Prediction of mechanical behavior of plastic parts

Polymery jsou makromolekulární látky a jejich struktura a chování jsou rozdílné ve srovnání s kovy. Struktura kov� je tvo�ena krystalickými m�í�kami a jednotlivé atomy(ionty), tvo�ící uzly m�í�ky, jsou navzájem svázány pevnými kovovými vazbami, které jsou p�í�inou jejich typické pevnosti a teplotní odolnosti. Ozna�ení kovová vazba vychází z p�edstavy moderní teorie kov�, podle které jsou valen�ní elektrony atom� tvo�ící kov voln� sdílené mezi všemi atomy, tak�e kovové ionty jsou obklopeny a prostoupeny jakýmsi „elektronovým plynem“. P�ítomnost takových volných elektron� velmi dob�e vysv�tluje vysokou tepelnou a elektrickou vodivost, kovový lesk, pravidelnou krystalickou m�í�ku. Polymery jsou naproti tomu tvo�eny zapleteninami makromolekulárních �et�zc� o r�zných délkách. Makromolekulární �et�zce jsou slo�eny z opakujících se základních strukturních jednotek, nazývaných mery. Mery jsou tvo�eny atomy nebo skupinami atom� r�zných prvk�. P�evládá C, H, O. Tyto �et�zce jsou spolu spojeny slabými Van der Vaalsovými vazbami a vodíkovými m�stky, pak hovo�íme o termoplastech. Nebo �et�zce mohou být spojeny chemickými kovalentními vazbami, v tomto p�ípad� se jedná o termosety.

Dále se v tomto p�ísp�vku budeme zabývat pouze termoplasty. Termoplasty podle struktury d�líme na amorfní, u kterých jsou �et�zce vlivem tepelného Brownova pohybu nepravideln� uspo�ádány, a semikrystalické, kdy jsou makromolekulární �et�zce �áste�n� uspo�ádány do pravidelných lamel, které pak vytvá�í sférolity. P�i zvyšování teploty plastu se Brownovým pohybem rozkmitají nejprve menší úseky makromolekul a za�íná se sni�ovat pevnost polymeru. P�i dalším dodání tepelné energie se rozkmitají v�tší úseky a dále dojde k rozrušení výše uvedených soudr�ných sil do té míry, �e se �et�zce od sebe odpoutají a z tuhého polymeru se stává viskózn� tekutá tavenina. V tomto stavu se dají polymery zpracovávat ve form�. Polymery se modifikují r�znými plnivy, které se smíchají s polymerem ve viskózním stavu, pak hovo�íme o plastech.

Materiálové vlastnosti v pevnostním výpo�tu plastových díl�

P�i pevnostních výpo�tech kovových díl� p�edpokládáme a po�adujeme, aby materiál byl namáhán pouze v rámci elastických (vratných) deformací, tj. v mezích Hookova zákona, kde pom�rné prodlou�ení nar�stá úm�rn� se zat�ujícím nap�tím. Na tomto p�edpokladu je zalo�ena v�tšina úloh. Hovo�íme zde o chování kov� p�i teplotách do 100 a� 150°C. Tento zjednodušený p�ístup dovoluje struktura atomové m�í�ky.

U plast�, zejména pak vst�ikovaných, je situace odlišná. Plasty vykazují v�tšinou velmi úzkou oblast lineárního chování v rámci Hookeova zákona. Plasty mají proti kov�m modul pru�nosti asi o dva �ády ni�ší, kde�to pevnost je ni�ší jen asi o jeden �ád. M��e tedy dojít k tomu, �e p�i zat�ování plastového výrobku vzniknou tak velké deformace, které jsou nep�ípustné z hlediska funkce výrobku (prohnutí, net�snost, odchlípení, zkroucení apod.), i kdy� ješt� nebyly p�ekro�eny dovolené hodnoty pom�rného prodlou�ení edov nebo nap�tí sdov. Dále pak modul pru�nosti, co� je vlastn� konstanta úm�rnosti ve vztahu mezi nap�tím a pom�rným prodlou�ením, p�estává být díky viskoelastickému chování plast� konstantou a závisí výrazn� také na teplot� a u navlhavých plast� také na vlhkosti vzduchu. To jsou materiálové vlastnosti, které je nutno zohlednit v materiálovém modelu plast� p�i pevnostních výpo�tech. (Obr. 1)

Viskoelastické chování

Viskoelastické chování plast� se projevuje tokem za studena (creepem) a relaxací nap�tí. Tok za studena se projevuje pohybem nadmolekulární struktury plastu v �ase p�i konstantním zatí�ení a m��e být zp�soben i vlastní tíhou plastového dílu. P�íkladem m��e být prota�ení plastové struny v �ase, kdy na ni zav�síme záva�í. Relaxace nap�tí je pokles stavu napjatosti v �ase. Jako p�íklad m��e poslou�it sní�ení axiální síly šroubového spojení po ur�itém �ase p�i pou�ití plastové matice. Viskoelastické chování plastu musíme zahrnout do pevnostního výpo�tu p�i �asovém p�sobení zatí�ení.

Závislost pevnosti plastu na teplot� (Obr. 1)

Pevnost plast� je výrazným zp�sobem závislá na teplot�. P�i zvýšení teploty dílu na teplotu nad 60 °C dojde zásadním zp�sobem ke sní�ení pevnosti u v�tšiny komoditních a konstruk�ních plast�. Naopak p�i sní�ení teploty pod -10 °C pevnost plastu naroste, ale sní�í se ta�nost a rázová hou�evnatost. Stejn� tak je na teplot� závislé i viskoelastické chování.

