Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) werden für Spritzgussanwendungen mit hohen mechanischen Eigenschaften verwendet. Obwohl die LFT-Technologie gute Festigkeits-, Steifigkeits- und Schlageigenschaften bietet, spielt die Verarbeitung dieses Materials eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, wie das endgültige Teil arbeiten kann.
Um LFRT erfolgreich zu gestalten, ist es notwendig, einige ihrer einzigartigen Merkmale zu verstehen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen LFT und konventionell verstärkten Thermoplasten hat die Entwicklung von Ausrüstung, Design und Verarbeitungstechnologien vorangetrieben, um den Wert und das Potenzial von LFT zu maximieren.
Der Unterschied zwischen LFRT und traditionellen gehackten, glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen liegt in der Länge der Fasern. In LFT ist die Länge der Faser die gleiche wie die Länge des Pellets. Dies liegt daran, dass die meisten LFTs eher durch Pultrusion als durch Scherung hergestellt werden.
Bei der LFRT-Herstellung werden kontinuierliche Stränge von Glasfaserrovings zuerst in eine Düse zum Beschichten und Imprägnieren des Harzes gezogen. Nach dem Austritt aus der Form werden die kontinuierlichen Streifen geschnitten oder pelletiert, üblicherweise auf eine Länge von 10-12 mm geschnitten. Im Gegensatz dazu enthalten herkömmliche Kurzglasfaserverbundwerkstoffe nur geschnittene Fasern, die 3 bis 4 mm lang sind, und ihre Länge ist weiter auf typischerweise weniger als 2 mm in Scherextrudern reduziert.
Die Faserlänge in den LFRT-Pellets hilft, die mechanischen Eigenschaften des LFT zu verbessern - erhöhte Schlagzähigkeit oder Zähigkeit unter Beibehaltung der Steifigkeit. Solange die Fasern während des Formprozesses in der Länge bleiben, bilden sie ein "inneres Skelett", das hervorragende mechanische Eigenschaften bietet. Ein schlechtes Formverfahren kann jedoch Langfaserprodukte in Kurzfasermaterialien verwandeln. Wenn die Länge der Faser während des Formprozesses beeinträchtigt wird, ist es nicht möglich, das erforderliche Leistungsniveau zu erhalten.
Um die Faserlänge während des LFRT-Formprozesses beizubehalten, müssen drei wichtige Aspekte berücksichtigt werden: Spritzgießmaschine, Teile- und Formentwurf und Verarbeitungsbedingungen.
Erstens, Vorkehrungen für die Ausrüstung
Eine Frage, die oft zur LFRT-Verarbeitung gestellt wird, ist, ob wir vorhandene Spritzgießanlagen zur Formgebung dieser Materialien verwenden können. In den allermeisten Fällen kann eine Ausrüstung zur Bildung von Stapelfaserverbundstoffen auch zur Bildung von LFTs verwendet werden. Obwohl eine typische Kurzfaserformausrüstung für die meisten LFRT-Teile und -Produkte zufriedenstellend ist, können einige Modifikationen an der Ausrüstung besser dazu beitragen, die Faserlänge beizubehalten.
Eine Universalschnecke mit einer typischen "Feed-Compression-Metering" -Sektion ist für diesen Prozess sehr geeignet, und eine faserschädigende Scherung kann durch Verringern des Kompressionsverhältnisses der Dosiersektion reduziert werden. Ein 2: 1-Meter-Segmentkompressionsverhältnis ist optimal für LFRT-Produkte. Die Verwendung von speziellen Metalllegierungen für die Herstellung von Schrauben, Fässern und anderen Teilen ist nicht erforderlich, da der LFT-Verschleiß nicht so groß ist wie bei herkömmlichen Glasfasern mit gehärteter Thermoplastik.
