. Если впрыск не многоступенчатый, то области рядом с литником имеют большую плотность, чем удаленные, а соответственно и скорость их охлаждения отличается по мере удаления от литника, что также служит причиной неравномерной усадки.
Преимущества предварительного моделирования
Устранение коробления – очень сложная задача, учитывая количество факторов, провоцирующих ее появление, и тот факт, что они могут влиять друг на друга. Программы, позволяющие моделировать процесс литья, позволяют на ранних стадиях определить возможные проблемы и устранить их уже на этапе разработки дизайна.
Используйте Autodesk Moldflow для проведения анализа охлаждения при литье под давлением с газом и многослойного литья с двумя впрысками.
Использование инструментов моделирования, таких как Autodesk Moldflow, позволяет инженерам производить анализ для визуализации ожидаемой усадки и деформации с учетом материала детали, конструкции и предполагаемых условий обработки. С помощью программ визуализации можно задавать и закреплять различные масштабы, что упрощает процесс сравнения возможных вариантов.
Моделирование различных вариантов настроек параметров литья и их влияния на коробление. (Autodesk Moldflow)
Итерирование (повторение) дизайна посредством ручных или автоматических технологических процессов позволяет инженерам изменять параметры и условия литья, либо непосредственно конструкцию изделия, для получения оптимального варианта продукта. Автоматический анализ оптимизации при помощи Moldflow отражает влияние всех факторов (дизайн, материал, настройки параметров) на коробление отливки.
Моделирование Moldflow также позволяет быстрее и проще рассмотреть широкий спектр потенциальных решений, таких как замена полимера или охлаждения пресс-формы, что более удобно, чем работа с короблением после изготовления детали.
Финальные выводы
Коробление трудно поддается диагностике, так как зачастую имеется целый ряд факторов его возникновения. В большинстве случаев эти факторы влияют друг на друга, поэтому сложно оценить степень воздействия каждого из них в отдельности. Понимание того, как и почему происходит пластическая деформация, дает инженерам возможность в процессе моделирования анализировать текущие данные и изменять их соответствующим образом, чтобы получить оптимальное решение.
