Усадка термопластов: полные таблицы норм и факторов влияния

Таблица 1: Нормы усадки основных термопластичных материалов

Таблица 2: Значения усадки вдоль и поперек потока

Таблица 3: Факторы влияния на величину усадки

1. Физическая природа усадки термопластичных материалов

Усадка термопластичных материалов представляет собой уменьшение линейных размеров и объема изделия после его формования и охлаждения. Данное явление обусловлено фундаментальными физико-химическими процессами, протекающими в полимерном материале при переходе из расплавленного состояния в твердое.

В основе усадки лежат два основных механизма: термическая усадка и структурная усадка. Термическая усадка происходит вследствие уменьшения объема материала при снижении температуры, что связано с уменьшением амплитуды колебаний молекулярных цепей и сокращением межмолекулярных расстояний. Коэффициент теплового расширения термопластов существенно выше, чем у металлов, что обуславливает значительную величину термической усадки.

Структурная усадка характерна для кристаллизующихся термопластов и связана с изменением надмолекулярной структуры материала при переходе из аморфного расплавленного состояния в частично кристаллическое твердое. При кристаллизации происходит упорядочивание макромолекул и их упаковка в более плотные кристаллические образования, что приводит к значительному уплотнению материала и увеличению усадки.

Для аморфных термопластов, таких как полистирол, АБС-пластик и поликарбонат, характерна преимущественно термическая усадка, которая составляет от 0,4 до 0,8 процентов. Эти материалы не образуют кристаллических структур при затвердевании, поэтому их усадка относительно невелика и предсказуема.

Кристаллизующиеся термопласты, включающие полиэтилен, полипропилен, полиамиды и полиацетали, демонстрируют значительно большую усадку, достигающую 1,5-3,5 процентов. Величина усадки этих материалов зависит от степени кристалличности, которая, в свою очередь, определяется условиями переработки: температурой расплава и формы, давлением литья и скоростью охлаждения.

2. Классификация термопластов по характеру усадки

Термопластичные материалы классифицируются по характеру усадки в зависимости от их молекулярной структуры и фазового состояния. Эта классификация имеет принципиальное значение для технологов и конструкторов, поскольку определяет подход к проектированию изделий и оснастки.

Аморфные термопласты с низкой усадкой включают полистирол, АБС-пластик, поликарбонат, полиметилметакрилат и поливинилхлорид. Эти материалы характеризуются хаотичным расположением макромолекул без образования кристаллических областей. Величина их усадки составляет от 0,2 до 0,8 процентов, что обеспечивает высокую размерную точность изделий. Усадка этих материалов относительно изотропна, то есть примерно одинакова во всех направлениях.

Кристаллизующиеся термопласты с высокой усадкой представлены полиэтиленом, полипропиленом, полиамидами, полиацеталями и полибутилентерефталатом. При охлаждении этих материалов формируются кристаллические структуры, что приводит к значительному уплотнению и усадке от 0,8 до 3,5 процентов. Усадка кристаллизующихся полимеров сильно зависит от технологических параметров переработки и обладает выраженной анизотропией.

Наполненные термопласты с модифицированной усадкой - это композиционные материалы, содержащие волокнистые или дисперсные наполнители. Введение стекловолокна, углеродного волокна или минеральных наполнителей снижает общую усадку материала, но создает выраженную анизотропию. Усадка вдоль ориентации волокон может быть в 2-4 раза ниже, чем поперек направления течения расплава.

Гигроскопичные термопласты, такие как полиамиды, требуют особого внимания. Помимо обычной технологической усадки, эти материалы подвержены изменению размеров при поглощении влаги из окружающей среды. После кондиционирования во влажной атмосфере полиамидные изделия могут увеличиваться в размерах на 0,5-2 процента, что частично компенсирует первоначальную усадку.

3. Анизотропия усадки: усадка вдоль и поперек потока

Анизотропия усадки представляет собой различие величин усадки в разных направлениях изделия и является одной из наиболее важных характеристик, определяющих точность размеров литьевых деталей. Это явление обусловлено ориентацией макромолекул полимера в направлении течения расплава при заполнении формы.

