Плотность и усадка — два параметра, без которых невозможно ни подобрать материал, ни спроектировать форму, ни рассчитать вес изделия. Разберём, что это такое, какие значения у разных полимеров и как их учитывать на практике.
Что такое плотность полимера
Плотность — это масса вещества в единице объёма. Измеряется в г/см³ или кг/м³.
Зачем это нужно:
-
Рассчитать вес изделия по объёму.
-
Сравнить материалы по массе (для лёгких деталей).
-
Посчитать стоимость — полимеры продаются за килограмм, а литьё идёт по объёму.
-
Оценить расход материала на цикл.
Формула: масса = плотность × объём.
Пример: изделие объёмом 100 см³ из ПП (0,9 г/см³) весит 90 г. Из ПК (1,2 г/см³) то же изделие — 120 г. Разница 30% только за счёт плотности.
Таблица плотности по типам полимеров
| Полимер | Плотность (г/см³) | Особенность |
|---|---|---|
| ПП | 0,90–0,91 | Легче воды |
| ПЭ (LDPE) | 0,91–0,93 | Лёгкий |
| ПЭ (HDPE) | 0,94–0,96 | Лёгкий |
| ПС | 1,04–1,06 | Тяжелее воды |
| АБС | 1,03–1,07 | Средний |
| ПММА (акрил) | 1,17–1,20 | Тяжёлый |
| ПК | 1,20–1,22 | Тяжёлый |
| ПА6 | 1,12–1,15 | Средний |
| ПА66 | 1,13–1,15 | Средний |
| ПБТ | 1,30–1,35 | Тяжёлый |
| ПЭТ | 1,33–1,40 | Тяжёлый |
| ПОМ (POM) | 1,40–1,42 | Очень тяжёлый |
| ПВХ (жёсткий) | 1,35–1,45 | Тяжёлый |
| ТПУ | 1,10–1,25 | Зависит от марки |
| PEEK | 1,30–1,32 | Тяжёлый |
| PSU | 1,24–1,25 | Тяжёлый |
Что важно:
-
Стеклонаполненные материалы плотнее базовых. ПА66 + 30% GF — 1,35–1,40 г/см³.
-
Вспененные материалы легче — от 0,5 до 0,8 г/см³.
-
Плотность расплава ниже, чем у твёрдого полимера. Учитывается при расчёте дозы.
Что такое усадка полимера
Усадка — это насколько изделие сжимается при охлаждении. Измеряется в процентах.
Формула: усадка = (размер формы − размер изделия) / размер формы × 100%.
Пример: если полость формы 100 мм, а изделие получилось 98 мм, усадка = 2%.
Зачем это нужно:
-
Проектировать полость формы с запасом.
-
Рассчитывать размеры готового изделия.
-
Учитывать анизотропию (разная усадка по направлениям).
-
Прогнозировать коробление.
Таблица усадки по типам полимеров
| Полимер | Усадка (%) | Тип |
|---|---|---|
| ПС | 0,4–0,7 | Аморфный |
| АБС | 0,4–0,7 | Аморфный |
| ПММА | 0,3–0,8 | Аморфный |
| ПК | 0,5–0,8 | Аморфный |
| ПВХ (жёсткий) | 0,2–0,5 | Аморфный |
| ПА6 | 1,0–1,5 | Кристаллический |
| ПА66 | 1,2–2,0 | Кристаллический |
| ПП | 1,0–2,5 | Кристаллический |
| ПЭ | 1,5–3,0 | Кристаллический |
| ПОМ | 1,8–2,5 | Кристаллический |
| ПБТ | 0,5–2,0 | Кристаллический |
| ПЭТ | 0,2–2,0 | Кристаллический |
| PEEK | 1,1–1,3 | Кристаллический |
Закономерности:
-
Аморфные — малая усадка (0,2–0,8%).
-
Кристаллические — большая усадка (1,0–3,0%).
-
Стеклонаполненные — меньше базовых. ПА66 + 30% GF — 0,3–0,7%.
-
Вспененные — около нуля, но нестабильна.
Почему усадка разная
Усадка зависит от нескольких факторов:
1. Структура полимера
Аморфные остывают равномерно — усадка малая. Кристаллические сжимаются при кристаллизации — усадка больше.
2. Температура формы
Горячая форма → медленное охлаждение → больше кристаллизация → больше усадка.
Холодная форма → быстрее застывает → меньше усадка, но хуже качество.
3. Давление выдержки
Чем выше давление и дольше выдержка — тем меньше усадка. Расплав «допрессовывается» в форму.
4. Толщина стенки
Толстые стенки остывают медленнее → больше усадка.
Тонкие стенки — меньше усадка, но выше внутренние напряжения.
5. Направление потока
Вдоль потока усадка больше, поперёк — меньше. Это анизотропия усадки. Особенно заметно у стеклонаполненных.
6. Влажность материала
ПА, ПК, ПЭТ при влажности дают нестабильную усадку. Сушка обязательна.
