Обработка акрила на станках с ЧПУ | Материал, процесс, применение

Акрил, или полиметилметакрилат (ПММА), — это универсальный термопластичный полимер, широко используемый в промышленном производстве благодаря высокой оптической прозрачности, твердости поверхности и устойчивости к атмосферным воздействиям. Его часто используют в качестве легкой, ударопрочной альтернативы стеклу. Для достижения точности в акриловых компонентах необходимо специфическое понимание его свойств и того, как они взаимодействуют с различными процессами механической обработки и формования. В данной статье представлен обзор акрилового пластика и методов изготовления, используемых в производстве.

Что такое акрил?

Полиметилметакрилат, широко известный как акрил, образуется путем аддитивной полимеризации повторяющихся мономеров метилметакрилата с раскрытием двойных связей C=C. Его молекулярная формула — (C₅H₈O₂)_nгде n представляет степень полимеризации, обычно приводящую к молекулярной массе от 10 000 до 12 000. Плотность составляет 1.18–1.19 г/см³.³Обладает малым показателем преломления, приблизительно равным 1.49, светопропусканием 92% и мутностью не более 2%. Это органический прозрачный материал.

Виды акрила

В зависимости от процесса производства акриловые листы можно разделить на литые и экструдированные.

Литой акрил

Эти листы обладают высокой молекулярной массой, что обеспечивает им превосходную жесткость, прочность и высокую химическую стойкость. Поэтому они больше подходят для обработки крупномасштабных вывесок и табличек, хотя и требуют несколько большего времени в процессе размягчения. Характерной особенностью этих листов является мелкосерийное производство, непревзойденная гибкость в выборе цветовой гаммы и текстуры поверхности, а также полный спектр технических характеристик, подходящих для различных специальных целей.

Экструдированный акрил

По сравнению с литыми акриловыми листами, экструдированные акриловые листы имеют меньшую молекулярную массу, несколько более слабые механические свойства и большую гибкость. Однако эта характеристика полезна для процессов гибки и термоформования, поскольку сокращает время размягчения. При работе с большими листами это облегчает различные процессы быстрого вакуумного формования. В то же время, допуск по толщине экструдированных акриловых листов меньше, чем у литых акриловых листов. Поскольку экструдированные акриловые листы производятся в больших объемах с помощью автоматизированного производства, регулировка цветов и характеристик затруднена, что приводит к определенным ограничениям в ассортименте продукции.

Свойства акрила

1. Физические свойства: Полиметилметакрилат (ПММА) обладает превосходными оптическими свойствами, светопропускание достигает 92%, что на 10% выше, чем у неорганического стекла. Он бесцветен, практически не поглощает видимый свет, пропускает ультрафиолетовое излучение на длине волны 270 нм и обладает хорошей способностью к окрашиванию. Практически не обесцвечивается и не выцветает при нагревании. Показатель преломления составляет 1.49, коэффициент отражения поверхности не превышает 4%, а блеск поверхности высок. Относительная плотность ПММА невелика (1.17–1.20), примерно вдвое меньше, чем у неорганического стекла.
2. Механические свойства: Полиметилметакрилат (ПММА) обладает высокой механической прочностью при комнатной температуре и минимально подвержен влиянию температуры. Однако прочность резко снижается по мере приближения к точке размягчения и температуре стеклования. ПММА имеет низкую твердость поверхности и устойчивость к царапинам, а также низкую ударную вязкость, часто требующую модификации резиной. Он обладает высоким водопоглощением и значительной усадкой.
3. Тепловые свойства: Полиметилметакрилат (ПММА) обладает высоким коэффициентом теплового расширения, что приводит к значительным изменениям размеров под воздействием температуры.
4. Электрические свойства: В широком диапазоне частот коэффициент мощности ПММА уменьшается с увеличением частоты, что делает его пригодным для длительного использования в наружных электроприборах. Он обладает хорошей дугостойкостью и устойчивостью к образованию дорожек накаливания, высоким поверхностным сопротивлением и высокой электрической изоляцией.
5. Химическая устойчивость: ПММА устойчив к сильным кислотам, сильным щелочам, неорганическим солям, маслам и алифатическим углеводородам.
6. Сопротивление старению: ПММА обладает превосходной устойчивостью к атмосферным воздействиям. Даже после длительного воздействия внешней среды его прозрачность и блеск практически не изменяются.

