Les thermoplastiques renforcés de fibres longues (LFRT) sont utilisés pour les applications de moulage par injection avec des propriétés mécaniques élevées. Bien que la technologie LFRT puisse fournir de bonnes propriétés de résistance, de rigidité et d'impact, la méthode de traitement de ce matériau joue un rôle important dans la détermination des propriétés pouvant être obtenues dans la pièce finale.

Afin de mouler avec succès les LFRT, il est nécessaire de comprendre certaines de leurs caractéristiques uniques. La compréhension des différences entre les LFRT et les thermoplastiques renforcés conventionnels a conduit au développement d'équipements, de conception et de techniques de traitement pour maximiser la valeur et le potentiel des LFRT.

La différence entre le LFRT et les composés conventionnels renforcés de fibres de verre courtes à coupe courte est la longueur des fibres. Dans le LFRT, la longueur des fibres est la même que la longueur des granulés. Cela est dû au fait que la plupart des LFRT sont produits par un procédé de moulage par pultrusion plutôt que par un mélange de type cisaillement.

Dans la fabrication LFRT, des brins continus de mèches non torsadées en fibre de verre sont d'abord tirés dans une filière pour le revêtement et l'imprégnation de résine, et après avoir quitté la filière, cette bande continue de plastique renforcé est raccourcie ou granulée, généralement à une longueur de 10 à 12 mm. En revanche, les composés de fibres de verre courtes conventionnels ne contiennent que des fibres coupées courtes de 3 à 4 mm de long, qui sont en outre réduites à généralement moins de 2 mm dans les extrudeuses de type cisaillement.

La longueur des fibres des granulés LFRT contribue à améliorer les propriétés mécaniques du LFRT - une résistance ou une ténacité accrue aux chocs - tout en maintenant la rigidité. Tant que les fibres conservent leur longueur pendant le processus de moulage, elles forment un "squelette interne" qui offre de superbes propriétés mécaniques. Cependant, un processus de moulage médiocre peut transformer un produit à fibres longues en un matériau à fibres courtes. Si la longueur des fibres est compromise pendant le processus de moulage, il n'est pas possible d'atteindre le niveau de performance souhaité.

Afin de maintenir la longueur des fibres pendant le processus de moulage LFRT, trois aspects importants doivent être pris en compte : la machine de moulage par injection, la conception de la pièce et du moule et les conditions de traitement.

I. Considérations d'équipement

Une question fréquemment posée sur le traitement LFRT est de savoir s'il nous est possible d'utiliser l'équipement de moulage par injection existant pour mouler ces matériaux. Dans la plupart des cas, l'équipement utilisé pour mouler les composés à fibres courtes peut également être utilisé pour mouler le LFRT, et bien que l'équipement de moulage à fibres courtes typique soit adéquat pour la plupart des pièces et produits LFRT, certaines modifications de l'équipement peuvent être apportées pour mieux aider à maintenir la longueur des fibres. .

Une vis à usage général avec une section "alimentation-compression-dosage" typique est bien adaptée à ce processus, et en réduisant le taux de compression dans la section de dosage, le cisaillement destructif des fibres peut être réduit. Un taux de compression de la section de mesure d'environ 2:1 est optimal pour les produits LFRT. Il n'est pas nécessaire de fabriquer des vis, des barillets et d'autres composants à partir d'alliages métalliques spéciaux car le LFRT ne subit pas autant d'usure que les thermoplastiques renforcés de fibres de verre à coupe courte traditionnels.

Une autre pièce d'équipement qui pourrait bénéficier d'un examen de conception est la pointe de la buse. Certains matériaux thermoplastiques sont plus faciles à traiter avec une pointe de buse conique inversée qui crée un degré élevé de cisaillement lorsque le matériau est injecté dans la cavité du moule. Cependant, cette pointe de buse peut réduire considérablement la longueur des fibres des composites à fibres longues. Il est donc recommandé d'utiliser un ensemble pointe de buse fendue/soupape avec une conception 100 % « free flow », qui permet aux fibres longues de passer facilement à travers la buse dans la pièce.

De plus, les trous de la buse et de la porte doivent avoir un diamètre généreux de 5,5 mm (0,250 po) ou plus et ne pas avoir d'arêtes vives. Il est important de comprendre comment le matériau s'écoule à travers l'équipement de moulage par injection et de déterminer où le cisaillement cassera les fibres.

II. Conception des composants et des moules

Une bonne conception des pièces et des moules peut également être très bénéfique pour maintenir la longueur des fibres du LFRT. L'élimination des angles vifs autour de certains bords (y compris les lignes de nervures, les languettes et d'autres caractéristiques) évite les contraintes inutiles dans la pièce moulée et réduit l'usure des fibres.

Les pièces doivent avoir une conception de paroi nominale avec une épaisseur de paroi uniforme. De grandes variations d'épaisseur de paroi peuvent entraîner un remplissage incohérent et une orientation indésirable des fibres dans la pièce. Lorsque des pièces plus épaisses ou plus minces sont nécessaires, évitez les changements brusques d'épaisseur de paroi pour éviter la formation de zones de cisaillement élevé qui pourraient endommager les fibres et devenir une source de concentration de contraintes. Essayez généralement d'ouvrir la porte dans la paroi la plus épaisse et de couler vers la partie la plus fine, en gardant l'extrémité remplie dans la partie la plus fine.

