Литьё Поликарбоната Под Давлением: Свойства, Марки, Применение и Замечания по DFM
Что Такое Поликарбонат (PC) — и Чем Он Не Является
Поликарбонат (PC) — аморфный конструкционный термопласт. Здесь аморфность важнее химии: у PC нет кристаллической температуры плавления, поэтому он усаживается мало и предсказуемо (0,5–0,7 %), хорошо держит жёсткие допуски и остаётся оптически прозрачным. Именно из-за этих трёх свойств PC попадает в линзы, медицинские корпуса и прозрачные крышки, а не в конструкционные кронштейны.
Что PC даёт по сравнению с более дешёвыми стирольными пластиками — ударную вязкость. При 600–900 Дж/м с надрезом PC при комнатной температуре примерно в три–четыре раза вязче ABS (150–250 Дж/м) и сохраняет пластичность гораздо ниже: около −30 °C без надреза и −10 °C с надрезом, без резкого перехода от вязкого разрушения к хрупкому, из-за которого ABS ломается внезапно на холоде.
Два момента, которыми PC не является:
- Это не стойкий к растворителям материал. У аморфных полимеров нет кристаллического барьера, который не пускал бы агрессивные химикаты в объём, а карбонатная связь гидролизуется. Вместе с заложенными при литье напряжениями это даёт растрескивание под напряжением в среде — самый частый вид эксплуатационного отказа деталей из PC и причина, по которой деталь, прошедшая все механические испытания, через три месяца трескается рядом с чистящим средством.
- Это не «прощающий» материал в переработке. PC сушат при 120 °C в течение 3–4 часов до влажности ниже 0,02 %, плавится он при 280–320 °C и требует пресс-формы 80–120 °C. Влажная смола гидролизуется в цилиндре: молекулярная масса падает, и деталь выходит хрупкой, и никакая последующая обработка это не восстанавливает.
Если вы выбираете между PC, ABS и PC+ABS, а не задаёте сам PC, у этого решения есть отдельное руководство: PC vs ABS vs PC+ABS →. Эта страница о том, как задать и отлить PC, когда ответом уже стал PC.
Свойства PC Кратко
Базовые значения для ненаполненного PC общего назначения:
| Свойство | PC | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | 1,20 г/см³ | Тяжелее ABS (1,03–1,06) — при замене масса детали растёт примерно на 15 % |
| Прочность при растяжении | 55–65 МПа | Достаточно для несущих кронштейнов, недостаточно для конструкционной балки |
| Модуль упругости при изгибе | 2,3–2,4 ГПа | Жёсткий, но жёсткость — не причина выбирать PC; причина — ударная вязкость |
| Теплостойкость (HDT) | 125–135 °C | Примерно на 40 °C выше ABS; открывает подкапотные детали и внутренние части бытовой техники |
| Ударная вязкость с надрезом | 600–900 Дж/м | В 3–4 раза выше ABS при комнатной температуре и не проваливается при 0 °C |
| Усадка | 0,5–0,7 % | Аморфный, поэтому предсказуемая — размер полости для PC не риск |
| Относительная стоимость | $$$ | Примерно в 1,5–1,7 раза дороже ABS при равной массе; PC+ABS стоит 60–70 % от стоимости PC |
| Светопропускание | до ~89 % (прозрачные марки) | Единственный сырьевой конструкционный пластик на сайте, который льётся оптически прозрачным |
Большинство программ по PC решает технологическое окно, а не таблица свойств:
| Параметр | PC | Последствие, если не соблюсти |
|---|---|---|
| Сушка | 120 °C, 3–4 ч, влажность <0,02 % | Серебристые разводы и необратимое охрупчивание из-за гидролиза |
| Температура расплава | 280–320 °C | Ниже ~280 °C вязкость слишком высока для заполнения; выше ~320 °C пожелтение и деструкция |
| Температура пресс-формы | 80–120 °C | Ниже 80 °C: плохая поверхность, высокие внутренние напряжения, видимые линии спая |
| Диаметр впуска (ненаполненный) | минимум 0,8–1,5 мм | Заниженный впуск сдвигает расплав и оставляет области впуска с высокими напряжениями и низкой прочностью |