Обработка акрила с ЧПУ

Полиметилметакрилат (ПММА) может подвергаться механической обработке, включая распиловку, фрезерование, сверление и развертывание.

Пример обработки акрила на станке с ЧПУ

На приведенном ниже чертеже изображен акриловый компонент с полой тонкостенной структурой. Для его изготовления требуется высокая точность размеров, а также сохранение первоначальной светопропускаемости материала после обработки, чтобы соответствовать требованиям к диапазону измерений.

Эту деталь можно обрабатывать на станках с ЧПУ, но при неправильном выборе параметров и последовательности процесса легко могут появиться трещины, что приведет к браку. Если метод обработки поверхности выбран неправильно, поверхность будет выглядеть разорванной, потеряет первоначальную прозрачность ПММА и не будет соответствовать требованиям эксплуатации.

Влияние температуры резки на обработку акрила

Теплопроводность ПММА очень низкая, всего в 450–175 раз ниже, чем у обычных металлических материалов. Тепло, выделяемое при резке, не может быстро рассеиваться, накапливаясь в точке контакта инструмента и заготовки, что приводит к ускоренному износу инструмента. Одновременно коэффициент теплового расширения ПММА в 1.5–2 раза больше, чем у обычных металлов, а температура стеклования составляет приблизительно 100 °C. Избыточное тепло, выделяемое при резке, вызывает изменение объема и стеклование, снижая точность обработки. Расширение объема также усиливает трение между инструментом и заготовкой, создавая порочный круг повышения температуры.

Поскольку температура плавления ПММА низкая (всего 160–200 °C), это термопластичный материал. Высокая температура резки легко приводит к плавлению обработанной поверхности. В частности, при обработке внутренних отверстий плохое рассеивание тепла может привести к «задиранию» поверхности, появлению крошечных трещин, похожих на разрывы. Это часто ошибочно принимают за хрупкость материала или внутренние дефекты. Однако проверка на прозрачность или водонепроницаемость не выявляет утечек; напротив, деталь не соответствует техническим требованиям к прозрачности, выглядит мутной и лишена естественной текстуры материала.

Влияние параметров обработки

При комнатной температуре ПММА — твердый и хрупкий материал. В случае тонкостенных конструкций неправильный выбор параметров резания приводит к нестабильным силам резания, вызывая растрескивание или даже разрушение детали.

Шероховатость поверхности

Из-за своей низкой твердости, шероховатость поверхности Качество полировки ПММА после механической обработки часто оставляет желать лучшего. Для обеспечения соответствия техническим требованиям после механической обработки необходимо использовать специальные полировальные материалы и процессы.

Решение для обработки акрила на станках с ЧПУ.

Для обеспечения точности размеров, шероховатости поверхности и соответствия техническим требованиям при одновременном повышении выхода годной продукции, внутреннее отверстие следует обрабатывать после обработки торцевой поверхности и торцевой канавки упора. Для предотвращения обратного изгиба материала скорость подачи сверления контролируется в диапазоне 0.05–0.08 мм. Одновременно контролируется скорость и подача смазочно-охлаждающей жидкости для обеспечения постоянной температуры во время сверления. После завершения обработки внутреннего отверстия используется вспомогательное приспособление для позиционирования упора. Центр задней бабки используется относительно вспомогательного центрального отверстия приспособления для обеспечения осевого ограничения при обработке наружного диаметра. Сначала обрабатывается наружный диаметр 50 мм с использованием зазора смещенного инструмента, затем за один проход формируется наружный диаметр 20 мм, завершая процесс резания.

Другие технологии обработки акрила

К другим технологиям формования акрила относятся литье, литье под давлением, экструзия и термоформование.

Кастинг

Литье используется для формирования листов, стержней и других профилей из ПММА методом объемной полимеризации. После литья изделия требуют последующей обработки; типичные условия: 60°C в течение 2 часов и 120°C в течение 2 часов.

Литье под давлением

Литье под давлением использует гранулированные материалы, полученные методом суспензионной полимеризации. Процесс осуществляется на стандартных плунжерных или шнековых литьевых машинах.

