22 października 2021


Elementy z tworzyw termoplastycznych wykonane metodą wtryskiwania stosowane są bardzo szeroko w różnych gałęziach przemysłu z uwagi na łatwość i szybkość wytwarzania skomplikowanych kształtów. Pozwala to na dużą swobodę na etapie projektowania elementu, jednocześnie umożliwiając obniżenie kosztów jego produkcji.

Dariusz Bednarowski, Łukasz Malinowski

W ostatnich latach popularne stało się także wprowadzanie termoplastów do produkcji elementów konstrukcyjnych, wykonywanych dotychczas najczęściej z metali, bądź innych materiałów charakteryzujących się wysoką wytrzymałością mechaniczną. W tego typu aplikacjach stosowane są techniczne kompozyty termoplastyczne, których własności mechaniczne podniesione są dzięki zastosowaniu wypełniaczy, najczęściej w postaci włókien szklanych. Zastosowanie włókien powoduje, iż izotropowy materiał osnowy termoplastycznej zamienia się w anizotropowy kompozyt o dużej zmienności własności, w zależności od kierunku orientacji znajdujących się w nim włókien. Orientacja włókien jest zależna od kierunku płynięcia tworzywa w gnieździe formy podczas procesu wtryskiwania. Z uwagi na trudność predykcji orientacji, a co za tym idzie jej wpływu na własności kompozytu, opisywana anizotropia jest często pomijana na etapie projektowania detali. Czasami inżynierowie stosują uproszczone podejścia mające oszacować jej wpływ na sztywność i wytrzymałość materiału, jednak w obydwu przypadkach może to prowadzić do projektu zbyt słabego bądź też przewymiarowanego elementu. Pomocne stają się tutaj wyniki obliczeń numerycznych pozwalające na wyznaczenie wpływu procesu wtryskiwania na własności mechaniczne końcowego produktu.

rys1_kompozyty_termoplastyczne
Rys. 1. Porównanie krzywych rozciągania dla PA 50%GF przy różnej orientacji włókien

Orientacja włókien a własności mechaniczne kompozytów termoplastycznych
Podstawowym źródłem informacji na temat własności kompozytów termoplastycznych są ich karty techniczne. Podstawowe własności mechaniczne zawarte w tych kartach wyznaczane są w oparciu o wyniki próby rozciągania wg normy ISO 527. Próbki do testów rozciągania wykonywane zgodnie z tą normą mają kształt wiosełek, kształtowanych bezpośrednio w procesie wtryskiwania. Z uwagi na jednokierunkowy przepływ materiału w gnieździe formy, wynikający z kształtu wiosełka, uzyskiwane próbki charakteryzują się wysokim stopniem orientacji włókien w kierunku działania siły podczas próby rozciągania. Stopień zorientowania włókien w tak wytworzonym wiosełku zazwyczaj mieści się w przedziale od 80 do 90%.
W celu wyznaczenia wpływu orientacji na własności mechaniczne materiału przygotowano wiosełka o kształcie zgodnym z wymienioną normą, jednak charakteryzujące się różną orientacją włókien. Wiosełka te wycinane były strumieniem wody pod różnymi kątami z płytki kwadratowej o jednokierunkowej orientacji. Na rysunku 1 przedstawiono kierunki wycięcia wiosełek z płytki oraz porównanie wyników ich rozciągania odniesione do wiosełka referencyjnego wtryskiwanego wg normy ISO 527. Wszystkie próbki wykonane były z materiału z grupy poliamidów, wypełnionego
w 50% włóknem szklanym. Jak widać na przedstawionym wykresie, nawet w przypadku wiosełka wycinanego z płytki w kierunku płynięcia materiału, a więc – orientacji włókien (próbka B), wytrzymałość do zerwania jest o około 20% niższa niż dla wiosełka wtryskiwanego bezpośrednio wg ISO 527 (próbka A). Tym samym wytrzymałość materiału wtryskiwanej płytki, przy obciążeniu w tym kierunku, jest o 20% niższa w stosunku do wartości, jaka znajduje się w karcie technicznej materiału. W przypadku badania wytrzymałości w kierunku poprzecznym do kierunku płynięcia materiału (próbka C) wiosełko ulega zniszczeniu przy osiągnięciu zaledwie 40% wytrzymałości podanej przez producenta materiału w jego karcie. Równie niską wytrzymałością charakteryzowało się wiosełko wycięte pod kątem 45° do kierunku płynięcia tworzywa (próbka D).
Podstawowym wnioskiem wynikającym z analizy powyższych wyników jest fakt, iż własności wytrzymałościowe mierzone w kierunku największej sztywności są zawyżone w stosunku do własności materiału we wtryskiwanym produkcie końcowym. Przedstawione wyniki w sposób jednoznaczny wskazują na konieczność uwzględniania orientacji włókien podczas projektowania detali wykonanych z kompozytów termoplastycznych. Tak duża zmienność wytrzymałości lokalnej materiału musi zostać uwzględniona podczas interpretacji wartości naprężeń występujących
w elemencie pod wpływem działania sił zewnętrznych. W zależności od lokalnej orientacji materiału mogą one stanowić o przekroczeniu (lub też o nie przekroczeniu) nośności granicznej materiału, a co za tym idzie – zniszczeniu elementu.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 12 (51) Grudzień 2011