I materiali termoplastici rinforzati con fibre lunghe (LFRT) vengono utilizzati per applicazioni di stampaggio a iniezione con elevate proprietà meccaniche. Sebbene la tecnologia LFRT possa fornire buone proprietà di resistenza, rigidità e resistenza agli urti, 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 la comprensione di alcune delle loro caratteristiche uniche. Comprendere le differenze tra gli LFRT e i materiali termoplastici rinforzati convenzionali ha guidato lo sviluppo di attrezzature, tecniche di progettazione e lavorazione per massimizzare il valore e il potenziale degli LFRT.

La differenza tra LFRT e i tradizionali composti corti rinforzati con fibra di vetro rinforzati con fibra di vetro è la lunghezza delle fibre. Nella 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 con un compounding di tipo taglio.

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

La lunghezza delle fibre 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 inadeguato 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 prestazione desiderato.

Per mantenere la lunghezza delle fibre 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 per noi utilizzare le attrezzature di stampaggio a iniezione esistenti per stampare questi materiali. Nella maggior parte dei casi, l'attrezzatura utilizzata per stampare composti a fibra corta può essere utilizzata anche per stampare LFRT e, sebbene l'attrezzatura tipica 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 a mantenere meglio la lunghezza delle fibre .

Una coclea per uso generale con una tipica sezione di "compressione-dosaggio" è particolarmente adatta per questo processo e, riducendo il rapporto di compressione nella sezione di dosaggio, è possibile ridurre il taglio distruttivo delle fibre. Per i prodotti LFRT è ottimale un rapporto di compressione della sezione di dosaggio di circa 2:1. Non è necessario realizzare viti, cilindri e altri componenti con leghe metalliche speciali perché LFRT non è soggetto alla stessa usura dei tradizionali materiali termoplastici rinforzati con fibra di vetro a taglio corto.

Un altro componente dell'attrezzatura che potrebbe trarre vantaggio da una revisione della progettazione è la punta dell'ugello. Alcuni materiali termoplastici sono più facili da lavorare grazie alla punta dell'ugello conica 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 delle fibre dei compositi a fibra lunga. Si consiglia pertanto di utilizzare un gruppo punta/valvola con ugello a fessura con un design a "flusso libero" al 100%, che consente 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 5,5 mm (0,250 pollici) o più 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

Anche una buona progettazione di parti e stampi può essere molto utile per mantenere la lunghezza delle fibre di LFRT. L'eliminazione degli spigoli vivi attorno ad alcuni bordi (comprese le linee di nervatura, 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 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. Laddove siano necessarie parti più spesse o più sottili, evitare cambiamenti improvvisi nello spessore delle pareti per evitare la formazione di aree ad alto taglio che potrebbero danneggiare le fibre e diventare fonte di concentrazione di stress. Di solito si tenta di aprire il cancello nella parete più spessa e di fluire 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 al di sotto di 4 mm (0,160 pollici) promuoverà un flusso uniforme e ridurrà il rischio di cavità e vuoti. Per i composti LFRT, lo spessore ottimale della parete è generalmente 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 della progettazione 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 progettate correttamente.

Quando si progetta uno stampo per lo stampaggio di composti LFRT, una guida completamente arrotondata è ottimale, con un diametro minimo di 5,5 mm (0,250 pollici). Qualsiasi altra forma di guida che non sia una guida con angoli completamente arrotondati avrà spigoli vivi che aumenteranno le sollecitazioni durante il processo di stampaggio e distruggeranno il rinforzo in fibra di vetro. Sono accettabili sistemi a canale caldo con porte aperte.

Il cancello deve avere uno spessore minimo di 2 mm (0,080 pollici). Se possibile, posizionare il cancello lungo un bordo che non ostacoli il flusso del materiale nella cavità. Il cancello sulla superficie del pezzo dovrà essere ruotato di 90° per evitare di innescare la rottura delle fibre che potrebbe 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 verrà caricata (o sollecitata) durante l'uso. Le linee di fusione dovrebbero essere spostate in aree in cui si prevede che i livelli di stress siano bassi attraverso il corretto posizionamento dei cancelli.

Un'analisi computerizzata del riempimento dello stampo può aiutare a determinare dove verranno 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 di 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 saranno necessari per garantire che si realizzino tutti i vantaggi della 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 macchina per stampaggio a iniezione universale e uno stampo adeguatamente progettato. In altre parole, anche con attrezzature e progettazione dello stampo adeguati, la lunghezza delle fibre può essere compromessa se vengono utilizzate 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, monitorare la contropressione. L'elevata contropressione introduce una grande forza di taglio sul materiale che ridurrà la lunghezza delle fibre. Considerare di iniziare con una contropressione pari a zero e di aumentarla solo quanto basta per consentire alla vite di ritornare uniformemente durante l'alimentazione; l'utilizzo di una contropressione compresa tra 1,5 e 2,5 bar (da 20 a 50 psi) è generalmente sufficiente per ottenere un'alimentazione costante.

Anche velocità elevate delle viti hanno un effetto dannoso. Quanto più velocemente ruota la vite, tanto più probabile è 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 coclea di riempimento. Velocità della vite comprese tra 30 e 70 giri/min sono comuni quando si stampano 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 nella LFRT riducendo il taglio, sarà necessario più calore. A seconda del sistema di resina, la temperatura per la lavorazione di un composto LFRT sarà generalmente da 10 a 30°C superiore rispetto a un composto stampato in modo convenzionale.

Tuttavia, prima di aumentare semplicemente la temperatura del barile su tutta la linea, è importante notare l'inverso della distribuzione della temperatura del barile. 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 fa sì che i pellet LFRT si ammorbidiscano e si sciolgano prima di entrare nella sezione di compressione della vite ad alto taglio, facilitando il mantenimento della lunghezza delle fibre.

Un'ultima nota riguardante la lavorazione prevede l'utilizzo di materiale di riuso. La molatura di parti stampate o materozze di solito comporta una minore lunghezza delle fibre, quindi l'aggiunta di materiale di riutilizzo può influire sulla lunghezza complessiva delle fibre. 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 agli urti.