Les thermoplastiques renforcés de fibres longues (LFRT) sont utilisés pour des applications de moulage par injection à hautes propriétés mécaniques. Bien que la technologie LFRT puisse offrir de bonnes propriétés de résistance, de rigidité et d'impact, le traitement de ce matériau joue un rôle important dans la détermination de la performance de la pièce finale.
Afin de façonner avec succès LFRT, il est nécessaire de comprendre certaines de leurs caractéristiques uniques. La compréhension des différences entre la LFRT et les thermoplastiques renforcés de manière conventionnelle a conduit au développement de technologies d'équipement, de conception et de traitement pour maximiser la valeur et le potentiel de la LFRT.
La différence entre le LFRT et les composites traditionnels renforcés de fibre de verre courts et coupés réside dans la longueur des fibres. En LFRT, la longueur de la fibre est la même que la longueur de la pastille. En effet, la plupart des LFRT sont produits par pultrusion plutôt que par compoundage en cisaillement.
Dans la fabrication de LFRT, des mèches continues de stratifils de fibres de verre sont d'abord aspirées dans une filière pour le revêtement et l'imprégnation de la résine. Après la sortie de la matrice, les bandes continues sont hachées ou granulées, généralement coupées à une longueur de 10-12 mm. En revanche, les composites traditionnels à fibres de verre courtes ne contiennent que des fibres coupées de 3 à 4 mm de long et leur longueur est en outre réduite à moins de 2 mm dans les extrudeuses à cisaillement.
La longueur des fibres dans les pastilles LFRT permet d'améliorer les propriétés mécaniques du LFRT - résistance aux chocs ou ténacité accrue tout en maintenant la rigidité. Tant que les fibres sont maintenues en longueur pendant le processus de moulage, elles formeront un «squelette interne» offrant de superbes propriétés mécaniques. Cependant, un mauvais processus de moulage peut transformer des produits à fibres longues en matériaux à fibres courtes. Si la longueur de la fibre est compromise pendant le processus de moulage, il n'est pas possible d'obtenir le niveau de performance requis.
Afin de maintenir la longueur de fibre pendant le processus de moulage LFRT, il y a trois aspects importants à considérer: la machine de moulage par injection, la conception des pièces et des moules et les conditions de traitement.
Premièrement, les précautions d'équipement
Une question souvent posée au sujet du traitement LFRT est de savoir si nous pouvons utiliser l'équipement de moulage par injection existant pour façonner ces matériaux. Dans la grande majorité des cas, l'équipement pour la formation de composites de fibres discontinues peut également être utilisé pour former des LFRT. Bien que l'équipement de moulage à fibres courtes typique soit satisfaisant pour la plupart des pièces et produits LFRT, certaines modifications apportées à l'équipement peuvent aider à mieux maintenir la longueur des fibres.
Une vis universelle avec une section "alimentation-compression-dosage" typique est très appropriée pour ce procédé, et le cisaillement destructeur de fibres peut être réduit en réduisant le taux de compression de la section de dosage. Un taux de compression de 2: 1 mètre est optimal pour les produits LFRT. L'utilisation d'alliages métalliques spéciaux pour la fabrication de vis, de barils et d'autres pièces n'est pas nécessaire car l'usure des LFRT n'est pas aussi importante que celle des thermoplastiques traditionnels renforcés de fibres de verre.
Un autre dispositif qui pourrait bénéficier de la revue de conception est la pointe de la buse. Certains matériaux thermoplastiques sont plus faciles à usiner avec un embout de buse conique inversé, ce qui crée un fort degré de cisaillement lorsque le matériau est injecté dans la cavité du moule. Cependant, de tels embouts réduisent significativement la longueur de fibre des composites à fibres longues. Il est donc recommandé d'utiliser un ensemble buse / buse à fentes de conception 100% "à écoulement libre" qui permet aux fibres longues de passer facilement à travers la buse dans le composant.
En outre, le diamètre de la buse et le trou de la vanne doivent avoir une taille libre de 5,5 mm (0,250 in) ou plus, et il n'y a pas de bord tranchant. Il est important de comprendre comment le matériau traverse l'équipement de moulage par injection et de déterminer où le cisaillement va casser les fibres.
Deuxièmement, la conception de pièces et de moules
De bonnes pièces et la conception des moules sont également utiles pour maintenir la longueur des fibres de la LFRT. L'élimination des angles vifs autour d'une partie du bord (y compris les nervures, les bossages et d'autres caractéristiques) évite une contrainte inutile dans la pièce moulée et réduit l'usure des fibres.
Les pièces doivent être de conception nominale avec une épaisseur de paroi uniforme. Des changements plus importants dans l'épaisseur de la paroi peuvent entraîner un compactage irrégulier et une orientation indésirable des fibres dans la pièce. Lorsque l'épaisseur doit être plus épaisse ou plus mince, il faut éviter les changements brusques d'épaisseur de paroi pour éviter la formation de zones à fort cisaillement qui peuvent endommager les fibres et devenir la source de la concentration des contraintes. On essaie habituellement d'ouvrir la porte dans la paroi la plus épaisse et de la diriger vers la partie mince, en gardant l'extrémité de remplissage dans la partie mince.
