Каждый знает о том, что линии спая — это слабые места любого изделия. И что менее известно, так это то, что происходит внутри этой линии на микроструктурном уровне. В данной статье мы будем пристально рассматривать эти неприятные секреты.
Изображение, использованное Джоном Боззелли на его обучающих семинарах, показывает результат быстрого впрыска с образованной линией спая, формирующейся вокруг квадратного отверстия. По его опыту между линиями течения материала может оставаться микроскопический воздушный зазор даже после того, как деталь полностью уплотнена. (Учебное пособие было разработано консультантом Гленном Биллом для освещения проблем проектирования и литья.)
Кто же знает, какое зло кроется в линиях спая? Тот, кто это знает - это эксперт по литью, тренер и технический гуру Джон Боззелли. Когда он работал в отделе исследований и разработок в Dow Chemical, он имел доступ к лаборатории электронной микроскопии. Он вспоминает один случай 1987 года с недолитой кнопкой для клавиатуры компьютера, сделанной из АБС-пластика. Линия спая, где сходились три потока пластика, была «едва видна для человеческого глаза, как маленькая царапина». Под просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ) линии течения АБС выглядели как серый «суп», приправленный более темными вкраплениями эластичной фазы; но между линиями потока изображение было чисто белым. «Никто не мог поверить, что между линиями потока ничего нет», — утверждает Боззелли. Это было открытием истинной природы линий спая.
В последнее время мы думали о линиях спая. Была опубликована статья из двух частей в журнале Plastics Technology о технологии литья пластиков, армированных длинными и короткими волокнами; в обеих частях отмечается, что армированные волокном пластики теряют большую часть своей прочности на линиях спая, потому что волокна имеют тенденцию выстраиваться бок о бок, нежели «пересекать» точку, где соединяются линии потока. Но эта проблема актуальна не только для армированного пластика.
Широко известно, что когда линии потока сходятся на одной точке на линии спая, полимерные цепи (например, армирующие волокна) имеют тенденцию не переплетаться. Как заявляет Боззелли, «линии спая слабые, потому что в данном случае нет полимерной цепи, перекрывающей линию спая». Но его фотография с ПЭМ показывает, что дело не только в том, что полимерные цепи соприкасаются друг с другом, не смешиваясь. В некоторых или, возможно, во многих местах линий спая полимерные цепи даже не соприкасаются!
Под микроскопом виден воздушный зазор между линиями течения полностью уплотненной детали из АБС. Полосы возникают из-за неполного смешения цветов. (Фото: Джон Боззелли)
Как же это выглядит в действительности? Боззелли отвечает:
«Насколько я помню, почти все ПЭМ, которые я использовал в своих исследованиях в Dow, показывали наличие воздушного зазора, независимо от того, был ли пластик достаточно уплотнен или нет, и на уплотненном ситуация была немного хуже. Я ушел из Dow Chemical и теперь могу рассматривать линии спая только под простой лупой. Иногда участки по обеим сторонам линии спая имеют блеск и вогнуты внутрь, или даже могут содержать пузырьки, которые вызваны попаданием воздуха. А еще линии часто не совпадают, что указывает на то, что линии потока были разделены воздушным зазором. Не важно, уплотнена ли деталь полностью или нет, я наблюдаю такую ситуацию примерно в 65% случаев. Теперь я просто предполагаю, что эта проблема есть, и делаю все, что в моих силах, чтобы устранить недостатки на линиях спая. Обычно организация вентиляционных отверстий рядом с линией спая помогает. Но как только вы установите вентиляционное отверстие на линии разъема рядом с линией спая, линия спая может сместиться, и тогда вам нужно будет установить другое вентиляционное отверстие. Использование вакуума помогает устранять проблемы, возникающие по линиям спая изделий.»
Что еще вы можете сделать с линиями спая, помимо перепроектирования пресс-формы или расположения точки впрыска и литника или регулировки подачи расплава при каскадном впрыске? Недавно я видел отчет по данной ситуации от Moldex3D, поставщика программного обеспечения для моделирования литья. В отчете было рассказано о методе перелива колодца (см. изображение), который представляет собой заполнение после формирования линии спая, так что заполнение колодца (гнезда) вызывает перетекание расплава через линию спая. При симуляции использования полиамида, армированного стекловолокном, было выявлено, что более высокие механические свойства стали результатом использования перелива. Предположение было подтверждено лабораторными испытаниями на реальных образцах.
Добавление перелива, представляющего собой заполнение после формирования линии спая, может помочь укрепить место соединения деталей, при прохождении потока через саму линию спая. Moldex3D смоделировал этот эффект на образце с двумя точками впрыска и подтвердил эффект во время реальных испытаний. (Изображение: Moldex3D)
Боззелли считает, что добавление переливного канала для повышения прочности линии спая не совсем обычно, но он видел, как это делалось несколько раз. Этот способ может помогать по двум причинам: часто линия спая захватывает воздух, а «сброс» действует как вентиляция, позволяющая воздуху выходить. В зависимости от размера перелива, вы получаете небольшое соединение потоков и это способствует увеличению прочности. Получается некое переплетение полимерных цепей. Это можно сравнить с тем, что линия спая, сравнимая с отверстием в детали, располагается далеко от конца заполнения. После этого пластик имеет возможность обтекать отверстие и сливаться с ним, заполнять деталь. Все это действительно может помочь увеличить прочность.
Если всего рассказанного недостаточно, чтобы внушить оправданный страх перед вредом, который могут нанести линии спая, если их разместить в критических местах детали, то Боззелли расскажет еще об одном «зле», которое скрывается в линиях спая. Достаточно взглянуть еще раз на фотографию кнопки из АБС, сделанную через ПЭМ. Во-первых, это воздушный зазор; но также обратите внимание на черную линию, разделяющую две линии течения материала. Этого там быть не должно и соответственно является проблемой.
Воздушные зазоры в линиях спая — это достаточно плохо, но полная история еще хуже…
Боззелли объясняет:
«Это огромная проблема в индустрии пластмасс, о которой мало кто знает. Многие поставщики пластмасс на самом деле ухудшают ситуацию, добавляя слишком много смазки, парафина или присадок, повышающих текучесть. Черная линия - это не АБС, а воск, масло или другая добавка, которая разделяет потоки. Смазочный материал имеет гораздо меньшую молекулярную массу и устремляется к линиям потока, потому что он гораздо легче проходит, образуя барьер, препятствующий слиянию потоков пластика. Неудивительно, что линии спая слабые. Получается, что это не соединение пластика с пластиком, а пластика с воском. Большинство пластиков содержат добавки с низкой молекулярной массой, которые могут разделяться на фазы. Подумайте, сколько людей в сфере литья пластмасс, имеют хоть какое-то представление об этой проблеме».
