23 października 2021


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.
Rys2_sJedną 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.
Rys3_sBardzo 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.
Rys4_sAby 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. Rys5_sW 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:
www.polymerfem.com
www.dupont.com
www.tworzywa.com

artykuł pochodzi z wydania Kwiecień 4 (19) 2009