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.
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.
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.Inżynier, który ma za zadanie obliczenie wytrzymałości elementów z tworzyw sztucznych, musi dodatkowo uwzględnić kilka cech tworzyw sztucznych, z którymi ma rzadko do czynienia, obcując z bardziej tradycyjnymi materiałami konstrukcyjnymi takimi jak np. metale. Jedną z tych właściwości jest lepkosprężystość. W przeciwieństwie do metali, które należą do materiałów sprężysto-plastycznych, niektóre tworzywa sztuczne wykazują cechy lepkosprężystości. Jeżeli element konstrukcji wykonany np. z polietylenu zostanie poddany obciążeniom, które będą szybko narastały, to pęknie wykazując niewielkie odkształcenia plastyczne. Jeżeli natomiast ten sam element obciąży się bardzo powoli to okaże się, że nie podlega on zniszczeniu pomimo znacznych – kilkudziesięcio procentowych – odkształceń. Właściwość ta jest bardzo istotna i nie można o niej zapomnieć podczas projektowania elementów z tworzyw sztucznych. Nie można jej również pominąć podczas wykonywania prób wytrzymałościowych tworzyw, które należy zawsze przeprowadzać z uwzględnieniem zaleceń odpowiednich norm.
Kolejnymi właściwościami, o których można zapomnieć w przypadku metali, ale których nie można zbagatelizować projektując i weryfikując obliczeniowo elementy z tworzyw sztucznych są właściwości statyczne – długotrwałe. Część wykonana z tworzywa sztucznego poddana długotrwałemu obciążeniu w sposób trwały zmienia swoje wymiary. Zjawisko to jest nazywane pełzaniem. Pełzanie można uwzględnić w obliczeniach stosując wykres pełzania i odczytując z niego (w sposób pośredni) moduł pełzania.
Relaksacja (wiotczenie) to druga z właściwości doskonale opisująca zachowanie się materiału pod wpływem obciążeń długotrwałych. O ile w przypadku pełzania ma się do czynienia ze zmianą wymiarów elementu pod wpływem przyłożonego obciążenia, to w przypadku relaksacji zachodzi zjawisko polegające na zmniejszaniu się naprężenia wstępnego (rozciągającego lub ściskającego) przy stałej wartości odkształcenia elementu. Ze zjawiskiem tym zmagają się konstruktorzy projektujący elementy z tworzyw sztucznych, w które wkomponowane są inne elementy np. metalowe zapraski. Zapraski to nic innego jak elementy, wykonane z innego materiału, osadzone w wyrobach wtryskowych. Zapraski metalowe stosuje się, gdy w danym miejscu wymagane jest zwiększenie wytrzymałości wyrobu. Wypraska może wówczas pełnić rolę elementu usztywniającego, łożyskowego, złącznego itp.
Bardzo często zdarza się, że przedmioty, które w swojej pierwotnej postaci były metalowe, zastępowane są przez elementy, częściowo lub w całości wykonane z tworzywa sztucznego. Podczas dokonywania takiej „przemiany” należy pamiętać o tym, że tworzywa sztuczne w sposób istotny różnią się od tzw. klasycznych materiałów konstrukcyjnych. Zwykłe skopiowanie kształtu elementu, który pierwotnie był metalowy, może się okazać niewystarczające. Inżynier musi uwzględnić kilka charakterystycznych cech tworzyw sztucznych, mających istotny wpływ na zachowanie się konstrukcji w warunkach eksploatacji. Bardzo popularnym i stosowanym na szeroką skalę w motoryzacji, ale nie tylko, tworzywem jest poliamid. Jest to tworzywo termoplastyczne, które w porównaniu z innymi termoplastami posiada znakomitą wytrzymałość, odporność na oleje, stabilność w szerokim zakresie temperatur itp.
Aby dodatkowo poprawić, ulepszyć ten materiał dodaje się do niego np. włókna szklane, o średnicy od 10 do 25 μm, uzyskane ze stopionej masy szklanej. Włókna te mają zadanie podobne do stalowych prętów zbrojeniowych zalanych betonem – mają poprawić niektóre własności tworzywa, nie pogarszając jednocześnie innych. Poliamidy zbrojone włóknem szklanym mają niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, są bardziej wytrzymałe cieplnie, mają większą wytrzymałość na zerwanie i wchłaniają o wiele mniej wilgoci. Znajdują więc zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebny jest materiał odporny na działanie wysokich temperatur i o małej chłonności wody.
Aby w pełni wykorzystać zalety materiału zbrojonego włóknem należy zachować kilka podstawowych zasad podczas projektowania. Po pierwsze należy uwzględnić skurcz przetwórczy. Włókno szklane sprawia, że skurcz ten jest mniejszy w kierunku orientacji włókien. Nie wolno o tym zapomnieć i należy projektować wyrób już pod konkretny materiał.
Drugą istotną zasadą jest kierunek orientacji włókien. Materiał zbrojony posiada o wiele większą wytrzymałość gdy kierunek naprężeń jest zgodny z kierunkiem ułożenia włókien. Skąd jednak konstruktor ma wiedzieć, jak ułożą się włókna w materiale? Zasada jest prosta – w pobliżu ścianki formy włókna układają się w kierunku płynięcia tworzywa podczas wtrysku. W środku przekroju – w miejscach oddalonych od ścianek formy – włókna są ułożone w sposób chaotyczny. Tak więc zwiększanie grubości ścianki wyrobu nie jest skuteczną metodą na poprawę wytrzymałości konstrukcji. Materiał będzie się charakteryzował wysokimi własnościami mechanicznymi jedynie w pobliżu brzegów ścianek, natomiast im dalej w głąb materiału tym mniej zauważalny efekt zbrojenia tworzywa włóknami szklanymi. Zamiast zwiększyć grubość ścianki należy zatem zastosować żebra. Pozwoli to nie tylko zmniejszyć masę przedmiotu, ale również poprawi jego wytrzymałość. Oczywiście żebra należy zaprojektować tak, aby było możliwe wykonanie wypraski.
Ścisła współpraca konstruktora z inżynierem odpowiedzialnym za przyszłe wytworzenie przedmiotu jest więc konieczna wszędzie tam, gdzie projektowane są elementy z tworzyw sztucznych.
Antoni Skrobol
Autor jest inżynierem ds. badań w gliwickim centrum inżynieryjnym Tenneco Automotive Eastern Europe
Źródła:
polymerfem.com
dupont.com
tworzywa.com
artykuł pochodzi z wydania Kwiecień 4 (19) 2009
