Анизотропия усадки

Анизотропия усадки — явление неравномерного линейного уменьшения размеров полимерной отливки в зависимости от направления измерения относительно вектора течения расплава, обусловленное молекулярной ориентацией, возникающей в процессе литья под давлением. Согласно ГОСТ 18616-80, анизотропия усадки Sa численно определяется как отношение поперечной усадки к продольной: $S_a=S_\perp/S_\parallel$. Этот параметр непосредственно определяет вероятность коробления готового изделия и является одним из ключевых при проектировании оформляющих элементов деталей пресс-форм.

Технические характеристики

Параметр описывается через пару взаимосвязанных величин — продольной и поперечной усадки — и регламентируется стандартами ГОСТ 18616-80, ASTM D955-08 и ИСО 294-4:2001.

Продольная усадка $S_\parallel$: усадка в направлении течения расплава; для ненаполненного ПП составляет 1,2–1,8%; для ПЭ-ВП — 1,5–3,0%
Поперечная усадка $S_\perp$: усадка перпендикулярно вектору течения; как правило, превышает продольную на 30–80% у аморфных термопластов и на 100–200% у кристаллизующихся (ПП, ПЭ-ВП, ПА)
Коэффициент анизотропии: для ненаполненных кристаллизующихся полимеров $S_a$ достигает 1,5–2,5; для АБС и ПК — 1,1–1,4 (практически изотропная усадка)
Усадка по толщине стенки $S_{th}$: свободная, не затормаживается знаками пресс-формы; превышает продольную и поперечную в 2–4 раза, что особенно критично для изделий с толщиной стенки более 2,5 мм
Метод измерения: на образцах-пластинах 60×60 мм (ГОСТ 18616-80) с торцевым впуском; замер — не ранее чем через 24 часа после извлечения из формы, при полной стабилизации пост-усадки
Прогнозирование: CAE-моделирование в Moldflow/Moldex3D по методу «остаточных напряжений» — точность прогноза для ненаполненного ПП составляет ±8% по продольной и ±23% по поперечной составляющей

Промышленное применение

В производстве колпаков для аэрозольных баллонов (d 32, d 65) анизотропия усадки определяет геометрическое качество посадочного буртика — кольцевого элемента, обеспечивающего плотную насадку на сферическое или конусообразное плечо баллона. При высокой анизотропии усадки ненаполненного ПП круглое в плоскости пресс-формы отверстие приобретает после охлаждения эллипсовидную форму: диаметр в продольном направлении отклоняется от номинала иначе, чем в поперечном. Отклонение посадочного диаметра уже на 0,10–0,15 мм сверх допуска приводит к застреванию колпаков в вибробункере подачи автоматической укупорочной линии, стоимость одной минуты простоя которой составляет 3 000–8 000 руб.

В секторе компонентов для профессиональной монтажной пены — аппликаторов и крест-колец — особое значение приобретает межпартийная нестабильность анизотропии: межпартийный разброс ПТР полипропиленового сырья до 1,5 г/10 мин меняет вязкость расплава и, следовательно, интенсивность молекулярной ориентации, что непосредственно сдвигает соотношение продольной и поперечной усадок. Для компонентов с допуском на критический размер ±0,05 мм это означает, что технологический режим, выставленный на первой партии сырья, не гарантирует попадание в допуск на следующей. Выходом является привязка карты технологического режима не к маркировке артикула сырья, а к фактически замеренному ПТР каждой входящей партии.

Для декоративных спрей-колпаков бытовой химии, заполняемых через несколько впускных каналов одновременно, анизотропия усадки управляется геометрией литниковой системы: применение трёх и более симметрично расположённых впусков при условии синхронного прихода фронтов расплава принудительно выравнивает продольную и поперечную составляющие усадки, снижая $S_a$ до значений, близких к 1,0.

Плюсы и минусы

Преимущества управления анизотропией усадки:

Устранение коробления и эллипсности посадочных отверстий — главного источника остановок автоматических линий укупорки
Снижение остаточных напряжений в изделии, повышающее стойкость к химическому растрескиванию при контакте с агрессивными пропеллентами и формулами автохимии
Возможность прецизионного расчёта исполнительных размеров оформляющих элементов с раздельными поправками на продольное и поперечное направления, что сокращает количество дорогостоящих итерационных доработок пресс-формы
Данные CAE-прогнозирования анизотропии применимы для поиска оптимального расположения впуска ещё на стадии НИОКР — до изготовления стальной оснастки

Ограничения и риски:

Высокая анизотропия кристаллизующихся ненаполненных полимеров (ПП, ПЭ-ВП) не может быть полностью устранена технологическими параметрами — только конструктивными решениями литниковой системы
Стандартные паспортные значения усадки, публикуемые поставщиками сырья, нормированы на образец толщиной 2–3,2 мм и не содержат раздельных данных по продольной и поперечной составляющим, что делает их недостаточными для проектирования реальных деталей
CAPEX на CAE-верификацию анизотропии оправдан лишь при гнездовом объёме от 4 гнёзд и тиражах свыше 500 000 ед./год; для мелкосерийных заказов экономически целесообразен эмпирический метод с прототипной пресс-формой
Введение волокнистых наполнителей (например, 30% стекловолокна) радикально перераспределяет анизотропию усадки: продольная составляющая резко падает из-за ориентации волокон, тогда как поперечная возрастает — итоговый $S_a$ может инвертироваться по сравнению с ненаполненной матрицей

Совет старшего инженера ООО «АЭРОПЛАСТ»

Наиболее распространённая ошибка при запуске новой пресс-формы под колпак с посадочным буртиком — закладывать единое значение усадки на все диаметральные размеры, игнорируя вектор течения расплава относительно каждого конкретного диаметра. Результатом становится систематическое отклонение посадочного буртика по одной из осей при точном попадании по другой, что квалифицируется приёмочным контролем заказчика как брак по эллипсности.

На производственном комплексе ООО «АЭРОПЛАСТ» при работе на электрических ТПА JSW применяется практика раздельного нормирования усадок: при расчёте исполнительных размеров оформляющих элементов диаметр вала пресс-формы рассчитывается по максимальной усадке, а диаметр отверстия — по минимальной, с учётом полей рассеяния обеих составляющих. Это позволяет при первом же испытании формы получить размеры в допуске, исключая итерационную доработку и связанное с ней сокращение ресурса стальной оснастки. Использование электрического привода ТПА обеспечивает межцикловую повторяемость давления выдержки с точностью до ±0,5 МПа, что принципиально сужает поле рассеяния усадки по сравнению с гидравлическими машинами, у которых нестабильность давления масла непосредственно транслируется в нестабильность уплотнения расплава в полости.

Дополнительный нюанс: при смене партии сырья рекомендуется верифицировать соотношение $S_\parallel/S_\perp$ на тестовой отливке, а не только среднее значение усадки. На практике ПТР двух партий одного артикула ПП могут совпадать в пределах спецификации, тогда как молекулярно-массовое распределение, влияющее на эластичность расплава и, следовательно, на интенсивность молекулярной ориентации, может существенно различаться.

Вопросы и ответы по теме

Почему колпаки из ПП после извлечения из пресс-формы имеют правильный размер, но через сутки посадочный буртик выходит за допуск?

Причина — пост-усадка: ориентационные напряжения, замороженные в изделии, релаксируют в течение 10–30 часов. Измерение необходимо проводить не ранее чем через 24 часа после литья при комнатной температуре.