Внутреннее напряжение в акриле после порезки лазером: как выявить и как снять

Остаточное напряжение — невидимая и коварная проблема, которая возникает после резки акрила лазером, а также после других видов термической обработки, и приводит к сбоям в эксплуатации изделия, повышает количество брака. Высокий уровень напряжений снижает ударную вязкость изделия и может способствовать растрескиванию под воздействием окружающей среды, температурных перепадов, а также некоторых химикатов, в том числе используемых в быту.

Почему возникает внутреннее напряжение в акриле

При лазерной резке происходит локальный точечный разогрев, при этом основная поверхность материала остается холодной. Неоднородность температур усиливает внутреннее напряжение. Как следствие в процессе эксплуатации на поверхности готового изделия могут появиться микротрещины. 

Изделия или детали с внутренним напряжением чувствительны к воздействию химически активных веществ — спирта, растворителя, полироли, клея. Поэтому перед склеиванием или другой обработкой важно убедиться в том, что напряжение отсутствует, или снять его, если оно есть.

Как выявить внутреннее напряжение в акриле

 На прозрачном акриле внутреннее напряжение можно увидеть невооруженным глазом: если «поймать» луч света, на торце материала видно радугу. Однако для более точного определения часто применяется поляризационная пленка. 

Исследование прозрачной детали в поляризованном свете обычно выявляет градиенты напряжения и изменение ориентации, связанные с производственными или отделочными процессами. При рассмотрении в поляризованном свете напряженные участки полимеров видны глазу в виде серии разноцветных полос. Этот узор полос, иногда называемый двойным лучепреломлением, можно интерпретировать как различные уровни напряжения в определенной точке и в определенном направлении в материале.

Инструмент, наиболее часто используемый для оценки напряжения, представляет собой простой полярископ или «прибор для просмотра деформации», состоящий из источника белого света и подходящих поляризующих элементов. 

Когда поляризованный свет проходит через прозрачный или полупрозрачный пластик, компоненты световой волны, параллельные и перпендикулярные направлению напряжения, распространяются через пластик с разными скоростями. Этот эффект известен как «замедление» и пропорционален степени напряжения в материале в этой точке. Когда свет, испытавший замедление, рассматривается в полярископ, два компонента исходного светового луча интерферируют друг с другом, что приводит к видимому отображению различных цветов и интенсивности (бахромы) везде, где в материале присутствует напряжение.

В простых случаях цветовые полосы можно использовать для оценки остаточного напряжения, поскольку каждая цветовая полоса коррелирует со степенью напряжения в контролируемом образце. Для интерпретации наблюдаемой закономерности можно использовать диаграмму зависимости запаздывания от цвета. На практике, однако, процедура требует наметанного глаза и никогда не может быть чем-то большим, чем эмпирическим методом.

Материалы, которые демонстрируют очень низкое напряжение, очень высокое напряжение или сложные геометрические формы и высокие градиенты напряжений, требуют количественных измерений с использованием визуальных или компьютерных инструментов, известных как поляриметры.

Основной метод измерения (а не просто наблюдения) напряжения описан в ASTM D4093. В этом стандартном методе испытаний используется полярископ в сочетании с аксессуаром, называемым «компенсатором». Это прецизионное устройство оптически преобразует сложный цветовой узор напряжения в легко различимую черную линию, которую можно использовать для надежного и воспроизводимого измерения. Откалиброванная шкала на компенсаторе обеспечивает количественное показание замедления, которое затем можно использовать в качестве показателя значения напряжения или преобразовать в единицы двойного лучепреломления или напряжения (МПа или фунты на квадратный дюйм) с помощью простого уравнения.

В дополнение к визуальным методам измерения напряжения инструменты на базе ПК, которые заменяют человека-наблюдателя компьютерным зрением, теперь доступны как в онлайновой, так и в автономной конфигурациях. Эти автоматизированные системы избавляют от догадок при измерении двойного лучепреломления и используются там, где требуются быстрые и точные результаты. 

Как убрать внутреннее напряжение в оргстекле 

Чтобы снять внутреннее напряжение на поверхности, торец акриловой детали перед склеиванием можно обработать наждачной бумагой. Еще один распространенный способ удалить напряжение — термическая обработка — отжиг. Этот процесс устраняет внутренние напряжения, возникшие в результате термической или механической обработки (формовки, гибки на струне, лазерной резки, полировки, сверления, фрезерования, шлифования) и обеспечивает лучшие механические и термические свойства, без него практически невозможно производить акриловые компоненты с точными допусками.

Отжиг — это процесс снятия напряжений в формованных пластмассах путем нагревания до заданной температуры, поддержания этой температуры в течение заданного периода времени и медленного охлаждения деталей. Иногда при отжиге используются дополнительные приспособления, чтобы предотвратить деформацию. Несколько важных рекомендаций:

• Перед отжигом убедитесь, что детали чистые и сухие. Удалите бумажную защитную пленку, чтобы она не пригорела к материалу. Удалите маскирующий аэрозоль, защитную ленту или подобный материал. 
• Для отжига акрила — материал нужно нагреть примерно до 80° C (на 20° ниже температуры размягчения). Скорость нагрева представлена в табл. 1. 
• Во время отжига деталей из акрилового листа поддерживайте их, чтобы избежать напряжения. Например, приподнятая центральная часть детали будет нуждаться в независимой поддержке. Отсутствие поддержки может вызывать деформацию. 
• Время охлаждения, как правило, короче, чем время нагревания. Но важно охлаждать медленно, чтобы избежать термических перепадов. Для листов толщиной более 8 мм время охлаждения в часах должно равняться толщине в миллиметрах, деленной на четыре. Чем толще деталь, тем ниже скорость охлаждения.
• Подождите, пока температура печи не упадет ниже 60°C, прежде чем вынимать изделия. Слишком раннее удаление детали может свести на нет положительный эффект отжига

Таблица 1. Скорость нагрева акрила при отжиге

Важно учитывать, что начальная термообработка или процессы нормализации могут привести к усадке акрила от 2% до 6%. Более подробно об отжиге и усадке можно прочитать в нашей статье “Горячая работа с акрилом”.

Таким образом, правильный отжиг готовых изделий или деталей, полученных в результате лазерной резки, эффективно предотвращает растрескивание, повышает размерную стабильность и долговечность.