10 GŁÓWNYCH ZASAD DLA KONSTRUKCJI DETALI Z TWORZYW

KONSTRUKCJA
Nowy cykl artyku³ów oparty na materia³ach firmy DuPont “TOP
IN FORM 10 KONSTRUKTIONS TIPS” jest kontynuacj¹ wczeœniej
prezentowanego opracowania, które poœwiêcone by³o technologii. Obecna seria “10 ZASAD...” dotyczy konstrukcji detali
z tworzyw sztucznych i wyjaœnia podstawowe regu³y oraz daje
wytyczne, których stosowanie pozwala unikn¹æ wielu b³êdów
i uzyskaæ w³aœciw¹ wypraskê pod k¹tem realizowanych funkcji
w ca³ym wyrobie. Mamy nadziejê ¿e prezentowany cykl bêdzie
siê cieszy³ nie mniejszym zainteresowaniem jak poprzedni.
Dziêkujemy firmie DuPont Polska za udostêpnione materia³y.
Dieter Küper, Jost E. Laumeyer, Jürgen Hasenauer
10 G£ÓWNYCH ZASAD DLA KONSTRUKCJI
DETALI Z TWORZYW SZTUCZNYCH
Rys. 1. Wytrzyma³oœæ/sztywnoœæ ró¿nych
materia³ów (wartoœci œrednie).
1. TWORZYWA SZTUCZNE TO NIE METALE
PORÓWNANIE MATERIA£ÓW: Wiele wyrobów z tworzyw sztucznych
ma nadal konstrukcjê zbli¿on¹ do konstrukcji wyrobów metalowych.
Autorzy wyjaœniaj¹, czym tworzywa sztuczne ró¿ni¹ siê od klasycznych materia³ów konstrukcyjnych.
Podstawowe parametry materia³ów
Materia³y nale¿¹ce do grupy „tworzywa sztuczne” maj¹ nieporównywalnie wiêcej odmian ni¿ wszystkie inne
materia³y konstrukcyjne. Przez dodanie nape³niaczy i wzmacniaczy lub modyfikatorów mo¿na ekstremalnie zmieniæ w³asnoœci niemal ka¿dego polimeru podstawowego. Nale¿y jednak pa-
miêtaæ, ¿e wiêkszoœæ podstawowych
w³asnoœci tworzyw sztucznych wyraŸnie ró¿ni siê od odpowiednich w³asnoœci metali. Przeprowadzaj¹c bezpoœrednie porównanie mo¿na stwierdziæ, ¿e metale maj¹ wiêksz¹:
l gêstoœæ,
l maksymaln¹ temperaturê u¿ytkowania,
Typ obci¹¿enia
Przyk³ad zastosowania
Oddzia³ywanie na charakterystykê odkszta³cenia
Obliczanie
Krótkotrwa³e obci¹¿enie
statyczne
Haczyk zatrzaskowy
Mo¿liwoœæ obci¹¿ania
a¿ do wytrzyma³oœci
podstawowej
Wykres
naprê¿enie/wyd³u¿enie
zastosowaæ modu³
siecznej
Otoczenie zapraski
metalowej
Spadek naprê¿enia
wstêpnego z up³ywem
czasu (relaksacja)
Wykres wytrzyma³oœci
d³ugotrwa³ej
zastosowaæ modu³
relaksacji
Rury pod ciœnieniem
wewnêtrznym
Wzrost wyd³u¿enia
z up³ywem czasu
(pe³zanie)
Wykres wytrzyma³oœci
d³ugotrwa³ej
zastosowaæ modu³
pe³zania
Mieszkowe os³ony
samouszczelniaj¹ce
Znaczne zredukowanie
dopuszczalnych
wyd³u¿eñ i naprê¿eñ
Krzywa Wöhlera
Przestrzegaæ zakresu obci¹¿eñ (np. zakres przemiennych obci¹¿eñ rozci¹gaj¹coœciskaj¹cych/zakres wytrzyma³oœci zmêczeniowej przy
rozci¹ganiu têtni¹cym)
Charakterystyka
odkszta³cenia materia³ów
o sprê¿ystoœci gumy
podobna do
charakterystyki
materia³ów od ci¹gliwych
do kruczych.
