I termoplastici rinforzati con fibre lunghe (LFRT) vengono utilizzati per applicazioni di stampaggio a iniezione con elevate proprietà meccaniche. Mentre la tecnologia LFRT può fornire buone proprietà di resistenza, rigidità e impatto, il metodo di lavorazione di questo materiale gioca un ruolo importante nel determinare quali proprietà possono essere ottenute nella parte finale.

Per modellare con successo gli LFRT, è necessaria una comprensione di alcune delle loro caratteristiche uniche. Comprendere le differenze tra gli LFRT e le termoplastiche rinforzate convenzionali ha guidato lo sviluppo di attrezzature, progettazione e tecniche di lavorazione per massimizzare il valore e il potenziale degli LFRT.

La differenza tra LFRT e composti rinforzati con fibra di vetro corta e convenzionale è la lunghezza delle fibre. In LFRT, la lunghezza delle fibre è uguale alla lunghezza dei pellet. Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte degli LFRT sono prodotti mediante un processo di stampaggio a pultrusione piuttosto che un compounding di tipo shear.

Nella produzione LFRT, i fili continui di stoppino non attorcigliato in fibra di vetro vengono prima tirati in uno stampo per il rivestimento e l'impregnazione con la resina e, dopo essere usciti dallo stampo, questa striscia continua di plastica rinforzata viene tagliata o pellettizzata, solitamente per una lunghezza da 10 a 12 mm. Al contrario, i composti di fibre di vetro corte convenzionali contengono solo fibre tagliate corte lunghe da 3 a 4 mm, che sono ulteriormente ridotte a tipicamente meno di 2 mm negli estrusori del tipo a taglio.

La lunghezza della fibra nei pellet LFRT aiuta a migliorare le proprietà meccaniche di LFRT - maggiore resistenza agli urti o tenacità - pur mantenendo la rigidità. Finché le fibre mantengono la loro lunghezza durante il processo di stampaggio, formano uno "scheletro interno" che fornisce eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, un processo di stampaggio scadente può trasformare un prodotto a fibra lunga in un materiale a fibra corta. Se la lunghezza delle fibre viene compromessa durante il processo di stampaggio, non è possibile raggiungere il livello di prestazioni desiderato.

Per mantenere la lunghezza della fibra durante il processo di stampaggio LFRT, ci sono tre aspetti importanti da considerare: la macchina per lo stampaggio a iniezione, la progettazione della parte e dello stampo e le condizioni di lavorazione.

I. Considerazioni sull'attrezzatura

Una domanda frequente sulla lavorazione LFRT è se sia possibile utilizzare le attrezzature di stampaggio a iniezione esistenti per stampare questi materiali. Nella maggior parte dei casi, l'attrezzatura utilizzata per lo stampaggio di composti a fibra corta può essere utilizzata anche per lo stampaggio di LFRT e, sebbene la tipica attrezzatura per lo stampaggio di fibre corte sia adeguata per la maggior parte delle parti e dei prodotti LFRT, è possibile apportare alcune modifiche all'attrezzatura per aiutare meglio a mantenere la lunghezza della fibra .

Una vite per uso generico con una tipica sezione di "alimentazione-compressione-dosaggio" è adatta per questo processo e, riducendo il rapporto di compressione nella sezione di dosaggio, è possibile ridurre il taglio distruttivo delle fibre. Un rapporto di compressione della sezione di dosaggio di circa 2:1 è ottimale per i prodotti LFRT. Non è necessario realizzare viti, cilindri e altri componenti da leghe metalliche speciali perché LFRT non subisce la stessa usura delle tradizionali termoplastiche rinforzate con fibra di vetro a taglio corto.

Un altro pezzo di equipaggiamento che potrebbe trarre vantaggio da una revisione del design è la punta dell'ugello. Alcuni materiali termoplastici sono più facili da lavorare con una punta dell'ugello rastremata inversa che crea un elevato grado di taglio quando il materiale viene iniettato nella cavità dello stampo. Tuttavia, questa punta dell'ugello può ridurre significativamente la lunghezza della fibra dei compositi a fibra lunga. Si consiglia pertanto di utilizzare un gruppo ugello/valvola scanalato con un design a "flusso libero" al 100%, che consenta alle fibre lunghe di passare facilmente attraverso l'ugello nella parte.

Inoltre, i fori dell'ugello e del cancello devono avere un diametro generoso di almeno 5,5 mm (0,250 pollici) e non avere spigoli vivi. È importante capire come il materiale scorre attraverso l'attrezzatura per lo stampaggio a iniezione e determinare dove il taglio romperà le fibre.

II. Progettazione di componenti e stampi

Una buona progettazione di parti e stampi può anche essere molto utile per mantenere la lunghezza della fibra di LFRT. L'eliminazione degli spigoli vivi attorno ad alcuni bordi (comprese le nervature, le linguette e altre caratteristiche) evita sollecitazioni inutili nella parte stampata e riduce l'usura delle fibre.

Le parti devono avere un design della parete nominale con uno spessore della parete uniforme. Grandi variazioni nello spessore della parete possono portare a un riempimento incoerente e a un orientamento indesiderato delle fibre nella parte. Dove sono necessarie parti più spesse o più sottili, evitare brusche variazioni di spessore della parete per evitare la formazione di aree ad alto taglio che potrebbero danneggiare le fibre e diventare fonte di concentrazione delle sollecitazioni. Di solito prova ad aprire il cancello nella parete più spessa e scorri verso la parte più sottile, mantenendo l'estremità riempita nella parte più sottile.

