16 grudnia 2017


Niniejszy artykuł jest skierowany przede wszystkim do osób, które rozpoczynają dopiero swoją przygodę z projektowaniem przedmiotów z tworzyw sztucznych. Starałem się przedstawić w nim kilka podstawowych zasad i reguł, o których, moim zdaniem, nie można zapomnieć podczas projektowania.


Antoni Skrobol

XX wiek był z pewnością wiekiem niezwykłym – wiekiem ciekawych odkryć i znacznych osiągnięć w każdej dziedzinie nauki i techniki. Przeglądając opracowania, badania i ankiety na temat przełomowych odkryć w nauce można natrafić na opinie, że rozszczepienie atomu, odkrycie DNA, przeszczepy, antybiotyki, telewizja i Internet to wynalazki, które najbardziej zmieniły świat. Bardzo często zapominamy o tym, że większość tych odkryć i dokonań byłaby niemożliwa bez znaczącego postępu w dziedzinie materiałoznawstwa. Jeżeli zaś o materiałach mowa, to nie można pominąć tworzyw sztucznych –materiałów, które nie tylko pozwalają nam odkrywać i zdobywać świat, ale również towarzyszą nam w naszym codziennym życiu. Od czasu gdy firma DuPont wynalazła nylon w latach 30-tych XX wieku tworzywa sztuczne zaczęły robić oszałamiającą karierę i wdarły się przebojem do każdego zakątka naszego domu, mieszkania lub miejsca pracy. Zaryzykuję stwierdzenie, że każda z osób, które w tej chwili czytają ten tekst ma w swoim najbliższym otoczeniu rzecz wykonaną z tworzywa sztucznego. Może jest to tylko guzik, może element krzesła, obudowa drukarki lub łopatki wentylatora w klimatyzacji.
Tworzywa sztuczne to ogromna grupa materiałów o bardzo szerokim spektrum własności. Mają małą gęstość w porównaniu z metalami w związku z czym przedmioty z nich wykonane są stosunkowo lekkie. Niektóre z tworzyw są bardzo odkształcalne – przykładem może być guma, której wydłużenie przy zerwaniu może być rzędu kilkuset procent. Dla porównania - wydłużenie typowych stali mieści się w przedziale 10-40%. Dodatkową zaletą jest sposób produkcji elementów z tworzyw sztucznych. W większości przypadków ostateczną postać elementu uzyskuje się już w pierwszej operacji. Przykładem może być proces tworzenia wypraski z tworzyw termoplastycznych. Po wtryśnięciu roztopionego granulatu z formy wyciąga się gotowy przedmiot. Wszystkie dodatkowe operacje wykonywane później zazwyczaj nie mają istotnego wpływu na działanie wyrobu.
Te wszystkie cechy, oraz wiele innych, sprawiają, że pokusa zastosowania tworzywa sztucznego jest wielka. Pojawia się jednak problem - materiał, musi zostać dobrany tak, aby jego własności umożliwiały funkcjonowanie przedmiotów z niego wykonanych zgodnie z oczekiwaniami użytkownika, nie ważne czy dany element z tworzywa pełni istotną czy mało odpowiedzialną rolę. Nikt nie życzy sobie aby guzik topił się podczas prasowania lub żeby pękał podczas zapinania koszuli. Miło jest również wiedzieć, że krzesło na którym siedzę zostało przewidziane do znoszenia wielokrotnych krótkotrwałych obciążeń dynamicznych oraz statycznych obciążeń długotrwałych.
Projektując plastikową część nie można zatem nie zadać pytania o warunki eksploatacji. Wpływ otoczenia – wilgotność, temperatura, agresywna atmosfera – to wszytko ma znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania. Na przykład w przypadku nylonu 66 absorpcja wody, aż do osiągnięcia stanu równowagi, wynosi 2,5% w sytuacji, gdy materiał przebywa w środowisku o 50% wilgotności oraz 8,5% dla 100% wilgotności otoczenia.
Absorpcja wody powoduje, że pierwotne wymiary elementu z tworzywa zwiększają się. Wspomniany już nylon 66 zwiększa swoje wymiary o 0,6% przy 50% wilgotności oraz o około 2,6% przy 100% wilgotności. Projektując przedmiot, który będzie musiał współpracować z innymi w warunkach wilgotnych należy więc uwzględnić tę cechę i zastosować odpowiednie tolerancje wymiarowe. Należy przy tym pamiętać, że proces absorpcji wody jest odwracalny – materiał wchłania wilgoć z otoczenia, ale również „schnie” gdy przebywa w środowisku tej wilgoci pozbawionym. Fakt, że materiał po wchłonięciu wilgoci staje się bardziej rozciągliwy, odporniejszy na ścieranie i dodatkowo obniża się jego moduł E można wykorzystać na własną korzyść. Z tego też powodu niektórzy moczą w wodzie plastikowe zatyczki służące do mocowania tapicerki samochodowej, aby zmniejszyć ryzyko ich pęknięcia podczas montażu.

Rys1
Przykładowe krzywe rozciągania poliamidu zbrojonego włóknem szklanym

Żyjemy w klimacie umiarkowanym. Ma to swoje zalety, ale ma również wady. Temperatura latem może sięgać 30-40 stopni, podczas gdy zimą spadać do -20°C. Zakładając, że latem w samochodzie, postawionym na silnie nasłonecznionym parkingu, temperatura w kabinie może wzrosnąć do 60°C, wyzwanie dla konstruktorów jest spore. Należy zapewnić stabilność wymiarową i wzajemne prawidłowe dopasowanie części w tak szerokim zakresie temperatur. Rozszerzalność liniowa materiałów to nie jedyna przeszkoda. O ile stopy metali, takie jak stal lub stopy aluminium, zachowują w miarę nie zmienione własności mechaniczne w przedziale temperatur od -30°C do +120°C to własności tworzyw zmieniają się w tym zakresie w sposób istotny. Krzywa rozciągania poliamidu dla temperatury -20°C różni się w znacznym stopniu od tej dla temperatury 150°C. W wysokiej temperaturze materiał ten ma znacznie niższy moduł sprężystości E oraz wyższe wydłużenie przy zerwaniu.
Krzywa rozciągania stali ma w początkowym zakresie charakter liniowy. Obowiązuje prawo Hooke’a – naprężenia w materiale zależą bezpośrednio od odkształcenia. To bardzo upraszcza sprawę – wystarczy znać moduł Younga i można w prosty sposób wykonywać obliczenia wytrzymałościowe w zakresie liniowym. Dopóki granica plastyczności materiału nie jest przekroczona, wiadomo, że wyniki są prawdziwe. Tworzywa sztuczne, takie jak popularne w motoryzacji poliamidy, zachowują się w sposób liniowy na bardzo krótkim odcinku krzywej rozciągania (zwłaszcza w podwyższonych temperaturach). Aby uzyskać dokładne wyniki, obliczenia wytrzymałościowe, za pomocą metody elementów skończonych, wymagają stosowania rzeczywistej krzywej rozciągania lub skomplikowanych modeli materiałowych.