Tworzywa a Metale

Elementy Strukturalne:
Z Metalu na Tworzywo...
Mariusz Makowski, DuPont Poland
Ossa, październik 2012
2
Czy inżynierowie są materiałowymi konserwatystami ?
Zmiany materiału są oczekiwane, gdy pozwalają na:
Oszczędność kosztów
+
Redukcję masy
+
Integrację funkcji użytkowych
+
Poprawę rozwiązania technicznego
= Zmiana Materiału
Dobór właściwego materiału do aplikacji:
Zmiana z metalu lub tw.termoutwardzalnego na tworzywo, wymaga:
 Dobrej znajomości pierwotnego materiału
 Jasno określonych specyfikacji i wymagań
 Akceptacji i respektowania różnic pomiędzy materiałami
 Właściwej metodologii doboru nowego materiału / tworzywa
Typ polimeru
Modyfikacja
Wzmocnienie
Przetwórstwo
Koszt całkowity
Tyczka bambusowa
1948
Tworzywa i Metale różnią się:
Tworzywa mają niższe właściwości mechaniczne niż metale
Tworzywa są czułe na temperaturę / wilgotność
Tworzywa ulegają degradacji termicznej
Tworzywa mają właściwości izolacyjne: elektryczne i cieplne
Tworzywa maja niższą gęstość
Tworzywa mogą być łatwo barwione
Tworzywa wykazują się wysoką odpornością na korozję
Wtrysk jest procesem produkcyjnym o wysokiej wydajności
Zmiana z Metalu na Tworzywo:
Fakty:
Tworzywa są bardziej wymagającymi materiałami konstrukcyjnymi niż metale
 Wymagana jest wiedza z zakresu właściwości metali jak i dobra znajomość tworzyw
Właściwości tworzyw nie dorównują metalom
 Większe ryzyko w przypadku nowych konstrukcji z tworzyw
 Trudności z przekonaniem / konwersją „inżynierów w metalowych hełmach"
Metale są tańsze (zł/kg) (a właściwie (zł/cm3)
 Tworzywa są droższe niż metale – należy rozpatrywać koszt całkowity wyrobu
 Techniki przetwórstwa metali zostały opracowane dla produkcji masowej
6
Tworzywa pozwalają na oszczędności:
Niższy całkowity koszt produkcji
Brak konieczności wykończenia/obróbki powierzchni
Węższe tolerancje bez konieczności obróbki mechanicznej
Wyższa jakość powierzchni
Dłuższa żywotność narzędzia
Niższe koszty logistyczne
Gotowa
część
Malowanie
Metal
Diecasting Topienie
Obróbka
Odlewanie
Odlewanie
Granulat
Wtrysk
Wypraska
Wtrysk
VS.
Porównanie własności popularnych materiałów
Polimery vs. Alu !
> 40% niższa masa
przy tej samej
wytrzymałości
9
Wytrzymałość / Gęstość
Aż do 163
PPA
130
Wytrzymałość właściwa – współczynnik opisujący jak
bardzo wytrzymały jest materiał w odniesieniu do
gęstości: Jednostka SI dla wytrzymałości właściwej to
(N/m2)/(kg/m3) lub (N·m/kg)
Stopy Magnezu
80
Stopy Aluminium
Stal Miękka
60
42
0
Cynk
50
100
150
200
Wytrzymałośc właściwa (N·m/kg)
500mg
100x waga ciała
460kg
4x waga ciała
10
Wtrzymałość na rozciąganie, 23ºC, 50%RH
Wutrzymałość na rozciaganie MPa
300
250
200
150
100
50
0
11
Wydłużenie do pęknięcia, 23ºC, 50%RH
12
Wydłużenie do pęknięcia %
10
8
6
4
2
0
12
Moduł Sztywności, 23ºC, 50%RH
90
80
Moduł sztywności GPa
70
60
50
40
5X
30
20
10
0
14
Projektowanie części wtryskiwanych:
Odlewanie / Wtrysk Metali
Grube przekroje
Często przewymiarowane
Wymagana obróbka mechaniczna w celu osiągnięcia wymaganych tolerancji
Nie należy kopiować projektu „metalowego” na rozwiązanie w tworzywie !
Tworzywa Konstrukcyjne
Wypraska ma spełnić wymagania konstrukcyjne a nie być wierną kopią rozwiązania metalowego
Cienkie ścianki
Optymalizacja projektu z wykorzystaniem CAD
Konstrukcja wyrobu i narzędzia pozwalająca na uniknięcie obróbki mechanicznej
Oszczędność kosztów dzięki integracji funkcji
Jak dobrać właściwe tworzywo?