I principi generici di buona progettazione della plastica suggeriscono che mantenere lo spessore della parete inferiore a 4 mm (0,160 pollici) promuoverà un buon flusso uniforme e ridurrà il potenziale di cavità e vuoti. Per i composti LFRT, lo spessore ottimale della parete è tipicamente di circa 3 mm (0,120 pollici), con uno spessore minimo di 2 mm (0,080 pollici). Con spessori delle pareti inferiori a 2 mm, il materiale ha una maggiore probabilità che le sue fibre si rompano dopo essere entrate nello stampo.

I componenti sono solo un aspetto del progetto ed è importante considerare come il materiale entra nello stampo. Quando guide e cancelli guidano il materiale nella cavità, in queste aree possono verificarsi molti danni alle fibre se non progettati correttamente.

Quando si progetta uno stampo per lo stampaggio di composti LFRT, è ottimale un canale completamente arrotondato, con un diametro minimo di 5,5 mm (0,250 pollici). Qualsiasi altra forma di guida oltre a una guida ad angolo completamente arrotondato avrà angoli acuti che aumenteranno le sollecitazioni durante il processo di stampaggio e distruggeranno il rinforzo in fibra di vetro. I sistemi a canale caldo con porte aperte sono accettabili.

Il cancello deve avere uno spessore minimo di 2 mm (0,080 pollici). Se possibile, posizionare la saracinesca lungo un bordo che non blocchi il flusso di materiale nella cavità. Il cancello sulla superficie della parte dovrà essere ruotato di 90° per evitare l'innesco di rotture delle fibre che potrebbero ridurre le proprietà meccaniche.

Infine, è importante prestare attenzione alla posizione delle linee di fusione e sapere come influenzano l'area in cui la parte sarà caricata (o sollecitata) durante l'uso. Le linee di fusione devono essere spostate in aree in cui si prevede che i livelli di stress siano bassi attraverso un corretto posizionamento del gate.

Un'analisi computerizzata del riempimento dello stampo può aiutare a determinare dove saranno posizionate queste linee di fusione. L'analisi strutturale agli elementi finiti (FEA) può essere utilizzata per confrontare la posizione delle sollecitazioni elevate con la posizione delle linee di fusione identificate nell'analisi del riempimento dello stampo.

Va notato che questi progetti di parti e stampi sono solo raccomandazioni. Esistono molti esempi di parti con pareti sottili, variazioni di spessore delle pareti e caratteristiche delicate o fini che hanno ottenuto buone prestazioni utilizzando i complessi LFRT. Tuttavia, quanto più ci si discosta da queste raccomandazioni, tanto più tempo e impegno sono necessari per garantire che si realizzino tutti i benefici dell'LFRT.


III. Condizioni di elaborazione

Le condizioni di elaborazione sono fondamentali per il successo di LFRT. Con le giuste condizioni di lavorazione, è possibile preparare un buon pezzo LFRT utilizzando una pressa a iniezione universale e uno stampo opportunamente progettato. In altre parole, anche con un'attrezzatura e un design dello stampo adeguati, la lunghezza delle fibre può essere compromessa se si utilizzano condizioni di lavorazione sfavorevoli. Ciò richiede la comprensione di ciò che le fibre incontreranno durante il processo di stampaggio e l'identificazione delle aree che causeranno un taglio eccessivo delle fibre.

Innanzitutto, controlla la contropressione. L'elevata contropressione introduce una grande forza di taglio sul materiale che ridurrà la lunghezza della fibra. Si consideri di iniziare con una contropressione pari a zero e di aumentarla quanto basta per consentire alla vite di tornare uniformemente durante l'alimentazione, utilizzando una contropressione da 1,5 a 2,5 bar (da 20 a 50 psi) è generalmente sufficiente per ottenere un'alimentazione costante.

Anche le alte velocità della vite hanno un effetto dannoso. Quanto più velocemente ruota la vite, tanto più è probabile che solidi e materiale non fuso entrino nella sezione di compressione della vite causando danni alle fibre. Analogamente alle raccomandazioni per la contropressione, la velocità dovrebbe essere mantenuta il più bassa possibile al livello minimo richiesto per stabilizzare la vite di riempimento. Velocità della vite da 30 a 70 giri/min sono comuni durante lo stampaggio di composti LFRT.

Durante il processo di stampaggio ad iniezione, la fusione avviene attraverso due fattori che agiscono insieme: taglio e calore. Poiché l'obiettivo è preservare la lunghezza delle fibre in LFRT riducendo il taglio, sarà necessario più calore. A seconda del sistema di resina, la temperatura per la lavorazione di un composto LFRT sarà tipicamente da 10 a 30°C più alta rispetto a un composto stampato convenzionalmente.

Tuttavia, prima di aumentare semplicemente la temperatura del cilindro su tutta la linea, è importante notare l'inverso della distribuzione della temperatura del cilindro. Tipicamente, la temperatura del cilindro aumenta man mano che il materiale si sposta dalla tramoggia all'ugello; tuttavia, per LFRT, la temperatura consigliata è più alta nella tramoggia. L'inversione della distribuzione della temperatura provoca l'ammorbidimento e la fusione dei pellet LFRT prima di entrare nella sezione di compressione della vite ad alto taglio, che facilita il mantenimento della lunghezza della fibra.

Un'ultima nota riguardante la lavorazione prevede l'utilizzo di materiale di riutilizzo. La molatura di parti stampate o materozze di solito si traduce in lunghezze di fibra inferiori, quindi l'aggiunta di materiale di riutilizzo può influire sulla lunghezza complessiva della fibra. Per non ridurre significativamente le proprietà meccaniche, la quantità massima di materiale di riutilizzo consigliata è del 5%. Quantità maggiori di materiale di riutilizzo possono influire negativamente sulle proprietà meccaniche come la resistenza all'urto.