Усадка пластика: откуда берётся и почему деталь не совпадает с чертежом
Конструктор сдаёт чертёж с размерами. Технолог закладывает эти размеры в пресс-форму. Первые детали выходят – и не совпадают с чертежом. Размеры уплыли на десятые доли или целые миллиметры. Начинается выяснение: кто виноват – конструктор, технолог, производитель формы.
Виновата усадка. Точнее – недостаточное понимание усадки на этапе проектирования.
Почему пластик уменьшается при охлаждении
Термопласт при литье проходит через несколько состояний. В бункере – гранулы при комнатной температуре. В цилиндре термопластавтомата – расплав при 200-320°C в зависимости от материала. В полости формы – расплав под давлением, который начинает охлаждаться. На выходе – твёрдая деталь при комнатной температуре.
При нагреве материал расширяется. При охлаждении – сжимается. Это базовая термодинамика, и пластик здесь не исключение. Но у термопластов есть особенность, которая делает усадку значительно сложнее, чем простое тепловое сжатие.
Большинство технических термопластов – кристаллические или полукристаллические полимеры. При охлаждении расплава молекулярные цепи частично упорядочиваются в кристаллические структуры. Этот процесс кристаллизации сопровождается дополнительным объёмным сжатием – поверх обычного теплового. Именно поэтому кристаллические полимеры дают значительно большую усадку, чем аморфные.
Полипропилен, полиамид, полиэтилен, полиацеталь – кристаллические. Усадка 1,5-3% и выше. АБС, поликарбонат, полистирол – аморфные. Усадка 0,4-0,8%. Разница принципиальная – и она напрямую влияет на то, как проектируется пресс-форма.
Усадка – не число, а диапазон
В справочниках и технических листах производителей материала указывается усадка в виде диапазона: например, 1,5-2,5% для полипропилена. Это не погрешность измерения и не маркетинговая неточность – это реальный разброс, который зависит от множества факторов.
Толщина стенки
Тонкие стенки охлаждаются быстрее, кристаллизация менее полная, усадка меньше. Толстые стенки охлаждаются медленнее, кристаллизация более полная, усадка больше. Деталь с переменной толщиной стенки будет иметь разную усадку в разных сечениях – и это основная причина коробления.
Давление в полости
Чем выше давление выдержки после заполнения полости, тем больше материала упаковывается в полость, тем меньше итоговая усадка. Давление выдержки – один из ключевых технологических параметров, которым управляет оператор. Изменение этого параметра меняет размеры детали. Это означает, что деталь, откалиброванная на одном ТПА при одних настройках, может выйти другого размера на другом ТПА или при изменении техпроцесса.
Температура формы
Горячая форма охлаждает деталь медленнее – кристаллизация более полная, усадка выше. Холодная форма – быстрее охлаждает, кристаллизация менее полная, усадка ниже. При этом холодная форма часто даёт худшее качество поверхности для кристаллических полимеров: быстрое охлаждение «замораживает» поверхностный слой раньше, чем он успевает сформироваться.
Направление течения расплава
Усадка анизотропна – она разная вдоль и поперёк направления течения расплава в полости. Молекулярные цепи ориентируются вдоль течения при заполнении, и усадка вдоль этой ориентации отличается от усадки поперёк неё. Для наполненных материалов – стекловолокно, минеральные наполнители – этот эффект значительно сильнее: волокна ориентируются вдоль течения и существенно ограничивают усадку в этом направлении, но не ограничивают поперечную.
Расположение литника
Место и тип впуска определяют, как расплав заполняет полость, где возникают линии спая, как ориентируются молекулы и наполнитель. Всё это влияет на локальную усадку в разных зонах детали. Деталь, спроектированная с одним расположением литника, но изготовленная с другим, получит другое распределение усадки – и другую геометрию.
Как усадка закладывается в пресс-форму
Полость пресс-формы всегда больше детали – на величину усадки. Если деталь должна иметь размер 100 мм, а усадка материала 2%, полость делается 102 мм. Кажется просто, но на практике это сложнее.
