Дефекты коробления пластиковых деталей: механизмы, последствия и основные причины

При проектировании пластиковых деталей мы неизбежно сталкиваемся с дефектами коробления.

Итак, как решить проблему коробления?

Во-первых, мы должны понять механизм коробления, то есть, почему пластиковые детали деформируются.

Основываясь на этом понимании, мы можем систематически, структурно и логически решать проблему с четырех аспектов: пластмассовые материалы, конструкция пластиковых деталей, конструкция пресс-формы и процессы формования.

Конечно, в случае коробления пластиковых деталей профилактика важнее, чем исправление. Мы должны оптимизировать четыре вышеупомянутых аспекта, прежде чем деформация действительно произойдет. Ожидание разрешения деформации приведет к серьезным осложнениям.

Последствия деформации

• Общая деформация : вызывает неоднородность внешнего вида и разницу в шагах, что влияет на эстетику продукта. Потребители могут воспринять товар как некачественный и отказаться от покупки.

• Сильная деформация : ухудшает сборку продукта и даже влияет на функциональность, производительность и надежность продукта.

▲ Деформация передней головки бака в стиральных машинах барабанного типа вызывает чрезмерную герметичность между уплотнительным кольцом и внутренним баком из нержавеющей стали, что приводит к износу и серьезным проблемам с надежностью.

3. Основная причина деформации — неравномерная усадка.

3.1 Почему неравномерная усадка является основной причиной коробления?

Основная причина коробления пластиковых деталей кроется в неравномерной усадке пластика.

▲ Моделирование неравномерной усадки в программном обеспечении CAE.

Если пластиковая деталь при литье под давлением сжимается равномерно во всех направлениях, ее размеры уменьшатся пропорционально, сохраняя при этом правильную форму — коробления не происходит.

Однако если усадка в каком-либо направлении отличается от других, возникает внутреннее напряжение. Когда это внутреннее напряжение превышает собственную прочность пластиковой детали, деталь деформируется после извлечения.

3.2 Что такое усадка?

Прежде чем исследовать неравномерную усадку, нам необходимо понять усадку пластикового материала.

Для этого мы анализируем молекулярную структуру пластических материалов и изменения, которые они претерпевают при плавлении и охлаждении.

Для большинства пластиковых материалов характеристики плавления и охлаждения зависят от типа материала и от того, добавлены ли наполнители или стекловолокна.

1. Аморфные пластики

Аморфные пластики — это пластики, в которых молекулы расположены хаотично, а не в кристаллической структуре.

К распространенным аморфным пластикам относятся АБС, ПК, ПММА и ППО. Их молекулы остаются хаотично расположенными как в расплавленном, так и в твердом состояниях.

Когда аморфный пластик плавится, силы между молекулами ослабевают, позволяя молекулам двигаться. Кроме того, силы сдвига (аналогичные трению) во время наполнения растягивают молекулы, выравнивая их по направлению течения расплава.

Когда течение расплава прекращается, молекулы расслабляются и возвращаются в исходное случайное состояние. Межмолекулярные силы сближают молекулы до тех пор, пока температура не упадет достаточно для затвердевания.

Эти силы вызывают равномерную усадку, но эффект релаксации приводит к большей усадке вдоль направления течения расплава.

2. Полукристаллические пластики.

Полукристаллические пластики — это пластики, в которых некоторые молекулы образуют регулярную кристаллическую структуру в твердом состоянии — эта кристаллическая часть имеет более высокую плотность и более плотную упаковку. Обычные полукристаллические пластики включают ПБТ, ПА, ПОМ, ППС и ПЭЭК.

Когда полукристаллические пластики плавятся, кристаллические части разрыхляются, и молекулы выравниваются по направлению течения расплава — аналогично аморфным пластикам. Однако при охлаждении эти молекулы не релаксируют.

Вместо этого они сохраняют соответствие направлению течения расплава и начинают кристаллизоваться, что значительно увеличивает скорость усадки. Эффект релаксации вызывает гораздо большую усадку вдоль направления течения расплава, чем в перпендикулярном направлении.

Полукристаллические пластики имеют более высокую общую скорость усадки и демонстрируют различное поведение усадки параллельно и перпендикулярно направлению течения расплава, что усложняет проблему. Эта сложность еще больше усугубляется изменениями кристалличности, вызванными корректировкой параметров процесса литья под давлением. Медленное охлаждение пластика увеличивает как кристалличность, так и скорость усадки.

3. Пластики, армированные стекловолокном.

Стеклянные волокна часто добавляют в пластмассы для повышения механической прочности или других свойств. При включении они могут противодействовать усадке, вызванной упомянутой ранее молекулярной ориентацией.

Стеклянные волокна не расширяются и не сжимаются при изменении температуры. Поэтому они существенно уменьшают пластическую усадку вдоль направления течения расплава.

▲ Степень усадки ненаполненного ПП

3.3. Почему происходит неравномерная усадка?

Неравномерная усадка в первую очередь вызвана пятью факторами:

1. Влияние молекулярной ориентации во время наполнения

В начале наполнения давление сдвига ориентирует молекулы пластика. Когда заполнение прекращается, расплавленный пластик остается при высокой температуре, сила сдвига рассеивается и ориентация расслабляется (ориентация сохраняется только в том случае, если сдвиг и затвердевание происходят одновременно).

Для аморфных пластиков релаксация ориентации приводит к большей усадке параллельно направлению течения расплава.

Для пластиков, армированных стекловолокном, усадка больше перпендикулярна направлению течения расплава. Это связано с тем, что кристаллическая часть молекул ориентируется по направлению течения расплава, и кристаллизация происходит перпендикулярно этому направлению.

▲ Молекулярная ориентация ненаполненных и армированных пластиков

2. Ограничения конструкции пресс-формы

Когда пластиковая деталь находится в форме, структура формы ограничивает усадку в плоском направлении, но допускает ее в направлении толщины.

Это имеет два эффекта: во-первых, усадка больше в направлении толщины; во-вторых, остаточные внутренние напряжения накапливаются в плоском направлении.

После извлечения, без ограничений формы, деталь продолжает охлаждаться, а снятие напряжения вызывает коробление.

Более высокие температуры пресс-формы и более медленные скорости охлаждения приводят к большему снятию напряжений.

Влияние ограничений конструкции пресс-формы зависит от пластикового материала: материалы с медленным снятием напряжения демонстрируют большую линейную усадку, тогда как материалы с быстрым снятием напряжения демонстрируют меньшую линейную усадку.