Los termoplásticos reforzados con fibra larga (LFRT) se utilizan para aplicaciones de moldeo por inyección con altas propiedades mecánicas. Aunque la tecnología LFRT puede proporcionar buenas propiedades de resistencia, rigidez e impacto, el procesamiento de este material juega un papel importante en la determinación del rendimiento de la pieza final.
Para dar forma con éxito a LFRT, es necesario comprender algunas de sus características únicas. Comprender las diferencias entre LFRT y los termoplásticos reforzados convencionalmente ha impulsado el desarrollo de equipos, diseño y tecnologías de procesamiento para maximizar el valor y el potencial de LFRT.
La diferencia entre el LFRT y los compuestos tradicionales reforzados con fibra de vidrio cortada y cortada radica en la longitud de las fibras. En LFRT, la longitud de la fibra es la misma que la longitud del gránulo. Esto se debe a que la mayoría de los LFRT se producen por pultrusión en lugar de compuestos de tipo cortante.
En la fabricación de LFRT, los hilos continuos de mechas de fibra de vidrio se introducen primero en una matriz para el revestimiento y la impregnación de la resina. Después de salir del troquel, las tiras continuas se cortan o peletizan, por lo general se cortan a una longitud de 10-12 mm. Por el contrario, los compuestos de fibra de vidrio cortos tradicionales solo contienen fibras cortadas de 3 a 4 mm de largo, y su longitud se reduce aún más a menos de 2 mm en las extrusoras de tipo cortante.
La longitud de la fibra en los gránulos LFRT ayuda a mejorar las propiedades mecánicas de la LFRT: mayor resistencia al impacto o dureza a la vez que se mantiene la rigidez. Siempre que las fibras se mantengan en longitud durante el proceso de moldeo, formarán un "esqueleto interno" que proporcionará excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, un mal proceso de moldeo puede convertir los productos largos de fibra en materiales de fibra corta. Si la longitud de la fibra se ve comprometida durante el proceso de moldeo, no es posible obtener el nivel de rendimiento requerido.
Para mantener la longitud de la fibra durante el proceso de moldeo LFRT, hay tres aspectos importantes a considerar: máquina de moldeo por inyección, diseño de piezas y moldes, y condiciones de procesamiento.
Primero, precauciones del equipo
Una pregunta que a menudo se hace sobre el procesamiento de LFRT es si podemos usar el equipo de moldeo por inyección existente para darle forma a estos materiales. En la gran mayoría de los casos, el equipo para formar compuestos de fibra corta también se puede usar para formar LFRT. Aunque el equipo típico de moldeo de fibra corta es satisfactorio para la mayoría de las piezas y productos LFRT, algunas modificaciones al equipo pueden ayudar a mantener la longitud de la fibra.
Un tornillo universal con una sección típica "alimentación-compresión-medición" es muy adecuado para este proceso, y el corte destructivo de la fibra se puede reducir al reducir la relación de compresión de la sección de medición. Una relación de compresión del segmento de 2: 1 metros es óptima para los productos LFRT. El uso de aleaciones de metales especiales para la fabricación de tornillos, barriles y otras partes no es necesario porque el desgaste de LFRT no es tan grande como los termoplásticos tradicionales reforzados con fibra de vidrio picado.
Otro dispositivo que puede beneficiarse de la revisión del diseño es la punta de la boquilla. Algunos materiales termoplásticos son más fáciles de mecanizar con una punta de boquilla cónica invertida, lo que crea un alto grado de cizallamiento a medida que el material se inyecta en la cavidad del molde. Sin embargo, tales puntas de boquilla reducen significativamente la longitud de la fibra de los materiales compuestos largos de fibra. Por lo tanto, se recomienda utilizar un conjunto de boquilla / válvula de boquilla con ranuras del 100% de diseño de "flujo libre" que permita que las fibras largas pasen fácilmente a través de la boquilla en el componente.
Además, el diámetro de la boquilla y el orificio de la puerta debe tener un tamaño libre de 5.5 mm (0.250 in) o más, y no tiene un borde afilado. Es importante comprender cómo fluye el material a través del equipo de moldeo por inyección y determinar dónde romperá la cizalla las fibras.
Segundo, diseño de piezas y moldes
Las piezas buenas y el diseño del molde también son útiles para mantener la longitud de fibra de LFRT. La eliminación de las esquinas agudas alrededor de una parte del borde (incluidas las costillas, los resaltes y otras características) evita tensiones innecesarias en la pieza moldeada y reduce el desgaste de las fibras.
Las partes deben tener un diseño de pared nominal con un espesor de pared uniforme. Los cambios más grandes en el grosor de la pared pueden dar como resultado un empaquetamiento inconsistente y una orientación de fibra no deseada en la pieza. Cuando el espesor debe ser más grueso o más delgado, se deben evitar los cambios repentinos en el grosor de la pared para evitar la formación de áreas de alta cizalla que pueden dañar las fibras y convertirse en la fuente de concentración de tensión. Por lo general, se intenta abrir la puerta en la pared más gruesa y fluir a la parte delgada, manteniendo el extremo de llenado en la parte delgada.
