Metodyka doboru tworzywa

Metodyka doboru tworzywa
Maciej Heneczkowski
Politechnika Rzeszowska, al. Powstańców Warszawy 6, 35-959 Rzeszów
Katedra Technologii i Materiałoznawstwa Chemicznego
[email protected]
„Drop the idea of large
molecules. Organic
molecules with
a molecular weight
higher than 5000 do
not exist”
• Rada udzielona Hermanowi
Staudingerowi – późniejszemu
pierwszemu laureatowi nagrody
Nobla specjalizującemu się w
chemii polimerów.
Historia i współczesność
Ewolucja materiałów inżynierskich na przestrzeni wieków. PE LD, PMMA, PC, PS, PP, GFRP,
kompozyty polimerowe zbrojone włóknem szklanym; CFRP, kompozyty polimerowe zbrojone
włóknem węglowym oraz aramidowym (Kevlar)
Materiały a ich nowe zastosowania
1930s samoloty szkolne
(treningowe)
Myśliwce z II wojny
światowej
Nowoczesne samoloty
wojskowe
Wahadłowce
Planowane pojazdy
kosmiczne np. X-33
0
500
1000
1500
2000
Temperatura pracy poszycia, oC
Wytrzymałość /umowna/
Materiały i ich charakterystyka wytrzymałościowa
Stopy glinu
zbrojone włóknami
Kompozyty węglowo-węglowe
Temperatura pracy, ᵒC
TWORZYWA SZTUCZNE (TS)
ZAMIENNIKI MATERIAŁÓW
TRADYCYJNYCH
METALE: STAL, Al.
CERAMIKA, SZKŁO,
SKÓRA
DREWNO
NOWE KONSTRUKCJE
I WYROBY
POJAZDY
LOTNICTWO
KOSMONAUTYKA
SPORT
TELEKOMUNIKACJA
ELEKTRONIKA
KLEJE
KONSTRUKCJA
(STRUCTURE)
POMYSŁ
REALIZACJA
(CONCEPT)
(EMBODIMENT)
FUNKCJE UŻYTKOWE
ERGONOMIA
ESTETYKA
FUNCTIONS
ERGONOMICS
AESTHETICS
MATERIAŁY
TECHNOLOGIE WYTWARZANIA
WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE
WARU NKI UŻYTKOWANIA
MATERIALS
PROCESSES
ENVIRONMENTAL ISSUES
Filozofia konstrukcji nowego wyrobu
Pytanie podstawowe:
Które z TS jest najlepsze dla projektowanego elementu konstrukcyjnego?
Efekt ten to kompromis osiągany przy wyborze różnorodnych właściwości,
rozstrzygający odpowiedzi na pytania:
• "musi mieć" (must have)
oraz
• "dobrze by było mieć" (nice to have).
Końcowy wniosek:
"idealny materiał nie istnieje !!!”
Liczba oferowanych komercyjnych gatunków TS przekroczyła
najbardziej optymistyczne prognozy i osiągnęła poziom
od 60 000 do 80 000.
Jak rozpoznać, opisać oraz wyselekcjonować właściwy dla
planowanego wyrobu gatunek TS.
Producenci TS chcąc utrzymać się na rynku i sprostać
"szaleńczej" wprost konkurencji muszą niezwykle precyzyjnie
podać charakterystyki swojego wyrobu. Według aktualnych
szacunków dla umożliwienia swoim klientom wyboru gatunku
spełniającego w sposób optymalny ich wymagania należy
podać
minimum
oferowanego TS.
64
pozycje
charakterystyki
gatunku
Zestaw właściwości stanowi podstawę do wyboru (selekcji)
TS przy użyciu np. bardzo pożytecznego programu
zamieszczonego w witrynie http://www.omnexus.com. (dostęp
darmowy),
http://www.genplast.pl/start/ - dostęp testowy
bezpłatny. Podobne możliwości oferuje program CAMPUS oraz
baza MatWeb.
Ceny TS zostały podzielone na 5 grup (Cost Index - Indeks
cenowy). Rozpiętość cen jest bardzo duża, maksymalne
wartości, ok. 100 $/1kg osiągają tworzywa z grupy tworzyw
specjalnych oferujące nieosiągalne dla innych gatunków
oryginalne właściwości konstrukcyjne.
Największym problemem przy wyborze gatunku TS są jednak
duże rozpiętości ich właściwości.