Mo¿liwoœæ oceny na
podstawie obliczeñ
bardzo ograniczona
(konieczne badania
praktyczne)
czas obci¹¿ania 1 s<x<10 min
D³ugotrwa³e obci¹¿enie
statyczne
(sta³e wyd³u¿enie)
czas obci¹¿ania >10 min
D³ugotrwa³e obci¹¿enie
statyczne
(sta³e naprê¿enie)
czas obci¹¿ania >10 min
D³ugotrwa³e obci¹¿enie
dynamiczne
powtarzaj¹cy siê wzrost i spadek obci¹¿enia
Obci¹¿enie
uderzeniowe
czas obci¹¿ania < 1 s
Os³ona poduszki
powietrznej
Rys. 2. Wp³yw typu obci¹¿enia na charakterystykê odkszta³cania
3-4 / 2001
l sztywnoœæ – wytrzyma³oœæ,
l przewodnoœæ elektryczn¹,
natomiast tworzywa sztuczne maj¹
o rz¹d wielkoœci wiêksze:
l t³umienie mechaniczne,
l rozszerzalnoœæ ciepln¹,
l wyd³u¿enie przy zerwaniu,
l ci¹gliwoœæ (por. np. rys.1).
Przy zastêpowaniu metalu tworzywem koniecznoœæ zapewnienia ekonomicznej produkcji wyprasek z tworzyw
sztucznych wymaga ca³kowitej zmiany
koncepcji konstrukcji wyrobu. Równoczeœnie mo¿na znacznie uproœciæ geometriê wyrobu i zwiêkszyæ jego funkcjonalnoœæ.
Odmienne charakterystyki materia³ów
W identycznych warunkach stosowania tworzywa sztuczne zachowuj¹
siê pod pewnymi wzglêdami zupe³nie
inaczej ni¿ metale. Dlatego te¿ w przypadku chêci powielenia funkcjonalnego i taniego wyrobu metalowego nieprzemyœlana zamiana metalu na tworzywo mo¿e zakoñczyæ siê niepowodzeniem. Konstruktor wyrobów z tworzyw sztucznych musi doskonale
orientowaæ siê w specyficznych w³asnoœciach materia³ów nale¿¹cych do
tej grupy.
Zale¿noœæ odkszta³ceñ od temperatury i czasu
Im bardziej temperatura u¿ytkowania wyrobu z tworzywa jest zbli¿ona do
temperatury topnienia tego tworzywa,
tym wiêksza jest zale¿noœæ odkszta³ceñ od temperatury i czasu. Podstawowe w³asnoœci mechaniczne wiêkszoœci
tworzyw sztucznych zmieniaj¹ siê ju¿
TS RAPORT
29
KONSTRUKCJA
a inaczej na zimno. Wp³yw temperatury jest przy tym znacznie wiêkszy od
wp³ywu prêdkoœci obci¹¿ania.
Rys. 3. Uszkodzenie materia³u
pod wp³ywem promieniowania UV.
w temperaturze pokojowej lub pod
wp³ywem krótkotrwa³ego obci¹¿enia.
Natomiast w³asnoœci mechaniczne metali prawie nie ulegaj¹ zmianie a¿ do
temperatury rekrystalizacji (>300°C).
Przy zmianie temperatury stosowania lub prêdkoœci odkszta³cania w odpowiednio szerokich granicach charakterystyka odkszta³cania termoplastu
technicznego mo¿e zmieniaæ siê od typowej dla materia³u twardo-kruchego
do typowej dla materia³u o sprê¿ystoœci gumy. I tak np. charakterystyka odkszta³cania tego samego tworzywa jest
w przypadku zastosowania go na os³onê poduszki powietrznej samochodu
(w trakcie u¿ytkowania nara¿ony jest
na gwa³towne rozerwanie i rozgiêcie)
ca³kowicie inna ani¿eli wtedy, gdy jest
z niego wykonany powoli zamykany
element zatrzaskowy (rys. 2). Jednak
i element zatrzaskowy nale¿y inaczej
zamykaæ w wy¿szych temperaturach,
Czynniki wywieraj¹ce wp³yw na
w³asnoœci technicznych elementów
konstrukcyjnych
Okreœlone liczbowo parametry
tworzyw sztucznych nie s¹ tylko orientacyjnymi parametrami materia³owymi.