El principio general de un buen diseño de plástico sugiere que mantener un espesor de pared de menos de 4 mm (0.160 in) promoverá un flujo bueno y uniforme y reducirá la posibilidad de sumideros y huecos. Para los compuestos LFRT, el grosor óptimo de la pared es generalmente de alrededor de 3 mm (0.120 in) y el espesor mínimo es de 2 mm (0.080 in). Cuando el espesor de la pared es inferior a 2 mm, la probabilidad de que las fibras se rompan después de entrar en el molde aumenta.
Las partes son solo un aspecto del diseño, y también es importante considerar cómo el material ingresa al molde. Cuando los corredores y las compuertas guían el material hacia la cavidad, se puede producir una gran cantidad de daño a la fibra en estas áreas si no se diseña correctamente.
Al diseñar un molde para formar un compuesto de LFRT, el corredor de radio completo es óptimo con un diámetro mínimo de 5.5 mm (0.250 in). Además del canal circular, cualquier otra forma de canal de flujo tendrá esquinas agudas, lo que aumentará la tensión durante el proceso de formación y destruirá el efecto de refuerzo de la fibra de vidrio. Los sistemas de corredor caliente con corredores abiertos son aceptables.
El espesor mínimo de la puerta debe ser de 2 mm (0.080 in). Si es posible, coloque la puerta a lo largo de un borde que no obstruya el flujo de material en la cavidad. La puerta en la superficie de la pieza deberá rotarse 90 ° para evitar el inicio de la rotura de la fibra y la degradación de las propiedades mecánicas.
Finalmente, preste atención a la ubicación de las líneas de fusión y cómo afectan el área donde las piezas están sujetas a carga (o tensión) cuando se utilizan. La línea de fusión se debe mover a un área donde se espera que el nivel de tensión sea más bajo mediante un diseño racional de la puerta.
El análisis de llenado de computadora puede ayudar a determinar dónde se ubicarán estas líneas de fusión. El análisis de elementos finitos estructurales (FEA) se puede usar para comparar la ubicación de alto estrés y la ubicación de la línea de confluencia como se determina en el análisis de llenado.
Cabe señalar que estas piezas y diseños de moldes son solo recomendaciones. Hay muchos ejemplos de componentes que tienen paredes delgadas, variaciones de espesor de pared y características finas o finas que utilizan compuestos LFRT para lograr un buen rendimiento. Sin embargo, cuanto más lejos de estas recomendaciones, más tiempo y esfuerzo se necesita para garantizar que se obtengan todos los beneficios de la tecnología de fibra larga.
En tercer lugar, las condiciones de procesamiento
Las condiciones de procesamiento son la clave del éxito de LFRT. Siempre que se utilicen las condiciones de procesamiento correctas, es posible utilizar una máquina de moldeo por inyección de uso general y un molde diseñado adecuadamente para preparar piezas de LFRT. En otras palabras, incluso con el equipo adecuado y el diseño del molde, la longitud de la fibra puede verse afectada si se utilizan malas condiciones de procesamiento. Esto requiere comprender qué se encontrará con la fibra durante el proceso de moldeo e identificar las áreas que causarán una excesiva cizalladura de la fibra.
Primero, controle la contrapresión. La alta contrapresión introduce una gran fuerza de corte en el material que reducirá la longitud de la fibra. Considerando comenzar desde una contrapresión cero y solo aumentarla hasta que el tornillo se retraiga uniformemente durante el proceso de alimentación, usar una contrapresión de 1.5 a 2.5 bar (20 a 50 psi) suele ser suficiente para obtener una alimentación constante.
La alta velocidad del tornillo también tiene un efecto adverso. Cuanto más rápido gira el tornillo, es más probable que el material sólido y no fundido entre en la sección de compresión del tornillo y cause daños a la fibra. De forma similar a las recomendaciones para la contrapresión, se debe mantener lo más rápido posible para estabilizar el mínimo requerido para llenar el tornillo. Al moldear compuestos de LFRT, las velocidades de tornillo de 30 a 70 r / min son comunes.
En el proceso de moldeo por inyección, la fusión ocurre a través de dos factores que actúan en conjunto: cizallamiento y calor. Como el objetivo es proteger la longitud de la fibra en el LFRT reduciendo la cizalla, se necesitará más calor. De acuerdo con el sistema de resina, la temperatura del compuesto de LFRT procesado es usualmente 10-30ºC mayor que la del compuesto moldeado convencional.
Sin embargo, antes de simplemente elevar la temperatura del barril todo el tiempo, preste atención a la inversión de la distribución de temperatura del barril. Normalmente, la temperatura del barril aumenta a medida que el material se mueve desde la tolva a la boquilla, pero para el LFRT se recomienda que la temperatura sea más alta en la tolva. La inversión de la distribución de la temperatura permite que los gránulos de LFRT se ablanden y fundan antes de entrar en la sección de compresión del tornillo de alta cizalladura, lo que facilita la retención de la longitud de la fibra.