Ein anderes Gerät, das von der Designprüfung profitieren könnte, ist die Spitze der Düse. Einige thermoplastische Materialien lassen sich mit einer umgekehrt verjüngten Düsenspitze leichter bearbeiten, was einen hohen Grad an Scherung erzeugt, wenn das Material in den Formhohlraum eingespritzt wird. Solche Düsenspitzen reduzieren jedoch signifikant die Faserlänge von Langfaserverbundstoffen. Es wird daher empfohlen, eine geschlitzte Düsenspitze / Ventilanordnung von 100% "frei fließender" Konstruktion zu verwenden, die es ermöglicht, lange Fasern leicht durch die Düse in das Bauteil zu führen.
Zusätzlich sollte der Durchmesser der Düse und des Angusslochs eine lose Größe von 5,5 mm (0,250 Zoll) oder mehr haben und es gibt keine scharfe Kante. Es ist wichtig zu verstehen, wie das Material durch die Spritzgießausrüstung fließt und wo die Scherwirkung die Fasern bricht.
Zweitens, Teile und Formenbau
Gute Teile und Formdesign sind ebenfalls hilfreich, um die Faserlänge von LFT zu erhalten. Die Beseitigung der scharfen Ecken um einen Teil der Kante (einschließlich Rippen, Naben und anderer Merkmale) vermeidet unnötige Spannungen im geformten Teil und verringert den Faserverschleiß.
Die Teile müssen eine Nennwand mit einer gleichmäßigen Wandstärke haben. Größere Änderungen der Wanddicke können zu einer uneinheitlichen Packung und unerwünschten Faserorientierung in dem Teil führen. Wenn die Dicke dicker oder dünner sein soll, müssen plötzliche Wanddickenänderungen vermieden werden, um die Bildung von Bereichen mit hoher Scherwirkung zu vermeiden, die die Fasern beschädigen und zur Quelle der Spannungskonzentration werden können. Es wird gewöhnlich versucht, das Tor in der dickeren Wand zu öffnen und zu dem dünnen Teil zu fließen, wobei das Füllende in dem dünnen Teil gehalten wird.
Das allgemeine Prinzip des guten plastischen Designs legt nahe, dass das Halten einer Wanddicke von weniger als 4 mm (0,160 Zoll) einen guten und gleichmäßigen Fluss fördert und die Möglichkeit von Senken und Hohlräumen reduziert. Für LFRT-Verbindungen beträgt die optimale Wandstärke üblicherweise etwa 3 mm (0,120 Zoll) und die minimale Dicke beträgt 2 mm (0,080 Zoll). Wenn die Wanddicke weniger als 2 mm beträgt, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Fasern nach dem Eintritt in die Form brechen.
Teile sind nur ein Aspekt des Designs, und es ist auch wichtig zu überlegen, wie das Material in die Form gelangt. Wenn die Angusskanäle und Angüsse das Material in den Hohlraum führen, kann in diesen Bereichen eine große Menge an Faserschaden auftreten, wenn sie nicht richtig ausgelegt sind.
Bei der Konstruktion einer Form zur Bildung einer LFRT-Verbindung ist der Läufer mit vollem Radius optimal mit einem Mindestdurchmesser von 5,5 mm (0,250 Zoll). Jede andere Form des Strömungskanals weist neben dem Vollrundkanal scharfe Ecken auf, die die Spannung während des Umformprozesses erhöhen und die verstärkende Wirkung der Glasfaser zerstören. Heißkanalsysteme mit offenen Kufen sind akzeptabel.
Die Mindestdicke des Tors sollte 2 mm (0,080 Zoll) betragen. Wenn möglich, positionieren Sie das Tor entlang einer Kante, die den Materialfluss nicht behindert. Der Anguss an der Oberfläche des Teils muss um 90 ° gedreht werden, um den Beginn von Faserbruch zu verhindern und die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern.
Zu guter Letzt, achten Sie auf die Lage der Fusionslinien und darauf, wie sie sich auf den Bereich auswirken, in dem die Teile belastet (oder beansprucht) werden. Die Fusionslinie sollte durch eine rationale Anordnung des Gates in einen Bereich bewegt werden, in dem das Spannungsniveau voraussichtlich niedriger ist.