Экструзия

Полиметилметакрилат также можно формовать экструзионным методом. Гранулированные материалы, полученные методом суспензионной полимеризации, используются для изготовления листов, стержней, труб и полос. Однако профили, изготовленные таким способом, особенно листы, обладают худшими механическими свойствами, термостойкостью и устойчивостью к растворителям по сравнению с литыми профилями из-за более низкой молекулярной массы полимера. Преимуществом является высокая эффективность производства, особенно для труб и других профилей, которые трудно изготавливать с помощью литьевых форм. Экструзионное формование может осуществляться с использованием одноступенчатых или двухступенчатых экструдеров с вентиляцией, при этом соотношение длины шнека к диаметру обычно составляет от 20 до 25.

термоформования

Термоформование — это процесс превращения листов или полос ПММА в изделия различных размеров и форм. Заготовка вырезается до необходимых размеров, зажимается на раме пресс-формы, нагревается для размягчения, а затем подвергается давлению для прилегания к поверхности пресс-формы и получения той же формы. После охлаждения и затвердевания края обрезаются для получения готового изделия. Давление может быть приложено методом вакуумной вытяжки или прямым давлением с помощью литьевой формы. При использовании быстрого вакуумного формования с низкой вытяжкой рекомендуется температура, близкая к нижнему пределу, для сложных изделий с глубокой вытяжкой следует использовать температуру, близкую к верхнему пределу. Как правило, применяются нормальные температуры.

Термическая обработка и обработка поверхности

Изделия из акрила склонны к возникновению внутренних напряжений во время вторичных операций, таких как механическая обработка или термоформование. Если эти напряжения не устранить, они могут привести к микротрещинам или даже разрушению конструкции при воздействии тепла, растворителей или факторов окружающей среды. Для предотвращения этого акрил требует последующей термической обработки, известной как отжиг.

Отжиг деталей, обработанных на станках с ЧПУ.

Для акриловых деталей, изготовленных с помощью станков с ЧПУ, их следует поместить в печь при комнатной температуре и повышать температуру примерно на 15°C в час. После достижения целевой температуры 90°C время выдержки должно быть пропорционально толщине материала.

• Лист толщиной 3 мм: 1 час
• Лист толщиной 6 мм: 2 часов
• Лист толщиной 12 мм: 4 часов
• Лист толщиной 20 мм: 6 часов

После завершения периода выдержки охладите детали до комнатной температуры. Скорость охлаждения следует строго контролировать, она должна составлять приблизительно 10 °C в час, чтобы предотвратить образование новых напряжений из-за быстрого термического сжатия.

Отжиг термоформованных деталей

Для акриловых изделий, подвергнутых термической гибке или вакуумной формовке, температура отжига немного ниже, чем для других материалов. Обработанные детали с ЧПУТемпература обычно колеблется от 70°C до 85°C. Требования к времени выдержки остаются такими же, как и для обработанных листов, указанных выше.

Отжиг деталей, изготовленных методом литья под давлением.

Параметры литья под давлением компонентов в значительной степени зависят от конкретной конструкции детали и толщины стенки. Температура выдержки обычно составляет от 60°C до 80°C. Время выдержки контролируется в пределах от 2 до 4 часов.

Обработка поверхности

Для улучшения определенных эксплуатационных характеристик, таких как повышение износостойкости или увеличение блеска поверхности, изделия из ПММА могут подвергаться различным вторичным обработкам. Эти виды обработки, включая полировку, покраску или лазерную гравировку, могут использоваться для удовлетворения специфических требований различных условий эксплуатации.

Защитные покрытия на акриловые детали могут наноситься методом напыления (для больших неперфорированных листов), распыления (для сложных или неправильных форм) или погружного нанесения (для мелких деталей). Эти химические обработки создают на поверхности акрила плотную защитную пленку, отвечающую высоким требованиям к твердости и износостойкости.

Нанесение покрытия методом напыления является наиболее экономически выгодным методом; листы можно сначала затвердить, а затем подвергнуть вторичной обработке, такой как резка.

Метод физического осаждения из паровой фазы (PVD) позволяет наносить на поверхность сверхтвердую пленку. Этот процесс минимизирует влияние примесей в процессе производства, что приводит к превосходной плотности и однородности покрытия. Хотя PVD значительно повышает твердость поверхности и износостойкость, это дорогостоящий процесс. Кроме того, он предъявляет специфические требования к толщине материала и, как правило, лучше подходит для тонких листов.