Семейства Марок PC
PC — базовый полимер, а не спецификация. Вот семейства, которые действительно встречаются на чертежах, с проектами на этом сайте, где они применялись:
| Семейство марок | Что меняет | Типичное применение | Подтверждение на сайте |
|---|---|---|---|
| Общего назначения | Немодифицированный PC — прозрачность, удар и HDT по таблице | Корпуса, крышки, световоды | Корпус умного рекордера совещаний |
| Огнестойкое (UL 94 V-0) | Галогенный или фосфорный FR-пакет; V-0 при 1,5 мм | Зарядные устройства, блоки питания, внутренние части техники | Корпус зарядного устройства Type-C — 16 гнёзд, 1 000 000 циклов |
| Медицинское (USP Class VI / ISO 10993) | Документация по биосовместимости, более строгая прослеживаемость партий | Диагностические анализаторы, кронштейны приборов | Корпус медицинского диагностического устройства, Кронштейн глюкометра |
| Стеклонаполненное (10–30 % GF) | Модуль и стойкость к ползучести выше; удар и поверхность ниже | Конструкционные кронштейны под длительной нагрузкой | Кронштейн POS-принтера — PC + 20 % GF |
| Оптическое, для линз | Контролируемая чистота, низкое двулучепреломление, загрязнения недопустимы | Линзы, световоды, прозрачные окна | Справочник по материалам: PC для линз требует оснастки из S136 или NAK80, P20 не подходит |
| Совместимое с двухкомпонентным литьём | Сцепляется сам с собой или со второй маркой PC | Многоцветные корпуса, герметичные швы | Корпус POS-терминала — PC чёрный первый впрыск, PC белый UL V-0 второй впрыск, поворотная форма 1+1 |
Два семейства стоит выделить отдельно, потому что они меняют оснастку, а не только смолу: огнестойкий PC более чувствителен к сдвигу (FR-пакеты деградируют, если расплав перегреть или держать слишком долго), а стеклонаполненный PC изнашивает оснастку — 20 % GF в программе на 300 000 циклов эродирует впуски и кромки полости, так что твёрдая сталь перестаёт быть опцией.
Где PC Встраивается в Производство
PC оправдывает свою цену в пяти ситуациях:
Прозрачные детали и детали, проводящие свет. Ни один другой материал на этом сайте не соединяет прозрачность с таким уровнем ударной вязкости. Прозрачные крышки, линзы, световоды и окна дисплеев — это либо программы по PC, либо программы по акрилу, а акрил проигрывает аргумент об ударе сразу.
Ударопрочные корпуса, где ABS уже недостаточно. Если испытание на падение задано при −20 °C или деталь — ручной прибор с большой неподкреплённой стенкой, кривая ударной вязкости ABS проваливается именно там, где у PC провала нет.
Рабочие температуры выше 100 °C. HDT 125–135 °C покрывает внутренние части бытовой техники, электронику под панелью и оборудование, которое работает в тепле. ABS при 85–100 °C не оставляет там запаса.
Медицинское и диагностическое оборудование. PC класса USP Class VI с прослеживаемостью — материал, зафиксированный в документации для корпусов анализаторов и приборов, которым нужны и прозрачность, и химическая стойкость к дезинфектантам, и это один из немногих материалов, где документальная нагрузка (ISO 10993, прослеживаемость партий, литьё в чистом помещении) решает не меньше, чем свойства.
Огнестойкие электрические оболочки с видимой лицевой поверхностью. FR PC даёт V-0 и поверхность класса A в одной детали, чего огнестойкий ABS не всегда выдерживает при тех толщинах стенки, о которых идёт речь.
Где PC обычно неправильный ответ: крупные тонкие сложные корпуса (вязкость расплава вынуждает к высокому усилию смыкания или нескольким впускам), детали, контактирующие с растворителями или топливом, и программы, где ценой управляют, а PC+ABS даёт ~80 % ударной вязкости за 60–70 % стоимости.
