Разработка изделия из пластмассы и подбор материал

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.