Усадка разная в разных направлениях и разных зонах детали. Нельзя просто умножить все размеры на коэффициент и получить размеры полости. Нужно анализировать, как течёт расплав, где возникают зоны повышенного давления, где стенки тонкие, а где толстые.
Усадка для конкретного материала в конкретных условиях – это результат опыта работы с этим материалом и подобными деталями. Справочное значение – отправная точка, а не готовый ответ. Производитель материала даёт диапазон. Технолог по опыту берёт конкретное значение внутри диапазона, исходя из конфигурации детали, типа формы и параметров литья.
Первые детали с новой формы всегда требуют замеров и корректировки. Это нормально – не ошибка проектирования, а неизбежный этап отладки. Вопрос в том, насколько велики отклонения и в какую сторону. Форму можно только дорабатывать в сторону уменьшения полости – доработать металл проще, чем добавить его обратно. Поэтому технологически грамотное решение – закладывать усадку чуть меньше расчётной по критическим размерам, получать деталь немного больше нужной и затем дорабатывать форму до нужного размера.
Деталь продолжает меняться после выхода из формы
Деталь выходит из формы – но усадка на этом не заканчивается. Часть усадки происходит уже после выталкивания, при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры. Для большинства материалов этот процесс завершается в течение нескольких часов.
Но кристаллические полимеры, особенно полиамид, продолжают изменять размеры ещё дольше – в течение суток и более. Полиамид к тому же гигроскопичен: он поглощает влагу из воздуха, и это поглощение сопровождается дополнительным изменением размеров. Деталь из PA6, измеренная сразу после литья в сухом состоянии, будет иметь другие размеры через 24 часа при нормальной влажности воздуха.
Это означает, что контрольные замеры деталей нужно делать в стандартизированных условиях – через определённое время после литья, при определённой температуре и влажности. Замер «только что из формы» и замер «через сутки в нормальных условиях» дадут разные результаты для кристаллических полимеров.
Откуда берётся коробление
Коробление – это деформация детали, вызванная неравномерной усадкой в разных зонах. Зоны с большей усадкой «тянут» деталь, зоны с меньшей усадкой сопротивляются. Результат – деталь выходит из формы плоской, а через несколько минут начинает выгибаться.
Основные причины неравномерной усадки – переменная толщина стенки, несбалансированное охлаждение, несимметричное заполнение полости. Плоская тонкостенная деталь из кристаллического полимера с литником с одного края – классический кандидат на коробление: расплав течёт от литника к дальнему краю, фронт течения охлаждается по дороге, давление выдержки в дальних зонах ниже, усадка там больше.
Решается коробление на этапе проектирования детали – правильной толщиной стенки, рёбрами жёсткости, симметрией конструкции. И на этапе проектирования формы – расположением литника, системой охлаждения, иногда применением инструментов компьютерного моделирования течения расплава (Moldflow и аналоги), которые позволяют предсказать коробление до изготовления формы.
Исправить коробление на готовой форме значительно сложнее и дороже, чем предотвратить его при проектировании.
Почему это важно знать конструктору, а не только технологу
Усадка – это не проблема производства, которую технолог решает сам. Это свойство материала, которое влияет на конструкцию детали с самого начала.
Если деталь имеет жёсткие допуски по нескольким сопряжённым размерам – конструктор должен понимать, что не все эти допуски одинаково достижимы в литье. Размеры вдоль направления течения расплава и поперёк него дадут разную точность. Тонкостенные и толстостенные зоны дадут разную усадку. Размер, который в металле выдерживается с допуском ±0,05 мм, в пластике при несимметричной усадке может давать разброс ±0,2 мм и более.
Это не означает, что литьё не позволяет получать точные детали. Означает, что точность в литье – результат правильного проектирования детали под технологию, а не простого переноса металлического чертежа в пластик с заменой материала.
Конструктор, который понимает усадку, проектирует иначе: избегает переменных толщин там, где это некритично, располагает критичные размеры симметрично относительно литника, закладывает допуски с учётом реальных возможностей процесса. Такая деталь с первого запуска даёт меньше проблем – и меньше итераций при доработке формы.