При течении полимерного расплава через литниковые каналы и в полости формы длинные макромолекулы подвергаются растяжению и ориентируются преимущественно вдоль направления потока. Эта ориентация частично сохраняется после застывания материала, что приводит к различным значениям усадки в продольном и поперечном направлениях относительно направления течения.

Усадка вдоль потока обычно меньше, чем поперек потока, поскольку ориентированные макромолекулы препятствуют сжатию материала в этом направлении. Для ненаполненных кристаллизующихся полимеров разница между продольной и поперечной усадкой может составлять 20-40 процентов. Например, для полипропилена типичная усадка вдоль потока составляет 1,2-1,8 процента, а поперек потока - 1,5-2,5 процента.

Влияние наполнителей на анизотропию особенно значительно. При введении волокнистых наполнителей, таких как стекловолокно, анизотропия усадки резко возрастает. Волокна ориентируются вдоль направления течения и существенно ограничивают усадку в этом направлении, в то время как в поперечном направлении усадка остается высокой. Для полипропилена с 30-процентным содержанием стекловолокна усадка вдоль потока может составлять 0,3-0,8 процента, а поперек - 1,0-1,6 процента.

Анизотропия усадки приводит к короблению изделий, особенно плоских и тонкостенных деталей. Различная усадка в разных направлениях создает внутренние напряжения, которые вызывают изгиб и деформацию изделия. Для минимизации этого эффекта применяют специальные конструктивные решения: использование ребер жесткости, оптимизацию расположения литниковой системы и выбор материалов с низкой анизотропией.

Для количественной оценки анизотропии усадки используется коэффициент анизотропии, который для различных материалов имеет характерные значения. Аморфные материалы демонстрируют низкую анизотропию с коэффициентом 1,1-1,3, ненаполненные кристаллические полимеры - среднюю анизотропию с коэффициентом 1,2-1,5, а наполненные материалы - высокую анизотропию с коэффициентом 2,0-4,0.

4. Технологические факторы, влияющие на усадку

Величина усадки термопластичных изделий в значительной степени определяется технологическими параметрами процесса литья под давлением. Понимание влияния этих факторов позволяет оптимизировать технологический режим и минимизировать усадку для достижения требуемой точности размеров.

Температура расплава оказывает существенное влияние на усадку. Повышение температуры расплава приводит к увеличению удельного объема материала и соответственно к большей усадке при охлаждении. При увеличении температуры расплава на 20-30 градусов усадка может возрастать на 0,1-0,3 процента. Однако слишком низкая температура затрудняет заполнение формы и может привести к неполному литью. Оптимальная температура должна обеспечивать хорошую текучесть при минимальной усадке.

Температура формы влияет на скорость охлаждения и степень кристалличности материала. Для кристаллизующихся полимеров повышение температуры формы способствует более полной кристаллизации и увеличивает усадку. Повышение температуры формы на 10 градусов может увеличить усадку на 0,05-0,15 процента. Для аморфных материалов влияние температуры формы менее значительно. Оптимальная температура формы определяется балансом между качеством поверхности, внутренними напряжениями и величиной усадки.

Давление литья и выдержки под давлением являются критически важными параметрами для контроля усадки. Повышение давления литья способствует более плотной упаковке молекул полимера и снижает усадку. Увеличение давления на 20-30 МПа может снизить усадку на 0,1-0,4 процента. Особенно важна фаза выдержки под давлением, когда происходит подпитка формы дополнительным количеством материала для компенсации усадки при охлаждении.

Время выдержки под давлением должно быть достаточным для полного застывания литника, после чего дальнейшая подпитка становится невозможной. Типичное время выдержки составляет от 5 до 30 секунд в зависимости от толщины изделия и свойств материала. Недостаточная выдержка приводит к повышенной усадке, утяжинам и внутренним пустотам. Чрезмерная выдержка не дает дополнительного эффекта, но увеличивает время цикла.

Толщина стенки изделия существенно влияет на величину усадки. Толстостенные участки охлаждаются медленнее и демонстрируют большую усадку по сравнению с тонкостенными. При увеличении толщины стенки с 2 до 4 мм усадка может возрастать на 0,2-0,5 процента. Это объясняется более продолжительным временем охлаждения и возможностью более полной кристаллизации в толстых сечениях. Неравномерность толщины стенок приводит к неоднородной усадке и короблению.

