Четыре основных элемента конструирования изделий из полимерных материалов
Успешная разработка изделий из пластмасс, перерабатываемых литьем под давлением, в значительной степени зависит от комплексного взаимодействия между материалом, конструкцией изделия из пластмассы, конструкцией пресс-формы и параметрами технологического процесса. Каждый из этих четырех элементов влияет на конструкцию изделия из пластмассы и на ее поведение после изготовления. Кроме того, каждый из них по отдельности представляет собой важную и сложную проблему. Рассмотрение взаимосвязи факторов в процессе разработки изделий из полимерных материалов кажется неразрешимой задачей.
Из-за сложности разработки отливок лучше всего, когда этот процесс осуществляется совместно с экспертами в каждой из четырех областей. Привлечение к работам инженера-производственника и конструктора пресс-форм на ранних стадиях конструирования изделия из пластмассы может помочь избежать многих производственных проблем. Применение структурного анализа или компьютерных программ моделирования процесса также может оказать существенную помощь. С помощью моделирования литья под давлением квалифицированный аналитик может оценить многие аспекты производства. Однако без хорошего понимания процесса конструктор может прийти к ложной уверенности в успехе проектирования. Следует признать, что подобные программы обеспечивают информацией, которая требует квалифицированной интерпретации.
Материал
В производстве изделий из пластмасс можно использовать огромное количество марок полимерных материалов. Это создает значительные трудности для конструктора, задача которого заключается в том, чтобы классифицировать материалы и определить их комбинацию, сочетающую в себе оптимальные эксплуатационные характеристики и технологичность при минимальной стоимости. Кроме рассмотрения требований к материалу на основе его будущего применения следует продумать, позволяет ли геометрия изделия из пластмассы осуществить из него отливку. Реальная конструкция должна удовлетворять требованиям к его механическим свойствам. Помимо этого, необходимо обеспечить возможность извлечения из пресс-формы.
Среда, в которой будет эксплуатироваться изделие, также налагает специфические требования к выбору типа и марки материала для конкретного приложения. Такие требования часто относятся к факторам, на которые не оказывает влияние реальная конструкция изделия. К свойствам материала, которые практически не могут повлиять на конструкцию, относятся химическая стойкость, устойчивость к ультрафиолетовому излучению, окрашиваемость, прозрачность, теплостойкость и малая усадка. В определенных случаях эти факторы характеризуют требования к материалу и имеют самый высокий приоритет в процессе его выбора. Такие свойства материала, как модуль упругости, устойчивость к динамическим нагрузкам и прочность на растяжение, относятся к механическим свойствам и при выборе имеют более низкий приоритет. На механические свойства изделия оказывают влияние как конструкция, так и марка материала; поэтому выбор конкретного материала на основе его механических свойств может ограничивать возможности конструирования изделия из пластмассы.
Кроме того, технические характеристики полимерных материалов гораздо сложнее, чем у большинства других. Лишь немногие из этих свойств являются постоянными, и часто о них имеется только ограниченная информация. К непостоянным свойствам относятся, например, такие фундаментальные характеристики, как модуль упругости, предел текучести и вязкость. Они могут влиять на скорость деформации, температуру, влажность, а также на сам процесс. На рис. 9.1 показано влияние температуры на пластмассовые изделия и скорости деформации на зависимость напряжения от деформации. Если конструктору требуется знать модуль упругости материала, из которого он собирается изготавливать изделие, то следует учитывать условия, при которых были получены данные, а также будущие условия эксплуатации. Опубликованный эталонный модуль упругости этого материала по ASTM ограничивает практическое использование при комнатной температуре и относительной влажности 50%.
Зависимости напряжения от деформации у полимерного материала и металла. Следует отметить не слишком большую зону линейной зависимости для полимера, в которой можно вычислить постоянный модуль упругости. При проектировании металлических изделий относительно легко получить модуль упругости, поскольку у него довольно большая зона линейной зависимости напряжения от деформации. Кроме того, металл обычно используется в приложениях с малыми деформациями, то есть там, где модуль упругости является величиной постоянной. Для пластмасс модуль упругости не является постоянной величиной, за исключением очень малой области при низких нагрузках. Это создает проблемы, поскольку полимеры, наоборот, обычно используются в приложениях при относительно больших нагрузках. В результате модуль упругости изменяет свою величину по мере деформации изделия. Шесть различных значений модуля упругости, полученных для данной марки материала в зависимости от величины деформации. Это показывает, что при увеличении изгиба образца его модуль постоянно меняется по мере возрастания величины упругой деформации.
Свойства полимерных материалов также изменяются со временем. Изделие под нагрузкой изначально может деформироваться очень незначительно. Со временем при такой же нагрузке деформация будет продолжаться. Обычно такой эффект называется «ползучестью».
Свойства изделий из полимерных материалов также существенно зависят от способа их получения. Такие факторы, как скорость охлаждения и направление потока расплава могут менять ориентацию молекул полимера и любых добавок или армирующих наполнителей. Ориентация создает анизотропные свойства в отливке.
Деформация
Рис. 9.1. Воздействие температуры и скорости деформации на зависимость напряжения от деформации у полимерных материалов
В тестах ASTM не указывается, каким образом был изготовлен образец. В результате большинство образцов для тестирования отливается при идеальных условиях, с наиболее предпочтительной ориентацией. Конструктор должен быть весьма осторожен при использовании этих данных и проверять зависимости при конструировании изделия из пластмассы.
12-09-2022
03-03-2021
02-03-2021
17-02-2021
06-04-2020