Проекты Из PC в Нашем Цехе
Четырнадцать программ по PC с фактически отработанными спецификациями. Это самая крупная группа материалов в нашем портфеле кейсов — PC здесь не нишевый материал:
| Проект | Марка PC | Оснастка | Ресурс пресс-формы | T1 |
|---|---|---|---|---|
| Корпус зарядного устройства Type-C | PC, UL94 V-0 | 16 гнёзд, S136H 48–52 HRC, горячий канал YUDO | 1 000 000 | 35 дней |
| Корпус POS-терминала | PC чёрный + PC белый UL V-0 (два впрыска) | поворотная 1+1, P20 | 300 000 | 28 рабочих дней |
| Корпус медицинского диагностического устройства | PC медицинская марка, USP Class VI | 1 гнездо на полуформу, нержавеющая сталь S136 | — | 24 рабочих дня |
| Кронштейн глюкометра | PC медицинская марка, UL94 V-0 опционально | 2 гнезда, H13 | 500 000 | 26 рабочих дней |
| Корпус портативного микрофона | PC/ABS конструкционная марка | 16 гнёзд, P20 | 500 000 | 22 рабочих дня |
| Корпус POS PIN-клавиатуры | PC/ABS FR V-0, углеродонаполненный ESD-безопасный | 2 гнезда, H13 | 1 000 000+ | 30 рабочих дней |
| Кронштейн POS-принтера | PC + 20 % GF | 1 гнездо, P20 | 300 000 | 25 рабочих дней |
| Задняя крышка смарт-часов | PC/ABS конструкционная марка | 8 гнёзд, P20 | 500 000 | 24 рабочих дня |
| Корпус зарядной док-станции беспроводного микрофона | PC+ABS конструкционная марка | 4 гнезда, S136 48–52 HRC | 300 000 | 22 дня |
| Нижний корпус монитора кассового терминала | ABS+PC конструкционная марка | 1 гнездо, P20 | 300 000 | 25 рабочих дней |
| Нижний корпус мини POS-терминала | PC/ABS конструкционная марка, UL94 V-2 | 2 гнезда, предзакалённая 718H | 300 000 | 20 рабочих дней |
| Опорный кронштейн монитора POS | PC+ABS конструкционная марка | 1 гнездо, P20 | 300 000 | 25 рабочих дней |
| Диагностический прибор OBD | PC+ABS чёрный + прозрачный синий PC | 1+1+1, S136 | 50 000 | — |
| Корпус умного рекордера совещаний | PC | 1 гнездо, S136 | 500 000 | — |
Три закономерности в этой таблице стоит прочитать до того, как вы зададите спецификацию:
- Сталь оснастки следует за маркой, а не за материалом. Конструкционные и корпусные работы идут на P20 или 718H; оптические и медицинские — на S136; стеклонаполненные и программы на миллион циклов — на S136H 48–52 HRC. Это разделение одинаково во всех четырнадцати строках.
- Ресурс пресс-формы различается в 20 раз — от 50 000 в смешанной программе OBD «прототип плюс серия» до 1 000 000 на корпусе зарядного устройства. Ресурс — решение по оснастке, и он указывается в предложении отдельно для каждой программы.
- T1 укладывается в 20–35 дней для PC-форм от одного гнезда до 16 гнёзд. Технологическое окно PC ничего не стоит в сроках, если форма спроектирована под него.
Замечания по DFM, Специфичные Для PC
Сушка Обязательна
PC поглощает влагу и гидролизуется при температуре расплава. Предел — 0,02 %, самый жёсткий на этом сайте, и для него нужен осушитель, держащий точку росы ниже −30 °C, с подачей осушенным воздухом в бункер машины. Один бункерный сушильный аппарат до этого не доводит.
Отказ происходит молча. Влажный PC не всегда даёт видимые серебристые разводы на первых отливках: он теряет молекулярную массу, и деталь выглядит нормально, тогда как ударная вязкость с надрезом упала вдвое. Если деталь из PC становится хрупкой в эксплуатации, а записи процесса показывают отклонение по сушке, объяснение именно это, и никакой повторный отжиг его не исправит.
Размер Впуска и Текучесть Расплава
Текучесть расплава у PC низкая (вязкость высокая), и именно этот факт определяет конструкцию впуска. Ненаполненный PC требует впусков диаметром минимум 0,8–1,5 мм; всё меньшее означает, что расплав сдвигается на входе, а это поднимает напряжения именно там, где деталь наиболее склонна к растрескиванию. Ожидайте более высокого давления впрыска и машины с реальной пластикационной способностью — машина, которая спокойно льёт ABS, может не успевать пластицировать PC, чтобы заполнить тот же впрыск.
Точечные впуски на PC — известное слабое место. Там, где деталь косметическая или работает на усталость, более крупный впуск с чистым следом обычно лучше маленького, который оставляет концентратор напряжений на поверхности.
Температура Пресс-Формы и Качество Поверхности
PC требует температуры пресс-формы 80–120 °C. Это не настройка для комфорта: ниже 80 °C падают качество поверхности и глянец, становятся видны линии спая, а внутренние напряжения растут по всей детали. Высокоглянцевая поверхность SPI A1–A2 на PC достижима, но достижима при этой температуре — а значит, форма, построенная под ABS (работающая при 50–60 °C), как правило, не может быть переделана под PC без внимания к контуру охлаждения и к терморегулятору.
Практически: закладывайте в бюджет более высокую потребность в охлаждении формы для PC. Это та повторяющаяся статья затрат, которая удивляет покупателей, сравнивающих предложения на оснастку для PC и ABS.
Усадка и Размер Полости
При 0,5–0,7 % PC усаживается предсказуемо, а поскольку он аморфный, кристаллизации после литья, которая сдвинула бы размеры через недели, нет. Поэтому размер полости — не то место, где программы по PC идут не так. Идут не так они в другом месте — в толщине стенки: PC легче заполняет толстые сечения, чем тонкие, и конструктор, пришедший от ABS, часто утоньшает стенку за пределы того, что вязкость PC может заполнить при разумном давлении.