Takie same właściwości użytkowe jak część z metalu:
Wymagania mechaniczne, udarność, sztywność
Odporność termiczna
Niezmienność właściwości mechanicznych w zmiennym środowisku (wilgoć, UV)
Odporność na pełzanie
Odporność chemiczna
Łatwość przetwórstwa
Łatwość montażu
Recykling
Oszczędność - również w zakresie cyklu życia wyrobu
17
Efekty wpływu środowiska:
Widoczny wpływ czynników środowiskowych na tworzywa:
Wysokie temperatury – krótkotrwale
Wysokie temperatury – długotrwale
Długotrwałe obciążenia mechaniczne – pełzanie
Wilgoć - poliamidy
Wpływ wysokich temperatur - krótkotrwale
Moduł Sztywności - Temperatura
PA66 (35% GF)
14000
PPA (35% GF)
Moduł sztywności (MPa)
16000
PA46 (30% GF)
12000
PPS (40% GF)
10000
PET (30% GF)
8000
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
Temperatura (°C)
19
Wpływ wysokich temperatur - długotrwale
Starzenie @ 200°C
(testowane @ 23°C)
240
PPA (35% GF)
220
PA46 (30% GF)
200
PPS (40% GF)
180
PA66 (33% GF)
160
PET (30% GF)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
500
1000
1500
Czas starzenia(h)
2000
2500
3000
20
Długotrwałe obciążenie mechaniczne = Pełzanie
14,000
Moduł pełzania, Mpa
12,000
10,000
8,000
PPA (45%GF)
PA66 (50%GF)
6,000
4,000
2,000
0
0.001
1
10
100
1,000
10,000
Czas, h
100ºC @ 28 MPa
“Zwiększenie odkształcenia przy stałym obciążeniu”21
Zmiana właściwości pod wpływem wilgoci
260
PA66 50%GF
DAM
Zytel® HTN53G50
PA46 50%GF
50% RH
250
Zytel® HTN51G45
Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)
240
PA6 50%GF
230
Zytel® HTN54G50
220
210
200
Zytel® HTN52G45
190
180
170
160
150
140
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Sztywność(GPa)
17
18
19
20
21
22
22
Oszczędność kosztów dzięki projektowi
Cena jako cecha konstrukcyjna:
Projektant wypraski ponosi największą
odpowiedzialność za finalną cenę
komponentu.
Jego decyzje predeterminują koszty
produkcji, narzędzia i montażu. Zmiany na
poźniejszych etapach są bardzo
kosztowne i często niepraktyczne.
Wpływ właściwości tworzywa na koszt
Projekt z wielokrotną integracją funkcji
Redukcja liczby części poprzez integrację funkcji w jednym komponencie.
Użycie technik łączenia przenoszących oszczędności
Zatrzaski, zapraski, zgrzewanie, technologia 2K
Wykorzystanie korzystnych właściwości trybologicznych tworzyw
Uniknięcię konieczności smarowania i stosowania łożysk
Eliminacja obróbki powierzchni
Integralny kolor, odporność na korozję chemiczna, dobre własności elektro- i
termoizolacyjne.
Nukleizacja
Przyśpiesznie procesu krystalizacji tworzyw dzięki stosowaniu odmian nukleizowanych
Wpływ rozwiązania/projektu na koszt
Grubość ścianek
Zoptymalizowane grubości ścianek wpływają na oszczędność masy tworzywa (ciężaru
wypraski) i pozwalają na skrócenie czasu cyklu
Formy
Formy dwupłytowe, redukcja powierzchni podziału
Tolerancje
Wąski zakres tolerancji zwiększa niebezpieczeństwo powstawanie odrzutów
produkcyjnych i utrudnia współpracę z Kontrolą Jakości
Materiały
Oszczędność dzięki zastosowaniu „szybkich” tworzyw oraz poprawa geometrii
wyprasek dzięki materiałom o niskim paczeniu
Tolerancje: Tworzywa a Metale
Cena jednostkowa
Tolerancje kosztują!
Wtrysk precyzyjny
Generalnavariations
zasada tolerancji
Factors
influencing dimensional
100 mm
100 @ 0.3 % = 0.3
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Tolerancja % dewiacja
od wymiaru nominalnego
Stal standard
Zgrubne
Standard
Wąskie
100 ± 0.50
100 ± 0.05
100 ± 0.01
100
+ 0.30
- 0.00
100
+ 0.00
- 0.30
100
+ 0.20
- 0.10
Delrin®
Zgrubne
Standard
Wąskie
100 ± 0.50
100 ± 0.20
100 ± 0.15
26
27
28