Как учитывать усадку при проектировании формы
Простое правило:
Размер полости = Размер изделия / (1 − усадка)
Пример: нужно изделие 100 мм из ПП с усадкой 1,5%.
Размер полости = 100 / (1 − 0,015) = 101,5 мм.
Но это только базовая формула. На практике:
-
Учитывают анизотропию — закладывают разные коэффициенты по направлениям.
-
Делают пробную форму с запасом и подгоняют после первых проб.
-
Используют CAE-моделирование для прогноза усадки.
Совет: для точных изделий всегда закладывайте возможность доработки формы. Изменить размер полости проще, чем сделать новую форму.
Анизотропия усадки
Это разная усадка по направлениям. Особенно критична для:
-
Стеклонаполненных материалов — стекло ориентируется по потоку, усадка вдоль потока в 2–3 раза меньше, чем поперёк.
-
Длинных тонких изделий — разница по длине и ширине.
-
Крупных деталей — неравномерное охлаждение.
Пример: ПА66 + 30% GF — усадка вдоль потока 0,3%, поперёк — 0,8%. Если не учесть, изделие «поведёт».
Как связаны плотность и усадка
Плотность и усадка связаны через кристалличность:
-
Больше кристалличность → выше плотность → больше усадка.
-
Меньше кристалличность → ниже плотность → меньше усадка.
Пример: ПП и ПЭ — оба кристаллические, оба легче воды. Но у ПЭ кристалличность выше, усадка больше (2–3% против 1–2,5%).
Практический вывод: если нужна высокая точность — выбирайте аморфный полимер. Если нужна прочность и износостойкость — кристаллический, но готовьтесь к большей усадке.
Как рассчитать вес изделия и расход материала
Формула:
Вес изделия = объём × плотность
Пример: изделие 150 см³ из ПА66 (1,14 г/см³) весит 171 г.
Расход материала на цикл:
-
Вес изделия × количество гнёзд.
-
Плюс литники (холодноканальные — 5–30% от веса изделия).
-
Плюс потери на запуск и остановку.
Пример: 4-гнёздная форма, изделие 171 г, холодноканальный литник 15%.
Расход на цикл = 171 × 4 × 1,15 = 787 г.
Умножаем на количество циклов в час — получаем часовой расход. Это нужно для подбора сушилки, загрузчика, расчёта себестоимости.
Частые ошибки
1. Не учитывать усадку при проектировании
Изделие получится меньше нужного. Форму придётся дорабатывать или делать новую.
2. Использовать среднее значение усадки
Усадка — диапазон. Надо смотреть по марке и режиму. Для точных изделий — CAE-моделирование.
3. Забывать про анизотропию
Особенно для стеклонаполненных. Изделие «поведёт» после охлаждения.
4. Не сушить материал
ПА, ПК, ПЭТ дают нестабильную усадку при влажности.
5. Менять режим без пересчёта усадки
Усадка зависит от температуры формы и давления. Меняешь режим — меняется размер.
6. Путать плотность твёрдого полимера и расплава
При расчёте дозы надо учитывать плотность расплава, она ниже.
Частые вопросы
Какая плотность у ПП?
0,90–0,91 г/см³. Легче воды — изделие из ПП будет плавать.
Какая усадка у АБС?
0,4–0,7%. Это аморфный полимер — малая усадка, высокая точность.
Почему у ПЭ большая усадка?
ПЭ — кристаллический полимер. При кристаллизации объём уменьшается сильнее, чем у аморфных.
Как учитывать усадку стеклонаполненного ПА?
Отдельно по направлениям: вдоль потока 0,3%, поперёк 0,8%. Или использовать CAE-моделирование.
Что точнее — аморфный или кристаллический полимер?
Аморфный. Усадка меньше, стабильнее, изотропнее.
Как посчитать вес изделия?
Объём × плотность. Плюс литники, если холодноканальная система.
Какую усадку закладывать для ПК?
0,5–0,8%. Но зависит от марки и режима. Начните с 0,6% и подгоняйте.
Влияет ли температура формы на усадку?
Да. Горячая форма → больше кристаллизация → больше усадка. Разница может быть 0,3–0,5%.
Итог
Плотность и усадка — два параметра, которые определяют:
-
вес изделия;
-
расход материала;
-
размеры полости формы;
-
стабильность процесса;
-
точность готовой детали.
Аморфные полимеры — малая усадка, высокая точность, но ниже прочность.
Кристаллические — большая усадка, но прочнее и износостойче.
Стеклонаполненные — анизотропная усадка, требует расчёта по направлениям.
Как применять эти данные на производстве
Мы используем приведённые сведения как отправную точку для технической проверки. Рабочие режимы, усадку, сушку и свойства подтверждаем по документации на конкретную марку материала, конструкции изделия и результатам пробного литья. При подборе оборудования сопоставляем требования процесса с характеристиками станка, формы и периферии.