Сборка термопластичных композитов

Новый винт FLOWpoint Delta PT сочетает в себе характеристики двух проверенных конструкций крепежа: винта Delta PT для сборки пластмасс и винта с проточным сверлением FDS для сборки листового металла. Фото предоставлено корпорацией Semblex.

Лучшим вариантом для крепления пластика, содержащего стекло, тальк или другой наполнитель, обычно является винт с резьбой, например Delta PT. Фото предоставлено корпорацией Semblex.

Резьбовые вставки – еще один вариант крепления термопластичных композитов. Однако рекомендуемый размер отверстия, возможно, придется увеличить в зависимости от содержания наполнителя в материале. Фото предоставлено SPIROL International Corp.

Ультразвуковые сварочные аппараты более чем способны сваривать наполненный пластик. Фактически, от 10 до 20 процентов наполнителя могут действительно помочь процессу, делая материал более жестким. Фото любезно предоставлено Branson Ultrasonics

Сегодня пластмассы и полимерные композиты необходимы для создания широкого спектра деталей безопасности и производительности автомобилей. Фактически, использование пластиковых и полимерных композитов в легковых автомобилях выросло с менее чем 20 фунтов на автомобиль в 1960 году до 334 фунтов на автомобиль в 2015 году.

Такой материал, как нейлон 66 с 33-процентным усилением стекловолокном, используется во множестве автомобильных узлов, включая коллекторы, крышки двигателя, угольные канистры, опоры двигателя, рычаги переключения передач и бачки радиатора.

К сожалению, наполнители, придающие пластмассовым деталям прочность, жесткость и термостойкость, заставляют инженеров задуматься над дополнительными вопросами при планировании процесса сборки.

Существует множество технологий сварки пластиковых деталей: ультразвуковая, вибрационная, центрифужная, горячая, инфракрасная и лазерная. Все они могут соединять пластики, армированные стекловолокном, тальком, слюдой или другими наполнителями. Какой метод использовать, зависит от пластика; тип и количество наполнителя; размер и форма деталей; и требования к приложению.

Независимо от процесса, наполненным материалам обычно требуется «больше времени, больше давления и больше энергии», — говорит Джейсон Бартон, национальный менеджер по продажам и маркетингу Dukane Corp. «Полукристаллические материалы, как правило, требуют немного больше».

Это может стать проблемой при использовании ультразвуковой или вибрационной сварки. Слишком большая амплитуда может привести к растрескиванию или ослаблению дистальных участков деталей.

Дизайн детали – это еще одна проблема. При сварке пластмасс, содержащих наполнители, рекомендуется увеличить количество материала на границе соединения. «Обычно для наполненного материала требуется больше поверхности сварного шва, чем для исходного материала», — говорит Бартон.

Когда это возможно, инженеры предпочитают использовать ультразвук для сварки пластиковых деталей из-за его скорости и экономичности.

«Мы постоянно свариваем наполненные пластмассы», — говорит Софи Морно, глобальный директор по разработке приложений Emerson в Branson Ultrasonics. «Фактически, от 10 до 20 процентов наполнителя действительно могут помочь ультразвуковой сварке, делая материал более жестким, что помогает передавать вибрацию на сварное соединение. Чем мягче материал, тем больше он будет поглощать вибрацию».

С другой стороны, слишком много наполнителя может отрицательно повлиять на сварной шов. «Если у вас слишком много волокон, у вас не будет хорошего смешивания пластика на границе сварного шва, поэтому достижение герметичного уплотнения может стать проблемой», — объясняет Морно. «При содержании наполнителя выше 30 процентов вы можете начать замечать проблемы».

Еще одно соображение заключается в том, что наполнители, особенно стекловолокно, могут быть абразивными. Ультразвуковым рупорам может потребоваться защитное покрытие для предотвращения преждевременного износа.

Когда детали слишком большие, слишком сложные или слишком жесткие для ультразвуковой сварки, на первый план выходят другие процессы. Одним из них является вибрационная сварка. Фактически, некоторые данные свидетельствуют о том, что вибрации могут способствовать переплетению волокон на границе сварного шва и тем самым увеличивать прочность соединения.

«При использовании вибрационной сварки для соединения наполненных материалов сварной шов — область детали, которая плавится во время процесса — должен быть шире и выше, чем обычно», — советует Кевин Бакли, менеджер по техническим приложениям Emerson в Branson Ultrasonics. «Если стенки детали имеют толщину 2 миллиметра, то сварной валик следует делать 2,5 миллиметра», — говорит он. «Если она равна толщине стенки, вы можете рассчитывать на 90 процентов прочности основного материала».