Внутренние Напряжения и Растрескивание Под Напряжением в Среде
Это определяющая проблема DFM для PC, и она заслуживает отдельной строки на чертеже. Растрескивание под напряжением в среде (ESC) требует трёх условий одновременно: восприимчивый полимер, растягивающее напряжение и химикат. Первые два PC даёт по своей природе — внутренних напряжений от холодной формы или заниженного впуска плюс напряжений сборки от защёлки или бобышки под винт обычно достаточно.
Что с этим делать:
- Поднять температуру пресс-формы в диапазон 80–120 °C и увеличить выдержку, чтобы внутренние напряжения снизились до выхода детали из формы
- Отжигать толстые или сильно нагруженные детали там, где геометрия не позволяет уйти от напряжений
- Задать химическую среду на чертеже. Чистящие средства, санитайзеры для рук, клеи, фиксаторы резьбы и разделительные смазки — обычные виновники, и деталь из PC, которую ежедневно протирают спиртовым дезинфектантом, это другая задача проектирования, чем деталь, которую не протирают
- Не держать защёлки и прессовые посадки под длительной растягивающей нагрузкой — защёлка, которая держит деталь в постоянном растяжении, это трещина, ждущая первого растворителя
Вентиляция и Захват Газа
Высокая вязкость работает в обе стороны: PC реже, чем ABS, проливается через зазор вентиляции, но чаще запирает газ, потому что фронт течения не вытесняет воздух так же легко. Практический результат — подгорание и газовые ловушки в последних заполняемых зонах, поэтому формы для PC обычно требуют больше вентиляции, чем эквивалентная форма для ABS, а не меньше.
Толстые Сечения и Работа При Низких Температурах
PC остаётся пластичным примерно до −30 °C без надреза, но только около −10 °C с надрезом, поэтому деталь с острым внутренним углом на холоде ведёт себя как образец с надрезом, независимо от того, называет её так чертёж или нет. Скругляйте внутренние углы, и если деталь уходит ниже −10 °C, считайте каждый надрез — след впуска, начало резьбы, пересечение отлитого ребра — проектным решением, а не деталью оформления.
Поиск Неисправностей: Дефекты, Которые PC Действительно Даёт
| Дефект | Наиболее вероятная причина на PC | Что проверить первым |
|---|---|---|
| Серебристые разводы (splay) | Влажность выше 0,02 % | Точку росы осушителя и фактическую влажность смолы, а не уставку сушилки |
| Хрупкие детали без видимого дефекта | Гидролиз из-за влажной смолы или деструкция от перегрева | Записи сушки и время пребывания; температуру цилиндра против диапазона 280–320 °C |
| Растрескивание через недели после сборки | Растрескивание под напряжением в среде | Историю температуры формы, размер впуска и химикаты, с которыми контактирует деталь |
| След струи на впуске | Впуск мал для вязкости PC | Диаметр впуска против минимума 0,8–1,5 мм для ненаполненного PC |
| Видимые линии спая | Низкая температура формы или линия спая в зоне высоких напряжений | Температуру формы против диапазона 80–120 °C |
| Пожелтение | Перегрев или долгое время пребывания в цилиндре | Время пребывания, температуру горячего канала, объём впрыска против объёма цилиндра |
| Подгорание / газовые ловушки | Недостаточная вентиляция | Глубину и расположение вентиляции в последних заполняемых зонах |
Смежные Страницы о Процессах
Программы по PC на этом сайте обычно касаются этих страниц:
- Литьё Пластика Под Давлением на Заказ — базовый процесс и парк машин
- Конструирование Пресс-Форм — решения по впуску, охлаждению и извлечению, которые диктует PC
- Изготовление Многогнёздных Пресс-Форм — PC-формы на 8 и 16 гнёзд
- Литьё в Чистом Помещении — медицинские программы по PC
- Литьё С Закладными Элементами — двухкомпонентная работа PC-по-PC и PC-по-TPE
- Прецизионное Литьё Под Давлением — оптические и допусково-критичные детали из PC
- Сборка и Упаковка — соединение PC без внесения напряжений
- Справочник по Материалам для Литья Под Давлением — полная таблица свойств по всем материалам на этом сайте
Как Правильно Выбрать PC для Вашей Детали
Если у вас деталь из PC в проектировании, пришлите чертёж и условия применения — рабочую температуру, химикаты, с которыми деталь будет контактировать, требование по испытанию на падение и ответ, функциональна прозрачность или косметична. Эти четыре ответа меняют марку, конструкцию впуска и температуру формы до того, как будет посчитана оснастка.
Мы вернёмся с DFM-анализом и предложением и скажем, если PC — неправильный материал для задачи.