Tetrada materiałowa
właściwości/koszt
materiału
właściwości
wyrobu
skład materiału
technologia wytwarzania
mikrostruktura
TS do specjalnych
zastosowań, w tym
również konstrukcyjnych
TS konstrukcyjne,
standardowe
TS standardowe,
ogólnego
przeznaczenia
Piramida jakościowa TS
(źródło: czasopismo Kunststoffe)
wytrzymałość

amorficzne
semikrystaliczne
cena 
Prognoza 1970
specjalne
inżynierskie
standardowe
10%
35%
55%
Realia 1995
2%
28%
70%
Struktura produkcji 3 podstawowych grup tworzyw polimerowych w %
(25-letnia prognoza z 1970 i rzeczywistość roku 1995)
Przy doborze rodzaju oraz typu tworzywa sztucznego do produkcji określonego
wyrobu musimy sformułować pytania, na które należy znaleźć satysfakcjonującą
odpowiedź:
1. Jak duże obciążenia mechaniczne będą działać na projektowany wyrób?
2. Czy wyrób będzie narażony na obciążenia dynamiczne?
3. Jaka powinna być powtarzalność wymiarowo – kształtowa (dokładność
wymiarowa)?
4. Czy kształtki będą narażone na działanie zmiennych warunków
atmosferycznych (promieniowania słonecznego, deszczu, zmiennej
temperatury – łagodnie czy szokowo zmiennej)
5. Czy kształtki będą narażone na działanie agresywnych środowisk
chemicznych?
6. Jaki ma być czas życia wyrobu?
7. Jakie są możliwości recyklingu poużytkowych odpadów zużytych wyrobów?
8. Jaka jest planowana technologia wytwarzania wyrobów?
9. Jakie są ekonomiczne uwarunkowania (ograniczenia) projektu?
WYBÓR GATUNKU TWORZYWA SZTUCZNEGO
Przewidywane warunki pracy wyrobu.
Wymagania użytkowe
Normatywne charakterystyki
analizowanego gatunku TS
Członkowie konsorcjum CAMPUS:
•A. Schulman GmbH
•LANXESS Deutschland GmbH
•ALBIS Plastic GmbH
•Mitsubishi Engineering Plastics
•ARKEMA
•Momentive Specialty Chemicals
•BASF
•Polimeri Europa
•BASF Polyurethanes GmbH
•Polyone Th. Bergmann GmbH
•Bayer MaterialScience
•RadiciPlastics
•DSM Engineering Plastics
•Rhodia Engineering Plastics
•DuPont Engineering Polymers
•Styrolution
•EMS-GRIVORY | a unit of EMS-CHEMIE
•TICONA
•Evonik Industries AG
(B)
(A)
udarność wg Charpy’ego, kJ/m2
wydłużenie przy zerwaniu, %
brak złamania
zawartość GF, % mas.
zawartość GF, % mas.
Zależność wydłużenia przy zerwaniu (A) i udarności wg Charpy’ego PBT od zawartości włókna
szklanego
Naprężenie, MPa
Ey – moduł Younga /Young modulus/
Es – moduł sieczny /Secant modulus/
Odkształcenie względne, %
naprężenie zrywające, MPa
temperatura, 0C
Zależność wytrzymałości na rozciąganie od temperatury dla kilku typów PBT (Du Pont)
S0653 – PBT napełniony 20 % kulek szklanych
S0655 – PBT napełniony 30 % kulek szklanych
SK605 – PBT wzmocniony 30 % GF
naprężenie zrywające, MPa
temperatura, 0C
Wytrzymałość na rozciąganie od temperatury dla kilku blend PBT produkcji firmy Du Pont
LW9020 – blenda PBT o niewielkim skurczu, wzmocniona 20 % GF
LW9030 – blenda 1 PBT o niewielkim skurczu, wzmocniona 30 % GF
LW9130 – blenda 2 PBT o niewielkim skurczu, wzmocniona 30 % GF
25
1,00
(A)
15
0,50
(C)
10
0,25
0,00
wydłużenie, %
naprężenie rozciągające, MPa
20
0,75
100
1000
2000
3000
4000
3,0
5
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
wydłużenie, %
Wykres izochronowy (C)
2,0
(B)
1,0
0,00
100
1000
2000
3000
4000
czas, h
5000
Ilustracja zależności pełzania PBT od
temperatury dla naprężenia rozciągającego 3,5 MPa (A) i 14 MPa (B)
h
Porównanie krzywych izochronowych blendy PPO/PS i PBT
h
% wytrzymałości początkowej
2
1
liczba cykli zmęczeniowych
Krzywa Wöhlera obrazująca wytrzymałość zmęczeniową materiałów
1. krzywa objawów niszczenia próbki
2. krzywa zniszczenia próbki
WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA – krzywa Wöhlera
obciążenia dynamiczne długotrwałe (rosnące i malejące)
1 – krzywa śladów uszkodzenia
próbki
r
2 – krzywa zniszczenia próbki
3 – obszar niepewności
naprężenie
4 – obszar obciążania bez
zniszczenia próbki
r – wytrzymałość doraźna
3
2
1
4
100
101
102
103
104
105
liczba cykli zmęczeniowych
Widok osłony przegubu półosi o typowej konstrukcji; 1 – duży pierścień, 2 – mały pierścień,
3 – powierzchnia karbowana
Urządzenie do przeprowadzania testu wytrzymałości zmęczeniowych wtryskiwanych osłon
przegubu półosi.