Ró¿ne czynniki (np. promieniowanie
UV – patrz rys. 3) mog¹ wywieraæ nawet taki wp³yw na podstawowy poziom
w³asnoœci technicznego wyrobu konstrukcyjnego z tworzyw sztucznych, ¿e
wyrób ten po krótkim czasie przestanie
byæ zdatny do u¿ytku. Je¿eli wyrób
o dobrze przemyœlanej konstrukcji zostanie wyprodukowany w warunkach
technologicznych nie uwzglêdniaj¹cych specyficznych w³asnoœci prze-
twórczych materia³u, to mimo prawid³owej konstrukcji nie bêdzie siê nadawa³ do u¿ytku. Z drugiej strony nawet
najlepiej prowadzony proces przetwórstwa nie wyeliminuje b³êdów wynikaj¹cych z wadliwej konstrukcji wyrobu.
Dopiero równoczesna optymalizacja
konstrukcji wyrobu i procesu przetwórstwa z uwzglêdnieniem wszystkich
czynników, które mog¹ wywieraæ
wp³yw (rys. 4), gwarantuje wyprodukowanie dobrego wyrobu. W porównaniu
z metalami tworzywa sztuczne s¹
o wiele bardziej wra¿liwe na wady konstrukcyjne i dlatego przy projektowaniu wyrobów nale¿y w znacznie wiêkszym stopniu uwzglêdniaæ w³asnoœci
materia³u. Ka¿dy proces konstruowania nale¿y rozpoczynaæ od szczegó³owej analizy wszystkich wymagañ i warunków brzegowych.
Produkcja
Obci¹¿enie
Orientacja (makrocz¹steczki, nape³niacze
i materia³y wzmacniaj¹ce)
Naprê¿enia w³asne
Stopieñ krystalizacji
Linie ³¹czenia
Wtr¹cenia powietrza
Warunki przetwórstwa
(uszkodzenie materia³u)
Prêdkoœæ odkszta³cania
Czas dzia³ania obci¹¿enia
Typ obci¹¿enia
Sposób oddzia³ywania si³y
Geometria wypraski
Œrodowisko (otoczenie)
Ostre krawêdzie
Gruboœæ œcian
Temperatura
Chemikalia
Promieniowanie UV
WilgotnoϾ
Rys. 4. Czynniki wywieraj¹ce wp³yw na w³asnoœci wyrobu.
2. PRAWID£OWOŒÆ DOBORU
DOBÓR MATERIA£U: Wprawdzie nie ma z³ych materia³ów, ale wybrany materia³ mo¿e okazaæ siê nieodpowiedni dla danego zastosowania. Dlatego te¿ konstruktor musi doskonale znaæ w³asnoœci
materia³ów proponowanych na projektowany wyrób, a ponadto musi bardzo szczegó³owo zbadaæ wszystkie wp³ywy, na jakie nara¿ona bêdzie wypraska.
Popularne termoplasty
Termoplasty przetwarzane metod¹
wtryskiwania dziel¹ siê na amorficzne
i czêœciowo krystaliczne (rys. 1).
Ró¿ni¹ siê one budow¹ cz¹steczkow¹ oraz wszystkimi w³asnoœciami
zale¿nymi od krystalizacji (rys. 2).
Ogólnie mo¿na powiedzieæ, ¿e
charakteryzuj¹ce siê wiêksz¹ wytrzyma³oœci¹ termoplasty czêœciowo krystaliczne stosowane s¹ g³ównie na
30
TS RAPORT
techniczne elementy konstrukcyjne,
które musz¹ spe³niaæ wysokie wymagania mechaniczne, natomiast mniej
podatne na paczenie siê termoplasty
amorficzne bardzo czêsto stosowane
s¹ na ró¿nego typu obudowy.
Nape³niacze i dodatki wzmacniaj¹ce
Mo¿na stosowaæ termoplasty niewzmocnione, wzmocnione w³óknem
szklanym i nape³niane substancjami
mineralnymi lub kulkami szklanymi.
W³ókno szklane zwiêksza przede
wszystkim wytrzyma³oœæ, sztywnoœæ
i temperaturê u¿ytkowania, natomiast
substancje mineralne i kulki szklane
wprawdzie wzmacniaj¹ w znacznie
mniejszym stopniu, ale za to przeciwdzia³aj¹ paczeniu siê (anizotropii skurczu).
3-4 / 2001
KONSTRUKCJA
Rys. 1. Termoplasty.
Rys. 2. Porównanie w³asnoœci termoplastów.
W³ókno szklane wywiera równie¿
30% w³ókna szklanego wyniós³ dla
kierunku. W³asnoœci mechaniczne obu
wp³yw na parametry przetwórstwa,
wytrzyma³oœci na rozci¹ganie 32%,
typów próbek zbadano na zrywarce
zw³aszcza na skurcz przetwórczy
dla modu³u sprê¿ystoœci wzd³u¿nej
(rys. 4).