Скорость впрыска влияет на ориентацию макромолекул и температуру расплава при заполнении формы. Высокая скорость впрыска создает значительные сдвиговые деформации и повышенную ориентацию молекул, что может увеличить анизотропию усадки. Однако быстрое заполнение позволяет поддерживать более высокую температуру расплава в полости формы и обеспечивает лучшую передачу давления подпитки.

5. Конструктивные методы компенсации усадки

Компенсация усадки начинается на стадии конструирования изделия и проектирования пресс-формы. Правильный учет усадки в размерах оформляющей полости является основным методом получения изделий с требуемыми размерами.

Расчет размеров полости формы выполняется с учетом средних значений усадки материала и направления течения расплава. Размер полости формы L(форма) определяется по формуле: L(форма) = L(изделие) × (1 + S/100), где L(изделие) - требуемый размер изделия, S - усадка материала в процентах. При этом необходимо учитывать различную усадку вдоль и поперек направления потока для анизотропных материалов.

Принцип равнотолщинности является фундаментальным правилом конструирования литьевых изделий. Равномерная толщина стенок обеспечивает однородное охлаждение и минимизирует различия в усадке разных участков изделия. При необходимости создания локальных утолщений следует использовать плавные переходы с радиусом не менее утроенной разницы толщин. Резкие перепады толщины приводят к неравномерной усадке, утяжинам и внутренним напряжениям.

Оптимизация расположения литниковой системы играет ключевую роль в контроле усадки и минимизации анизотропии. Точка впрыска должна располагаться таким образом, чтобы обеспечить равномерное заполнение всех участков изделия и минимизировать длину пути течения расплава. Для симметричных изделий предпочтительно центральное расположение литника. При необходимости используют многоточечные системы впрыска для обеспечения равномерного заполнения крупногабаритных изделий.

Конструирование системы охлаждения формы должно обеспечивать равномерное охлаждение всех участков изделия. Неравномерное охлаждение приводит к различной усадке и короблению. Каналы охлаждения располагают таким образом, чтобы расстояние от любой точки оформляющей поверхности до ближайшего канала было примерно одинаковым. Для толстостенных участков может потребоваться дополнительное охлаждение.

Использование ребер жесткости позволяет снизить деформации от усадки без значительного увеличения толщины стенок. Ребра ограничивают коробление и помогают сохранить геометрию изделия. Толщина ребер должна составлять 0,5-0,7 от толщины основной стенки для предотвращения утяжин. Высота ребер может достигать 3-5 толщин основной стенки.

Компенсирующие элементы конструкции включают предварительное смещение элементов формы для компенсации ожидаемой деформации от анизотропной усадки. Например, для получения плоской детали формообразующая поверхность может иметь небольшую выпуклость, которая компенсируется прогибом от усадки. Этот метод требует точных расчетов и опыта проектирования.

6. Измерение и контроль усадки

Точное измерение усадки является необходимым условием для обеспечения стабильного качества литьевых изделий и оптимизации технологического процесса. Методы контроля усадки регламентированы национальными и международными стандартами.

Стандартизированные методы измерения усадки термопластов установлены ГОСТ 18616-80, который определяет методику определения усадки формовочных материалов. Согласно стандарту, усадка определяется как разность размеров холодной пресс-формы и отформованных охлажденных образцов, выраженная в процентах от размеров пресс-формы. Для термопластов измеряется как продольная усадка вдоль направления литья, так и поперечная усадка перпендикулярно направлению литья.

Образцы для испытаний изготавливаются в виде пластин или дисков стандартных размеров в строго контролируемых условиях. Наиболее распространенными являются образцы в форме прямоугольных пластин размером 120×15×10 мм или 80×10×4 мм. Литьевые формы для изготовления образцов должны заполняться с торца, оформляющие поверхности хромируются и полируются до шероховатости не более 0,16 мкм.