A – zamocowanie większego pierścienia, B – zamocowanie mniejszego pierścienia,
C – mieszek osłony wypełniony smarem
Tetrada materiałowa
właściwości/koszt
materiału
właściwości
wyrobu
skład materiału
technologia wytwarzania
mikrostruktura
aK = max/n
n = P/FK
Rozkład naprężeń w pręcie płaskim z karbem
(pręt rozciągany, materiał doskonale sprężysty)
Rozkład naprężeń w obszarze karbu zależy od geometrii karbu związanej z wymiarami
elementu. Wartość współczynnika ak=f(r/r, R/r) zależy od stosunku promienia krzywizny
dna r karbu do promienia lub połowy szerokości przekroju r w elementach płaskich w
płaszczyźnie karbu oraz od stosunku promienia (połowy szerokości) elementu R w
miejscu nieosłabionym karbem do promienia r. Wartość współczynnika kształtu ak dla
najczęściej spotykanych w praktyce karbów konstrukcyjnych można odczytać z
wykresów. Promień dna karbu r w przypadku ostrych podcięć oblicza się ze wzoru
r = rk + rm, w którym rk jest promieniem rzeczywistym (konstrukcyjnym) dna karbu, zaś
rm jest promieniem minimalnym dna karbu, odczytanym z wykresu. Jeśli rk > 5mm,
można przyjąć r = rk.
a)
wpływ działania karbu
Współczynnik ak obowiązuje dla ciała doskonale sprężystego (liniowego), od którego oczywiście
odbiega materiał rzeczywisty. Dlatego działanie karbu jest inne w przedmiocie rzeczywistym aniżeli w
przyjętym modelu i jest wyrażone przez współczynnik działania karbu k. Współczynnik określa k
wielkość obniżenia wytrzymałości zmęczeniowej na skutek działania karbu i jest ustalony ze stosunku
wytrzymałości zmęczeniowej próbki gładkiej Zgł do wytrzymałości zmęczeniowej próbki z karbem Zk ,
czyli k = Zgł / Zk.
b) wpływ wrażliwości materiału na działanie karbu
Współczynnik karbu k zależy od właściwości materiału i dlatego wprowadzono współczynnik
wrażliwości materiału na działanie karbu 0k1. Szkło jest bardzo wrażliwe na działanie karbu (k=1),
zaś materiałem niewrażliwym na działanie karbu jest żeliwo szare (k =0) . Wartość współczynnika k =
f(Rm, r) można odczytać z wykresów. W rezultacie współczynnik działania karbu k można wyznaczyć z
wzoru: k = 1 + k(ak – 1)
c) wpływ stanu powierzchni
Dla uwzględnienia wpływu stanu powierzchni (chropowatość, rodzaj obróbki), wprowadzono
współczynnik stanu powierzchni p. Współczynnik ten wyrażony jest stosunkiem wytrzymałości
zmęczeniowej próbki gładkiej Zgł do wytrzymałości zmęczeniowej próbki o danym stanie powierzchni p
= Zgł / Zp. Wartość współczynnika p = f(Rm, Ra) można odczytać z wykresów.
d) wpływ spiętrzenia naprężenia
Łączny wpływ działania karbu i stanu powierzchni danego elementu uwzględnia się przez obliczenie
zmęczeniowego współczynnika spiętrzenia naprężeń  wyrażonego wzorem:
 = k + p – 1
e) wpływ wielkości przedmiotu
Wpływ wymiarów elementu na wartość wytrzymałości zmęczeniowej wyznacza się za pomocą
współczynnika wielkości przedmiotu = Zd/ZD 1, gdzie Zd jest wytrzymałością zmęczeniową próbki o
średnicy od 7 do 10 mm, zaś ZD wytrzymałością zmęczeniową próbki o większych wymiarach
poprzecznych. Wartość współczynnika = f(D) można odczytać z wykresów.
