Al diseñar piezas de plástico, inevitablemente nos encontramos con defectos de deformación.
Entonces, ¿cómo solucionar la deformación?
Primero, debemos entender el mecanismo de deformación, es decir, por qué se deforman las piezas de plástico.
Con base en esta comprensión, podemos abordar el problema de manera sistemática, estructural y lógica desde cuatro aspectos: materiales plásticos, diseño de piezas de plástico, estructura del molde y procesos de moldeo.
Por supuesto, en el caso de la deformación de piezas de plástico, la prevención es más importante que la corrección. Debemos optimizar los cuatro aspectos anteriores antes de que se produzca realmente la deformación. Esperar hasta que se produzca la deformación para resolverlo generará complicaciones importantes.
• Deformación general : provoca espacios en la apariencia inconsistentes y diferencias en los pasos, lo que afecta la estética del producto. Los consumidores pueden percibir el producto como de baja calidad y abandonar la compra.
• Deformación severa : afecta el ensamblaje del producto e incluso afecta la funcionalidad, el rendimiento y la confiabilidad del producto.
▲ La deformación del cabezal de la tina frontal en las lavadoras de tambor provoca una tensión excesiva entre el anillo de sellado y la tina interior de acero inoxidable, lo que provoca desgaste y graves problemas de confiabilidad.
La razón fundamental de la deformación de las piezas de plástico radica en la contracción desigual del plástico.
▲ Simulación de contracción desigual en software CAE
Si una pieza de plástico se contrae uniformemente en todas las direcciones durante el moldeo por inyección, sus dimensiones disminuirán proporcionalmente manteniendo la forma correcta: no se produce deformación.
Sin embargo, si la contracción en alguna dirección difiere de las demás, se genera tensión interna. Cuando esta tensión interna excede la propia resistencia de la pieza de plástico, la pieza se deformará después de la expulsión.
Antes de explorar la contracción desigual, debemos comprender la contracción del material plástico.
Para ello, analizamos la estructura molecular de los materiales plásticos y los cambios que sufren durante su fusión y enfriamiento.
Para la mayoría de los materiales plásticos, sus características de fusión y enfriamiento dependen del tipo de material y de si se agregan rellenos o fibras de vidrio.
Los plásticos amorfos son aquellos en los que las moléculas están dispuestas al azar en lugar de en una estructura cristalina.
Los plásticos amorfos comunes incluyen ABS, PC, PMMA y PPO. Sus moléculas permanecen dispuestas aleatoriamente tanto en estado fundido como sólido.
Cuando los plásticos amorfos se funden, las fuerzas entre las moléculas se debilitan, permitiendo el movimiento molecular. Además, las fuerzas de corte (similares a la fricción) durante el llenado estiran las moléculas, alineándolas con la dirección del flujo de fusión.
Cuando se detiene el flujo de fusión, las moléculas se relajan y vuelven a su estado aleatorio original. Las fuerzas intermoleculares acercan las moléculas hasta que la temperatura desciende lo suficiente para la solidificación.
Estas fuerzas provocan una contracción uniforme, pero el efecto de relajación da como resultado una mayor contracción a lo largo de la dirección del flujo de fusión.
Los plásticos semicristalinos son aquellos en los que algunas moléculas forman una estructura cristalina regular en estado sólido; esta porción cristalina tiene mayor densidad y empaquetamiento más apretado. Los plásticos semicristalinos comunes incluyen PBT, PA, POM, PPS y PEEK.
Cuando los plásticos semicristalinos se funden, las porciones cristalinas se aflojan y las moléculas se alinean con la dirección del flujo de fusión, de manera similar a los plásticos amorfos. Sin embargo, durante el enfriamiento, estas moléculas no se relajan.
En cambio, mantienen la alineación con la dirección del flujo de fusión y comienzan a cristalizar, lo que aumenta significativamente la tasa de contracción. El efecto de relajación provoca una contracción mucho mayor a lo largo de la dirección del flujo de fusión que en la dirección perpendicular.
Los plásticos semicristalinos tienen tasas generales de contracción más altas y exhiben diferentes comportamientos de contracción paralelos y perpendiculares a la dirección del flujo de fusión, lo que complica el problema. Esta complejidad se ve exacerbada aún más por los cambios en la cristalinidad causados por ajustes en los parámetros del proceso de moldeo por inyección. Un enfriamiento más lento del plástico aumenta tanto la cristalinidad como la tasa de contracción.
A menudo se añaden fibras de vidrio a los plásticos para mejorar la resistencia mecánica u otras propiedades. Cuando se incorporan, pueden contrarrestar la contracción causada por la orientación molecular mencionada anteriormente.
Las fibras de vidrio no se expanden ni contraen con los cambios de temperatura. Por lo tanto, reducen significativamente la contracción plástica a lo largo de la dirección del flujo de fusión.
▲ Tasa de contracción del PP sin relleno
La contracción desigual se debe principalmente a cinco factores:
Al comienzo del llenado, la presión de corte orienta las moléculas de plástico. Cuando se detiene el llenado, el plástico fundido permanece a alta temperatura, la fuerza de corte se disipa y la orientación se relaja (la orientación solo se conserva si el corte y la solidificación ocurren simultáneamente).
Para los plásticos amorfos, la relajación de la orientación da como resultado una mayor contracción paralela a la dirección del flujo de fusión.
Para los plásticos reforzados con fibra de vidrio, la contracción es mayor perpendicular a la dirección del flujo de fusión. Esto se debe a que la porción cristalina de las moléculas se alinea con la dirección del flujo de fusión y la cristalización ocurre perpendicular a esta dirección.
▲ Orientación molecular de plásticos reforzados y sin carga.
Cuando la pieza de plástico está en el molde, la estructura del molde restringe la contracción en la dirección plana pero la permite en la dirección del espesor.
Esto tiene dos efectos: primero, la contracción es mayor en la dirección del espesor; en segundo lugar, la tensión interna residual se acumula en la dirección plana.
Después de la expulsión, sin restricciones del molde, la pieza continúa enfriándose y la liberación de tensión provoca deformación.
Las temperaturas más altas del molde y las velocidades de enfriamiento más lentas dan como resultado una mayor liberación de tensión.
El impacto de las restricciones de la estructura del molde varía según el material plástico: los materiales con una liberación lenta de tensiones exhiben una mayor contracción lineal, mientras que aquellos con una liberación rápida de tensiones muestran una contracción lineal más pequeña.
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