Измерительное оборудование для контроля усадки должно обеспечивать необходимую точность измерений. Для измерения размеров формы и образцов применяют инструментальные микроскопы, координатно-измерительные машины или высокоточные штангенциркули с точностью измерения не менее 0,01 мм. Измерения проводятся при стандартной температуре 20 градусов после полной стабилизации образцов.

Дополнительная усадка определяется как разность размеров образцов до и после термообработки, выраженная в процентах от первоначальных размеров. Термообработка проводится в сушильном шкафу при температуре и времени выдержки, указанных в технической документации на материал. Для полиамидов типична термообработка при 110 градусах в течение 24 часов, для других материалов условия могут различаться.

Коэффициент анизотропии усадки вычисляется как отношение поперечной усадки к продольной. Этот показатель характеризует степень направленности свойств материала и является важным параметром для конструкторов. Для ненаполненных аморфных материалов коэффициент анизотропии близок к единице, для кристаллизующихся материалов составляет 1,2-1,5, а для наполненных композиций может достигать 2-4.

Статистический анализ данных по усадке необходим для определения средних значений и разброса показателей. Для каждого материала и условий переработки проводят серию измерений, обычно на пяти образцах. Вычисляют среднее значение усадки и доверительный интервал, который характеризует стабильность процесса. Большой разброс значений указывает на нестабильность технологического режима или неоднородность материала.

7. Практические рекомендации по минимизации усадки

Минимизация усадки и обеспечение стабильности размеров литьевых изделий требует комплексного подхода, включающего правильный выбор материала, оптимизацию конструкции изделия и технологического режима переработки.

Выбор материала является первым шагом к контролю усадки. Для изделий, требующих высокой размерной точности, предпочтительны аморфные термопласты с низкой усадкой: АБС-пластик, поликарбонат, полиметилметакрилат. При необходимости использования кристаллизующихся материалов следует выбирать марки с модифицирующими добавками или наполнителями, снижающими усадку. Наполнение стекловолокном или минеральными наполнителями может уменьшить усадку в 2-3 раза.

Предварительная подготовка материала критически важна для гигроскопичных полимеров. Полиамиды, поликарбонат и другие влагопоглощающие материалы должны быть тщательно высушены перед переработкой. Остаточная влажность не должна превышать рекомендуемые производителем значения, обычно 0,02-0,05 процента. Сушка проводится в сушильных шкафах или влагопоглотителях при температуре 80-120 градусов в течение 4-8 часов.

Оптимизация температурного режима включает установку минимально допустимой температуры расплава и оптимальной температуры формы. Температура расплава должна обеспечивать хорошую текучесть без перегрева материала. Для каждого материала существует оптимальный температурный интервал переработки, указанный производителем. Температура формы для кристаллизующихся материалов должна быть достаточной для обеспечения хорошего качества поверхности, но не чрезмерно высокой, чтобы не увеличивать усадку.

Режим давления и выдержки должен обеспечивать максимальную подпитку формы для компенсации усадки. Давление литья устанавливается на максимально допустимом уровне, ограниченном только прочностью формы и усилием замыкания машины. Давление выдержки обычно составляет 50-70 процентов от давления литья. Время выдержки под давлением определяется экспериментально и должно превышать время застывания литника на 2-3 секунды.

Контроль равномерности охлаждения достигается правильным конструированием системы охлаждения формы. Температура охлаждающей жидкости должна быть стабильной, расход - достаточным для эффективного теплоотвода. Разница температур на входе и выходе охлаждающих каналов не должна превышать 3-5 градусов. При больших перепадах температуры возникает неравномерное охлаждение и различная усадка разных участков изделия.

Стабилизация изделий после формования рекомендуется для ответственных изделий с жесткими требованиями к размерам. После извлечения из формы изделия выдерживают при комнатной температуре в течение 24-48 часов для завершения усадки и релаксации внутренних напряжений. Для некоторых материалов применяют термическую обработку - выдержку при повышенной температуре для ускорения стабилизации размеров.

Постоянный мониторинг процесса включает периодический контроль размеров изделий и анализ причин отклонений. Изменение усадки может указывать на изменение свойств материала, износ оборудования или отклонение технологических параметров. Ведение статистических карт контроля позволяет своевременно выявлять тенденции и принимать корректирующие меры до появления брака.

Часто задаваемые вопросы