Le principe général d'une bonne conception plastique suggère que le maintien d'une épaisseur de paroi inférieure à 4 mm (0,160 po) favorisera un écoulement uniforme et de qualité et réduira la possibilité d'éviers et de vides. Pour les composés LFRT, l'épaisseur de paroi optimale est habituellement d'environ 3 mm (0,120 pouce) et l'épaisseur minimale est de 2 mm (0,080 pouce). Lorsque l'épaisseur de la paroi est inférieure à 2 mm, la probabilité de rupture des fibres après l'entrée dans le moule augmente.
Les pièces ne sont qu'un aspect de la conception, et il est également important de considérer comment le matériau pénètre dans le moule. Lorsque les patins et les barrières guident le matériau dans la cavité, une grande quantité de fibres peut être endommagée dans ces zones si elle n'est pas correctement conçue.
Lors de la conception d'un moule pour former un composé LFRT, le rail à rayon complet est optimal avec un diamètre minimum de 5,5 mm (0,250 in). En plus du canal rond, toute autre forme de canal d'écoulement aura des angles vifs, ce qui augmentera la contrainte pendant le processus de formage et détruira l'effet de renforcement de la fibre de verre. Les systèmes à canaux chauds avec des canaux ouverts sont acceptables.
L'épaisseur minimale de la porte doit être de 2 mm (0,080 po). Si possible, placez la barrière le long d'un bord qui ne gêne pas l'écoulement du matériau dans la cavité. La porte sur la surface de la pièce devra être tournée de 90 ° pour empêcher le déclenchement de la rupture des fibres et dégrader les propriétés mécaniques.
Enfin, faites attention à l'emplacement des lignes de fusion et comment elles affectent la zone où les pièces sont soumises à la charge (ou à la contrainte) lorsqu'elles sont utilisées. La ligne de fusion devrait être déplacée vers une zone où le niveau de contrainte devrait être inférieur par une disposition rationnelle de la porte.
L'analyse de remplissage informatique peut aider à déterminer où ces lignes de fusion seront situées. L'analyse structurale par éléments finis (FEA) peut être utilisée pour comparer l'emplacement d'une contrainte élevée et l'emplacement de la ligne de confluence, tel que déterminé dans l'analyse de remplissage.
Il convient de noter que ces pièces et les modèles de moules ne sont que des recommandations. Il existe de nombreux exemples de composants qui ont des parois minces, des variations d'épaisseur de paroi et des caractéristiques fines ou fines qui utilisent des composés LFRT pour obtenir de bonnes performances. Cependant, plus ces recommandations sont éloignées, plus il faudra de temps et d'efforts pour s'assurer que tous les avantages de la technologie à fibres longues sont atteints.
Troisièmement, les conditions de traitement
Les conditions de traitement sont la clé du succès de LFRT. Tant que les conditions de traitement correctes sont utilisées, il est possible d'utiliser une machine de moulage par injection à usage général et un moule correctement conçu pour préparer les pièces LFRT. En d'autres termes, même avec un équipement et une conception de moule appropriés, la longueur des fibres peut en souffrir si de mauvaises conditions de traitement sont utilisées. Cela nécessite de comprendre ce que la fibre rencontrera pendant le processus de moulage et d'identifier les zones qui provoqueront un cisaillement excessif des fibres.
D'abord, surveillez la contre-pression. Une contre-pression élevée introduit une force de cisaillement importante sur le matériau qui réduira la longueur de la fibre. En considérant une contre-pression nulle et en l'augmentant seulement jusqu'à ce que la vis soit rétractée uniformément pendant le processus d'alimentation, il est généralement suffisant d'utiliser une contre-pression de 1,5 à 2,5 bar (20 à 50 psi).
La vitesse élevée de la vis a également un effet négatif. Plus la vis tourne vite, plus il est probable que le matériau solide et non fondu entre dans la section de compression de la vis et endommage les fibres. Semblable aux recommandations pour la contre-pression, il devrait être maintenu aussi vite que possible pour stabiliser le minimum requis pour remplir la vis. Lors du moulage de composés LFRT, des vitesses de vis de 30 à 70 tr / min sont courantes.
Dans le processus de moulage par injection, la fusion se produit à travers deux facteurs qui agissent ensemble: le cisaillement et la chaleur. Parce que le but est de protéger la longueur de la fibre dans le LFRT en réduisant le cisaillement, plus de chaleur sera nécessaire. Selon le système de résine, la température du composé LFRT traité est habituellement supérieure de 10 à 30 ° C à celle du composé moulé conventionnel.
Cependant, avant d'augmenter simplement la température du canon tout le temps, faites attention à l'inversion de la distribution de la température du canon. Normalement, la température du cylindre augmente à mesure que le matériau se déplace de la trémie à la buse, mais pour le LFRT, il est recommandé que la température soit plus élevée à la trémie. L'inversion de la distribution de température permet aux pastilles LFRT de se ramollir et de fondre avant d'entrer dans la section de compression à vis de cisaillement élevé, facilitant ainsi le maintien de la longueur de la fibre.
