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为什么材料科学是零件相互作用的关键

2021-11-12 阅读 1357

如果用错误的材料制造,即使是设计完美的注塑件也可能会失败,而且有数百种热塑性塑料和弹性体可供选择,因此通常很难知道哪些材料能满足应用要求。这就是为什么在选择注塑材料时,必须仔细考虑许多因素,如机械强度、耐化学和紫外线、润滑性、耐磨性等。


对于注塑成型零件,这种情况变得更具挑战性,这种情况下,设计师不仅必须更严格地遵守既定的成型原则,而且还必须确保所选材料之间的化学和物理键既牢固又永久。本文讨论了材料兼容性、附着力和摩擦学三个关键领域,设计师在设计模制零件时应了解这些领域。


摩擦磨损


让我们从一个在制造业不常听到的术语开始。摩擦学是研究相对运动的两个表面之间的摩擦和磨损。例如,它涉及卡扣容器的联锁夹和卡舌之间的交互作用。研究零件摩擦学的工程师可能不太关心注塑成型电动工具手柄所需的化学和机械键(因为它们不会相互滑动,假设设计是合理的),而更关心注塑成型材料本身的手感和可抓握性。



这些一起运动的塑料齿轮显示了零件设计如何受到彼此相互作用的表面之间发生的摩擦和磨损的影响,这是为模制零件选择材料时要考虑的重要因素。


在卡扣式卡夹示例中,HDPE等耐磨聚合物可能是一个不错的选择,但相对润滑的材料,如缩醛也可能是一个候选材料。这两种材料都有其独特的优点,应在开发过程的早期仔细权衡。然而,产品设计本身也可以发挥巨大的摩擦学因素。相互作用的表面应该是光滑的,以免在粗糙表面上发现的微型峰谷因反复使用而被卡住和脱落。


用于制造零件的方法也起到了一定的作用。在夹子示例中,它可以很容易地扩展到具有配合或互锁表面的任何数量的塑料零件,机加工表面与3D打印表面不同,注塑表面也不同(并且可能比两者更平滑)。当零件交互是一个设计问题时,在设计最开始之前,应仔细分析和测试这些和其他零件特性。


材料相容性


很少有人会说注塑成型是自快速旋转注塑模具以来,发生在塑料零件上最酷的事情之一。这是一个很好的选择,无论是在结构核心、仪器手柄、手持电子设备外壳或出于美观原因需要多种颜色的地方,都需要柔软材料。网上有大量关于注塑成型工艺设计的信息,讨论了两种相邻材料之间是否需要良好的机械结合以及化学相容性。


好消息是,有许多化学相容材料可用。例如,101-87 TPV,这是一种坚硬的黑色热塑性硫化橡胶,与聚丙烯形成强大的化学键,使其适合各种汽车和消费应用。TPC Hytrel 3078是一种耐热耐化学性的热塑性弹性体,与ABS、聚碳酸酯等材料配合得很好。TPE Versaflex OM 1040X-1经常用于医疗部件,它也能与ABS和聚碳酸酯良好结合。另一方面,尼龙由于其吸湿性,是较难注塑成型的基材之一,尽管它在各种应用中仍然是一种受欢迎的材料。


附着力


然而,零件设计会对注塑成型零件的附着力水平产生显著影响。基板和覆盖层之间的过渡应是突然的,以避免羽化或变薄,考虑使用凹槽或肩部来创建清晰的截止点。通过将关闭阀放置在能够为柔软、粘稠且流动性强的热塑性弹性体(TPE)创建硬止动块的位置,可以消除卷曲和潜在撕裂点。使用太薄的覆盖层,如厚度小于1/16英寸,则材料可能会因冷却过快而无法正确粘合。长厚比可能导致类似问题。



左图以灰色显示基材,以蓝色显示 TPE 和潜在卷曲。在右侧,基材为灰色,TPE 为黄色,图中所示为关闭 TPE。


另外,在注塑成型时要注意这两种材料独特的热特性。您可能会选择液体硅橡胶(LSR),因为它具有优异的耐热性和耐化学性、低温柔韧性和固有的润滑性,但请记住,LSR在300至400华氏度的温度下固化,对于ABS、聚乙烯、聚丙烯和许多其他热塑性塑料来说,温度过高,无法生存。通风也很重要,因为在通风不当的模具中,可能会发生燃烧、粘附力不足和不完全的型腔填充短发。


遵守设计指南


例子不胜枚举,可能的聚合物组合几乎无穷无尽。这就是为什么在设计过程的早期,与了解聚合物附着力和化学相容性的人进行核实非常重要,以验证您选择的材料能够很好地配合,鉴于您当前的设计,零件或注塑成型组件是可模塑的,材料的摩擦性能良好,也就是说,对于产品而言,材料足够光滑、足够耐磨或足够粘性。


使用添加剂含量高的塑料可能有助于达到产品要求,但也可能意味着在产品设计上花费更多的时间;随着塑料添加剂的增加,可塑性的“最佳点”变得越来越小,仅在高复杂度零件上更具挑战性。


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