PA66
PA66 33GF
PMMA
Wygląd wiosełka z poliwęglanu po wtryskiwaniu i sezonowaniu w temperaturze pokojowej
Wygląd wiosełka z poliwęglanu po procesie wygrzewania w temperaturze ~ Tg (155 0C)
Rozkład
naprężeń
(odpowiadający
kolejnym
izochromom) w pękającym elemencie zawieszki z PC
• po stronie prawej wypraska przed wygrzewaniem,
• po lewej po wygrzewaniu w temperaturze 155 0C
Przykładowe pytania przy wyborze gatunku TS do produkcji określonego wyrobu:
1. Czy obciążenia mechaniczne są duże?
2. Czy wyrób będzie narażony na obciążenia dynamiczne?
3. Czy muszą wykazywać się bardzo dobrą powtarzalnością wymiarowo kształtową ?
4. Czy materiał powinien być odporny na zarysowanie?
5. Czy będą narażone na działanie czynników atmosferycznych: słońca,
deszczu, mrozu ?
6. Jaka ma być żywotność tych produktów?
7. A jeśli wyrób ma posiadać atest dla określonych naprężeń maksymalnych?
Części maszyn i urządzeń
Jest to liczna grupa elementów konstrukcyjnych, różnorodnych pod
względem kształtu, wielkości (masy) oraz wymagań użytkowych. Do
podstawowych elementów tej grupy należą:
• koła zębate,
• łożyska,
• dźwignie,
• wały,
• sprzęgła,
• połączenia zatrzaskowe,
• osłony korpusów maszyn i urządzeń
• oraz wiele innych elementów konstrukcyjnych
Zastosowanie TS w konstrukcjach łożysk ślizgowych
Elementy łożyskowe jeszcze w latach 50 (u nas jeszcze w
latach 70) wykonywane były wyłącznie z metali (stale,
aluminium, brązy, mosiądze). Mają one kilka podstawowych
wspólnych wymagań:
• stosowania do ich wytwarzania bardzo wydajnych
technologii ze względu na masowość zapotrzebowania na te
elementy,
• przeprowadzenia precyzyjnych obliczeń inżynierskich,
możliwych do wykonania na podstawie szczegółowej bazy
danych materiałowych oraz za pomocą programów
komputerowych z grupy CAD/CAE,
• zapewnienia dużej trwałości (niewielkiego zużycia
eksploatacyjnego) i niezawodności wykonanych części.
Znakomita większość TS należy do materiałów mających mały lub bardzo
mały współczynnik tarcia. Szczególnymi gatunkami w tym zakresie są:
• tworzywa fluorowe, szczególnie powszechnie znany PTFE (TEFLON®),
którego współczynnik tarcia jest bliski zeru,
• poliamidy, poliformaldehyd, polietyleny, polipropyleny
Konstrukcja łożysk z TS nie jest jednak sprawą prostą. Zasadniczymi
przeszkodami do pokonania, są:
• stabilność (dokładność) wymiarowa - problem utrzymania właściwych
luzów,
• niewielka przewodność cieplna TS - problem odprowadzania ciepła
powstającego w czasie pracy łożyska (praca tarcia),
• ścieralność (zużycie) TS w czasie długotrwałej pracy łożyska.
POŁĄCZENIA ZATRZASKOWE
Konstrukcje
zatrzaskowe
to
elementy
nowe
i
oryginalne,
wprowadzające nieznane dotychczas możliwości szybkiego mocowania
stałego lub rozłącznego elementów maszyn i urządzeń. Ich zastosowanie
umożliwiły właściwości TS, głównie "sprężystość" i wysokoelastyczność.
Oznacza to duże wartości odkształceń odwracalnych, rzędu kilku
procent. Dla materiałów metalowych to zaledwie kilka setnych procentu.
Odkształcenie tych elementów jest "łatwe" dzięki małym wartościom
modułu
sprężystości
(kilkadziesiąt
razy
mniejszego
od
modułu
sprężystości materiałów metalowych). Postęp w konstrukcji tych
elementów jest zaskakująco szybki. Liczba nowych rozwiązań w tym
zakresie jest praktycznie niepoliczalna.
Warunkiem
powodzenia
rozwiązania
(pomysłu)
jest
niezawodność połączenia. TS stosowane na połączenia
"zatrzaskowe" muszą wykazywać dużą odporność na
zjawiska „pełzania”, to znaczy stabilność wartości modułu
sprężystości w bardzo długich przedziałach czasowych (np.
104 godzin) i zmiennych wartości temperatury: ujemnych i
dodatnich. Dotychczas sprawdzonymi rodzajami tworzyw w
konstrukcji zatrzasków są:
ABS - terpolimer: akrylonitryl - butadien - styren
POM – polioksymetylen (poliformaldehyd)
Przykłady konstrukcji "zatrzaskowych" wykonanych z TS