Применение акрила

Благодаря своим превосходным оптическим свойствам, ПММА используется в различных отраслях промышленности. ПММА общего назначения в основном применяется в рекламных световых коробах, вывесках, осветительных приборах, ваннах, приборах, товарах народного потребления и мебели. Высококачественный ПММА имеет решающее значение для таких применений, как ЖК-экраны, ПММА с радиационной защитой, оптические волокна, солнечные фотоэлектрические элементы, автомобильные крышки для линз, пуленепробиваемое стекло, фонари кабины пилотов и биомедицинские полимерные материалы.

Биомедицинские

Биосовместимость и низкая токсичность микросфер ПММА делают их предпочтительным материалом для носителей лекарств, каркасов для тканевой инженерии и мечения клеток. Благодаря модификации поверхности микросферы могут переносить молекулы лекарств для целенаправленного высвобождения, увеличивая период полураспада препарата. В качестве материалов для восстановления костной ткани их механическая прочность и пластичность способствуют заживлению переломов. В клеточных культурах микросферы обеспечивают трехмерную опорную структуру, стимулирующую пролиферацию клеток. Микросферы размером 100 нм легко поглощаются клетками, что делает их пригодными для терапии опухолей и доставки вакцин.

Демонстрационные световодные пластины

Модуль подсветки ЖК-дисплея, состоящий в основном из источника света, световодной пластины и оптических пленок, включает в себя источник света, световодную пластину и оптические пленки. Световодная пластина используется в модулях подсветки ЖК-дисплеев для равномерного направления света, излучаемого источником света, на поверхность дисплея; основным используемым материалом является ПММА.

Светодиодное освещение

В области освещения светодиодное освещение — это новый тип экологически чистого источника света. По сравнению с традиционными источниками, оно энергосберегающее, экологичное, долговечное и компактное. Оно широко используется в индикаторах, дисплеях, декоративных элементах, подсветке, общем освещении и городском ночном освещении.

В светодиодных панельных светильниках используются световодные пластины для преобразования точечных или линейных источников света в площадные источники, что позволяет свету равномерно излучаться с лицевой стороны. В качестве сырья для светодиодных панельных светильников в основном используются световодные пластины из ПММА (полиметилметакрилата) благодаря их высокой светопроницаемости.

Материалы для волоконной оптики на основе ПММА

Пластиковые оптические волокна из ПММА являются отличной средой для передачи данных на короткие расстояния и считаются лучшим решением для «последней мили» оптоволоконной сети до дома (FTTH). Помимо связи, волокна из ПММА используются в ландшафтном освещении, например, в проектах по благоустройству территории во время церемоний открытия и закрытия Олимпийских игр 2012 года в Лондоне.

Автомобильные легкие материалы

В условиях внедрения субсидий на электромобили увеличение запаса хода становится серьезной проблемой. Технология снижения веса является эффективным способом увеличения дальности хода; при каждом уменьшении веса автомобиля на 10% потребление энергии может снизиться на 6–8%.

Благодаря своим превосходным оптическим свойствам, малому весу и устойчивости к атмосферным воздействиям, ПММА широко используется в различных областях применения в транспортных средствах.

• Освещение: Требуются материалы с хорошей светопроницаемостью, ударопрочностью и устойчивостью к старению. ПММА широко используется для изготовления накладок на задние фонари в электромобилях.
• Оконное стекло: Использование легких материалов низкой плотности для изготовления окон является ключевой стратегией снижения веса. ПММА отвечает требованиям к светопропусканию, ударопрочности и низкой хрупкости, обеспечивая при этом защиту от ультрафиолетового излучения. Многие европейские производители используют его для боковых и задних окон, снижая вес на 40–50% по сравнению с традиционным стеклом.
• Дашборды: ПММА обладает превосходной прочностью и высокой ударопрочностью. Он не трескается при вибрации или испытаниях под давлением и обеспечивает высокую оптическую прозрачность.
• Бамперы: Композиты на основе ПММА и АБС-пластика могут использоваться для изготовления бамперов, сочетая в себе устойчивость к царапинам и экологичность ПММА с ударопрочностью и термостойкостью АБС-пластика, и все это по более низкой цене, чем у магниево-алюминиевых сплавов.

Как Getzshape может помочь

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке, литью под давлением и многому другому. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству, мы оптимизируем процессы закупки материалов, обработки, постобработки и логистики.