Les bons principes génériques de conception plastique suggèrent que le maintien d'une épaisseur de paroi inférieure à 4 mm (0,160 pouce) favorisera un bon écoulement uniforme et réduira le risque de fosses et de vides. Pour les composés LFRT, l'épaisseur de paroi optimale est généralement d'environ 3 mm (0,120 pouce), avec une épaisseur minimale de 2 mm (0,080 pouce). Avec des épaisseurs de paroi inférieures à 2 mm, le matériau a une probabilité accrue de rupture de ses fibres après son entrée dans le moule.

Les composants ne sont qu'un aspect de la conception et il est important de considérer comment le matériau entre dans le moule. Lorsque les glissières et les portes guident le matériau dans la cavité, de nombreux dommages aux fibres peuvent se produire dans ces zones s'ils ne sont pas conçus correctement.

Lors de la conception d'un moule pour le moulage de composés LFRT, un canal entièrement arrondi est optimal, avec un diamètre minimum de 5,5 mm (0,250 in). Toute autre forme de glissière qu'une glissière à coins arrondis complets aura des angles vifs qui augmenteront les contraintes pendant le processus de moulage et détruiront le renfort en fibre de verre. Les systèmes à canaux chauds avec portes ouvertes sont acceptables.

La porte doit avoir une épaisseur minimale de 2 mm (0,080 po). Si possible, placez la porte le long d'un bord qui ne bloque pas l'écoulement du matériau dans la cavité. La porte sur la surface de la pièce devra être tournée de 90° pour éviter de déclencher une rupture de fibre qui pourrait réduire les propriétés mécaniques.

Enfin, il est important de faire attention à l'emplacement des lignes de fusion et de savoir comment elles affectent la zone où la pièce sera chargée (ou sollicitée) lors de l'utilisation. Les lignes de fusion doivent être déplacées vers des zones où les niveaux de contrainte devraient être faibles grâce à un placement correct de la porte.

Une analyse informatisée du remplissage du moule peut aider à déterminer où ces lignes de fusion seront positionnées. L'analyse structurelle par éléments finis (FEA) peut être utilisée pour comparer l'emplacement des contraintes élevées avec l'emplacement des lignes de fusion identifiées dans l'analyse de remplissage du moule.

Il convient de noter que ces conceptions de pièces et de moules ne sont que des recommandations. Il existe de nombreux exemples de pièces avec des parois minces, des variations d'épaisseur de paroi et des caractéristiques délicates ou fines qui ont obtenu de bonnes performances en utilisant des complexes LFRT. Cependant, plus on s'écarte de ces recommandations, plus il faut de temps et d'efforts pour s'assurer que tous les avantages du LFRT sont réalisés.


III. Conditions de traitement

Les conditions de traitement sont essentielles au succès du LFRT. Avec les bonnes conditions de traitement, il est possible de préparer une bonne pièce LFRT à l'aide d'une machine de moulage par injection universelle et d'un moule correctement conçu. En d'autres termes, même avec un équipement et une conception de moule appropriés, la longueur des fibres peut être compromise si de mauvaises conditions de traitement sont utilisées. Cela nécessite de comprendre ce que les fibres rencontreront pendant le processus de moulage et d'identifier les zones qui provoqueront un cisaillement excessif des fibres.

First, monitor the back pressure. The high back pressure introduces a large shear force on the material that will reduce fiber length. Consider starting with zero back pressure and increasing it only enough to allow the screw to return uniformly during feeding, using a back pressure of 1.5 to 2.5 bar (20 to 50 psi) is usually sufficient to obtain a consistent feed.

High screw speeds also have a detrimental effect. The faster the screw rotates, the more likely it is that solids and unmelted material will enter the screw compression section causing fiber damage. Similar to the recommendations for back pressure, the speed should be kept as low as possible to the minimum level required to stabilize the filling screw. Screw speeds of 30 to 70 r/min are common when molding LFRT compounds.

During the injection molding process, melting occurs through two factors that act together: shear and heat. Because the goal is to preserve the length of the fibers in LFRT by reducing shear, more heat will be required. Depending on the resin system, the temperature for processing an LFRT compound will typically be 10 to 30°C higher than a conventionally molded compound.

However, before simply increasing the barrel temperature across the board, it is important to note the inverse of the barrel temperature distribution. Typically, the barrel temperature rises as the material moves from the hopper to the nozzle; however, for LFRT, the recommended temperature is higher at the hopper. Inverting the temperature distribution causes the LFRT pellets to soften and melt before entering the compression section of the high shear screw, which facilitates fiber length retention.

Une note finale concernant le traitement implique l'utilisation de matériaux de réutilisation. Le meulage de pièces moulées ou de carottes entraîne généralement des longueurs de fibre inférieures, de sorte que l'ajout de matériau de réutilisation peut affecter la longueur totale de la fibre. Afin de ne pas réduire significativement les propriétés mécaniques, la quantité maximale de matériau de réutilisation recommandée est de 5 %. Des quantités plus élevées de matériaux réutilisés peuvent affecter négativement les propriétés mécaniques telles que la résistance aux chocs.