(mniejszy w kierunku orientacji
43%, a dla udarnoœci 53%. Przy
w³ókien). Dlatego te¿
rozpatrywaniu
tworzyw wzmocniowytrzyma³oœci
nych w³óknem szklastraty te nale¿y
nym nie mo¿na bez
uwzglêdniaæ stokorekty wymiarów
suj¹c odpowiewyrobu zastêpowaæ
dnie wspó³czynnitworzywami
nieki bezpieczeñwzmocnionymi lub
stwa.
s³abiej wzmocnionyPonadto do
mi (rys. 3). Kierunek
termoplastów dop³yniêcia decyduje
daje siê du¿e iloo kierunku u³o¿enia
œci rozmaitych
w³ókna szklanego,
substancji dodata nastêpstwem zmian
kowych, co ma na
u³o¿enia jest zasadnicelu korektê innych
cza zmiana wytrzyw³asnoœci. Przy
ma³oœci mechaniczwybieraniu mateRys. 3. Zmiana w³asnoœci mechanicznych tworzywa (PA 66) przy dodawaniu subnej.
ria³ów nale¿y bardstancji wzmacniaj¹cych.
Dla zilustrowania
zo szczegó³owo
tych wzajemnych odsprawdziæ wszystdzia³ywañ wyciêto na frezarce próbki
kie zmiany w³asnoœci w odpowiednich
Spadek wytrzyma³oœci w poprzek
z p³ytek wykonanych metod¹ wtryskibroszurach lub bankach danych (np.
do kierunku p³yniêcia w przypadku
wania, przy czym czêœæ próbek zosta³a
PET z dowyciêta zgodnie z kierunkiem p³yniêdatkiem
cia, a druga czêœæ w poprzek do tego
Rys. 4. Próbki wyciête w kierunku p³yniêcia i w poprzek do kierunku p³yniêcia.
3-4 / 2001
Rys. 5. Wp³yw substancji dodatkowych.
TS RAPORT
31
KONSTRUKCJA
Rys. 6. Wp³yw wilgotnoœci.
Rysunek 7. Wp³yw wilgoci na w³asnoœci mechaniczne PA 66
(próbka o gruboœci 3,2 mm)
Campus) albo – co jest rozwi¹zaniem
jeszcze lepszym – skorzystaæ z konsultacji technicznych u specjalistów reprezentuj¹cych producentów surowców (rys. 5).
Wp³yw wilgoci
Niektóre termoplasty, zw³aszcza
PA 6 i PA 66, wch³aniaj¹ wilgoæ. Wywiera to istotny wp³yw na w³asnoœci
mechaniczne, a tak¿e na stabilnoœæ
wymiarów. Dlatego te¿ przy doborze
materia³u nale¿y zwracaæ szczególn¹
uwagê na tê cechê tworzyw (rys. 6, 7).
Dalsze kryteria doboru
Dobieraj¹c tworzywo nale¿y równie¿ braæ pod uwagê aspekty technologii przetwórstwa oraz montowania
wyrobów. Ponadto nale¿y sprawdziæ,
czy nie uda siê od razu wyprodukowaæ
wyrobu wielofunkcyjnego, co pozwoli³oby na unikniêcie drogich prac monta¿owych.
Przestrzeganie powy¿szych zaleceñ korzystnie wp³ywa na koszty produkcji. Dlatego te¿ przy kalkulacji ceny
nie mo¿na ograniczaæ siê wy³¹cznie
do ceny surowca. Nale¿y równie¿ pamiêtaæ o tym, ¿e zastosowanie materia³u o wiêkszej sztywnoœci pozwala na
zmniejszenie gruboœci œcianek, a tym
samym na skrócenie czasu cyklu.
Dobre wyniki daje sporz¹dzenie
wykazu wszystkich kryteriów doboru
materia³u i przeprowadzanie oceny
wed³ug tego wykazu. Ogólny schemat
kryteriów doboru podano na rys. 8.
Ten artyku³ mo¿na zobaczyæ
na stronie:
www.tworzywa.com.pl
KONTAKT:
DuPont Polska
ul. Prosta 69
00-838 Warszawa
tel. (22) 691 09 01
fax (22) 691 09 02
Rysunek 8. Schemat kryteriów doboru materia³u.
32
TS RAPORT
3-4 / 2001