Die Computerfüllanalyse kann helfen zu bestimmen, wo diese Fusionslinien lokalisiert werden. Strukturelle Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann verwendet werden, um den Ort der hohen Belastung und den Ort der Konfluenzlinie zu vergleichen, wie in der Füllanalyse bestimmt.
Es sollte beachtet werden, dass diese Teile und Formen nur Empfehlungen sind. Es gibt viele Beispiele für Bauteile mit dünnen Wänden, Wanddickenschwankungen und feinen oder feinen Merkmalen, die LFT-Verbindungen verwenden, um eine gute Leistung zu erzielen. Je weiter jedoch von diesen Empfehlungen entfernt wird, desto mehr Zeit und Aufwand wird benötigt, um sicherzustellen, dass die Vorteile der Langfasertechnologie voll ausgeschöpft werden.
Drittens, Verarbeitungsbedingungen
Verarbeitungsbedingungen sind der Schlüssel zum Erfolg von LFT. Solange die richtigen Verarbeitungsbedingungen verwendet werden, ist es möglich, eine allgemeine Spritzgießmaschine und eine richtig gestaltete Form zur Herstellung von LFT-Teilen zu verwenden. Mit anderen Worten, selbst bei einer geeigneten Ausrüstung und einem geeigneten Formdesign kann die Faserlänge leiden, wenn schlechte Verarbeitungsbedingungen verwendet werden. Dies erfordert, zu verstehen, worauf die Faser während des Formprozesses trifft, und Bereiche zu identifizieren, die übermäßige Faserscherung verursachen.
Überwachen Sie zuerst den Gegendruck. Hoher Gegendruck führt zu einer großen Scherkraft auf das Material, die die Faserlänge verringert. Wenn man von einem Nullgegendruck ausgeht und diesen nur so weit erhöht, bis die Schnecke während des Zuführvorgangs gleichmßig zurückgezogen ist, ist die Verwendung eines Gegendrucks von 1,5 bis 2,5 bar (20 bis 50 psi) gewöhnlich ausreichend, um eine gleichmßige Zuführung zu erhalten.
Hohe Schneckendrehzahl wirkt sich auch negativ aus. Je schneller sich die Schnecke dreht, desto wahrscheinlicher wird das feste und ungeschmolzene Material in den Schraubenkompressionsabschnitt eintreten und Faserschäden verursachen. Ähnlich wie bei den Gegendruckempfehlungen sollte es so schnell wie möglich gehalten werden, um das zum Füllen der Schraube erforderliche Minimum zu stabilisieren. Beim Formen von LFRT-Verbindungen sind Schneckendrehzahlen von 30 bis 70 U / min üblich.
Im Spritzgussverfahren erfolgt das Schmelzen durch zwei Faktoren, die zusammen wirken: Scherung und Wärme. Da das Ziel darin besteht, die Länge der Faser im LFRT durch Verringerung der Scherung zu schützen, wird mehr Wärme benötigt. Gemäß dem Harzsystem ist die Temperatur der verarbeiteten LFRT-Verbindung üblicherweise 10-30 ° C höher als die der herkömmlichen geformten Verbindung.
Bevor Sie jedoch die Zylindertemperatur ständig erhöhen, achten Sie auf die Umkehr der Zylindertemperaturverteilung. Normalerweise steigt die Trommeltemperatur, wenn sich das Material vom Trichter zur Düse bewegt, aber für den LFT wird empfohlen, dass die Temperatur am Trichter höher ist. Die Umkehrung der Temperaturverteilung ermöglicht es den LFRT-Pellets zu erweichen und zu schmelzen, bevor sie in den Hochscherschraubenkompressionsabschnitt eintreten, wodurch die Beibehaltung der Faserlänge erleichtert wird.
