Литье под давлением это один из наиболее распространенных способов получения изделий из термопластических полимеров (полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.д.) и композитов на их основе. Одной из главных проблем этого технологического процесса является коробление деталей вследствие неравномерного охлаждения после извлечения из литьевой формы. В настоящее время существует достаточно много способов минимизировать этот эффект. Обычно в производстве используют специально подобранные режимы отпуска (охлаждения) деталей. Но это значительно удлиняет процесс изготовления и требует дополнительных расходов.
В данной работе теоретически изучена возможность уменьшения эффектов коробления за счет ввода наполнителя с отрицательными значениями коэффициента температурного расширения (сегнетокерамика). Такой подход позволил бы существенно упростить технологию производства и повысить производительность.
Задачу решали в рамках теории термоупругих деформаций. Считали, что изделие испытывает только температурные напряжения, то есть внешняя нагрузка к телу не прикладывалась, а массовые силы отсутствовали. Решение искали в 3D постановке методом конечных элементов.
На конкретном примере проведено численное моделирование охлаждения реальной вертушки вентилятора из полиэтилена, наполненного дисперсными частицами PZT сегнетокерамики (твердый раствор титаната – цирконата свинца Pb(Ti,Zr)O3). Предполагалось, что частицы наполнителя имеют зернистую форму и случайным образом равномерно распределены по объему матрицы, то есть композит изначально макроизотропен.
Рассмотрено несколько вариантов, различающихся концентрацией наполнителя. Количественно степень температурного коробления вертушки оценивали с помощью отношения максимального смещения обода вертушки от исходной конфигурации к ее диаметру (фактор температурного коробления Kwarp). Установлено, что для данной конкретной геометрии детали полная компенсация коробления возможна уже при 25%-й концентрации наполнителя. При более высоких концентрациях картина не менялась. Проведенные исследования показали принципиальную возможность использования наполнителя с отрицательным коэффициентом теплового расширения для уменьшения коробления деталей сложной формы при остывании.