Accent pe distribuţia lungimii fibrelor şi orientarea acestora — fibre scurte, impact major asupra proprietăţilor componentelor
Turnarea prin injecție este cel mai potrivit proces de fabricație pentru producerea în masă a componentelor cu geometrii complexe. Atunci când aceste componente trebuie să îndeplinească cerințe mecanice și/sau termice ridicate, materialele termoplastice utilizate sunt aproape întotdeauna ranforsate cu fibre. Pe lângă fibrele de sticlă, sunt folosite într-o anumită măsură și fibrele de carbon. În ambele cazuri, se utilizează granule cu fibre scurte sau lungi, fiecare tip impunând cerințe diferite în ceea ce privește proiectarea piesei, proiectarea matriței și controlul procesului.
În cazul componentelor ranforsate cu fibre, orientarea fibrelor este principalul factor care influențează contracția și deformarea piesei.
- Histogramă cu suprapunerea unei distribuții tipice a lungimii fibrelor pentru componente ranforsate cu fibre de sticlă scurte și lungi
Previzionarea simulată a contracției și deformării, precum și a proprietăților mecanice, este complexă, deoarece orientarea fibrelor depinde de geometria piesei și de distribuția lungimii fibrelor. În plus, fibrele sunt prezente în componentă în straturi (de exemplu, straturi de suprafață sau de miez), în care lungimile și orientările variază. Toți acești factori se influențează reciproc și pot varia semnificativ în funcție de poziția în piesă.
Simulările – în special în cazul termoplasticelor ranforsate cu fibre – oferă adesea un grad de incertitudine a rezultatelor. Orientarea fibrelor calculată în simulare indică doar direcția principală locală. Cu suficientă experiență în simulare, această informație poate fi de ajuns pentru optimizarea deformării prin ajustarea geometriei piesei și/sau a poziției canalelor de injecție. De asemenea, predicția liniilor de sudură este valoroasă, deoarece acestea reprezintă puncte cu rezistență scăzută în materialele ranforsate cu fibre. În funcție de tipul de termoplastic și de lungimea fibrelor, rezistența liniilor de sudură poate fi uneori sub 50% față de valorile de rezistență la tracțiune menționate în fișele tehnice.
Pentru o proiectare fiabilă și completă a componentelor structurale ranforsate cu fibre, este recomandat să se efectueze caracterizări suplimentare pe lângă simularea reologică. Unele dintre aceste investigații pot fi realizate încă din faza de dezvoltare a piesei, altele atunci când componenta este deja produsă, pentru optimizarea cât mai precisă a detaliilor (de exemplu, geometrie, alimentare sau parametri de proces).
Informații valoroase pot fi obținute prin determinarea distribuției locale a lungimii fibrelor și a orientării acestora. Aceste date permit evaluarea realistă a potențialului piesei, realizarea unor simulări mecanice mult mai precise și optimizarea procesului de turnare prin injecție.
Distribuţia lungimii fibrelor
Programele software moderne, combinate cu sisteme de achiziție a imaginii bazate pe scanare, pot evalua eficient cantități mari de fibre. Detectarea fibrelor lungi, îndoite și/sau încrucișate este acum posibilă. Odată ce scanarea fibrelor este disponibilă, analiza grafică și numerică poate fi realizată în doar câteva minute. Informațiile obținute – sub formă de histograme ale lungimii fibrelor, lungimi medii și lungimi de fibre corespunzătoare anumitor cuantile* – permit optimizarea parametrilor de procesare (de exemplu, plastifiere, injectare și compactare), a matriței (de exemplu, proiectarea canalului de injecție sau a duzelor) și a fluxului de material topit în matriță (de exemplu, tranziții de geometrie, lungimi ale traseului de curgere, injectare secvențială), astfel încât fibrele să fie transferate în piesă cu deteriorare minimă.
- Software „FiVer” pentru analiza lungimii fibrelor, cu fibre detectate și codate cromatic.
Software-ul FiVer s-a impus ca un instrument extrem de eficient în acest sens și este considerat standard de către majoritatea producătorilor de materii prime, procesatori și institute de cercetare.
Dacă lungimea fibrei este cunoscută, de obicei se pot stabili corelații cu proprietățile componentelor. În exemplul următor, acest lucru a fost realizat pentru rezistența la tracțiune a unei componente PP-LGF.
- Dependența rezistenței la tracțiune de lungimea fibrei
Orientarea fibrelor
Simulările reologice oferă o primă imagine a orientării medii a fibrelor în componentă și pe secțiunea transversală. Cu ajutorul scanărilor CT de înaltă rezoluție, este posibilă vizualizarea și descrierea numerică a orientării reale a fibrelor în poziții bine definite ale piesei. Pentru fiecare fibră identificată, se poate determina orientarea acesteia în raport cu direcția de curgere a masei topite.
Imaginea de mai jos prezintă o epruvetă de testare special concepută pentru caracterizarea materialelor armate cu fibre (lungi): barele pentru testarea la tracțiune sunt injectate direct, fiind utilizate pentru determinarea valorilor caracteristice din fișele tehnice. De asemenea, sunt incluse bare de tracțiune cu linie de sudură și o zonă mai mare din care se pot preleva epruvete orientate în direcții diferite față de calea de curgere.
- Epruvete pentru materiale termoplastice ranforsate cu fibre, cu marcaje pentru pozițiile de prelevare în vederea analizei CT.
Concluzie
Distribuția lungimii fibrelor și orientarea acestora în componentă pot fi influențate semnificativ prin proiectarea piesei, a matriței și prin controlul procesului – în special în cazul peletelor cu fibre lungi. Simulările reologice reprezintă baza pentru predicția comportamentului componentelor și pentru optimizarea sculelor. Testele pe materiale, realizate pe epruvete corespunzătoare, contribuie esențial la determinarea realistă a proprietăților anisotrope. Cunoașterea distribuției reale, locale, a lungimii și orientării fibrelor permite simulări mecanice mai precise și o predicție mai bună a comportamentului la oboseală al componentelor.
Pentru mai multe informații puteți accesa site-ul https://www.skz.de/en/fiver sau puteți vizita SKZ – German Plastics Center la standul G09 din Hala 10, în cadrul K 2025.