Závislost pevnosti plastu na vlhkosti prost�edí (Obr. 1)

N�které plasty nap�. PA, PU jsou siln� navlhavé. Jsou schopny absorbovat a� 5% vzdušné vlhkosti. Molekuly vody mezi makromolekulárními �et�zci sni�ují t�ení a zvyšují volný objem. Tím se zvýší ohebnost nadmolekulární struktury a zárove� naroste objem plastu. Výsledkem je pokles pevnosti a nár�st ta�nosti a rázové hou�evnatosti. Nár�st objemu vede ke zv�tšení rozm�r� dílu. Pevnost i rozm�ry se pak m�ní podle relativní vlhkosti vzduchu, podle toho v jakém prost�edí se díl práv� nachází.

Obr. 1: Vliv teploty, relativní vlhkosti a rychlosti zat�ování na pevnost plastu.

Vliv vst�ikovacího procesu na pevnost plastových díl�

Vst�ikovací proces a s ním spojený technologický design dílu mohou zásadním zp�sobem ovlivnit pevnost plastového dílu. Zásadní vliv na mechanické chování plastového dílu m��e mít p�ítomnost studených spoj� a lunkr�. P�i pln�ní dutiny formy dochází k orientaci nadmolekulární struktury a p�ípadn� vláknitého plniva. V pr�b�hu vst�ikovacího procesu se v plastovém dílu indukují reziduální nap�tí generovaná vnit�ními silami. Pevnost plastu vst�ikovaného dílu závisí také na hodnot� a �ase dotlaku. Další ovlivn�ní mechanického chování dílu je ovlivn�no teplotou formy, resp. pr�b�hem teplotního pole v cyklu. Tyto výše uvedené nehomogenity doká�eme velmi dob�e predikovat pomocí CAE Moldflow analýzy.

Studené spoje (Obr. 2)

Studené spoje vznikají p�i pln�ní dutiny formy, kdy� se setkají dv� �ela proudící taveniny v dutin� formy. K této situaci dojde, kdy� se proud taveniny rozd�lí p�i obtékání nap�. tvárníku ve form� na dv� �ásti a ty se op�t spojí v jeden proud za tvárníkem. Podobná situace nastane, kdy� je dutina formy pln�na více vtokovými ústí, která nejsou �ízena. Studený spoj vznikne na soutoku jednotlivých proud�. Sní�ení mechanických vlastností ve studeném spoji závisí na odvzdušn�ní dutiny formy v daném míst�, na teplot� �ela taveniny, lokálním tlaku a na p�ítomnosti vláknitého plniva. Predikce exaktních mechanických vlastností ve studeném spoji je v reálné situaci velmi obtí�ná, ale v ka�dém p�ípad� by m�la být zahrnuta do pevnostního výpo�tu, by� jen posouzením p�ípadných nap�ových špi�ek ve studeném spoji. Na tomto míst� stojí také za zmínku jetting efekt (volný proud taveniny z vtokového ústí), který také vytvá�í studený spoj.

Obr. 2: Predikce studených spoj�, analýza nap�tí, lom dílu a orientace krátkých sklen�ných vláken ve studeném spoji.

Lunkry (Obr. 3)

Lunkry jsou vakuoly, ostrými hranami ohrani�ené dutiny, vznikají nedostate�ným p�sobením dotlaku. Nej�ast�ji jsou zp�sobeny špatným technologickým designem plastového dílu, p�íp. nevhodným umíst�ním vtokového ústí. Lunkr p�edstavuje sní�ení pr��ezu st�ny plastového dílu a zárove� na ostrých hranách dochází k vrubové koncentraci nap�tí. Z t�chto míst se pak mohou ší�it mikrotrhliny, které vedou zejména p�i cyklickém namáhání k destrukci dílu. Potenciální vznik lunkr� doká�eme pomocí Moldflow velmi dob�e predikovat.

Obr. 3: Predikce vzniku lunkr�, lom dílu a analýza nap�tí

Reziduální nap�tí (Obr. 4)

Reziduální nap�tí je indukováno v plastové dílu po celou dobu vst�ikovacího procesu. Nejvyšší hodnoty jsou pak indukovány ve fázi dotlaku a chlazení. Velikost reziduálního nap�tí závisí na velikosti rozdíl� hodnot tlaku a teplot, resp. rovnom�rnosti tlakového a teplotního pole jak v objemu dílu, tak v �ase, a to i po vyhození dílu z dutiny formy. Po vyhození dílu dochází k ochlazování dílu na teplotu okolí bez vazeb dutiny formy. �ást reziduálního nap�tí se realizuje na deformaci plastového dílu a �ást nap�tí relaxuje po celou dobu �ivotnosti plastového dílu.

Obr. 4: Popraskání dílu z PP se záliskem, p�sobením reziduálního nap�tí. Analýza Moldflow reziduálního nap�tí.

Orientace

P�i pln�ní dutiny formy a �áste�n� také p�i dotlaku dochází k orientaci nadmolekulární struktury polymeru ve sm�ru toku taveniny. Tento fakt se projevuje u semikrystalických polymer�, u amorfních polymer� není významný. Mnohem významn�jším faktorem orientace je plnivo v podob� vláken. Vlákna se p�i pln�ní dutiny orientují ve sm�ru toku taveniny a pevnost výsledné struktury závisí na sm�ru orientace vláken. (Obr. 5) Ve sm�ru orientace vláken je pevnost výrazn� vyšší ne� pevnost kolmo na sm�r orientace. Vlákna mohou být krátká 0,4-0,8mm nebo dlouhá 8-12mm délky. V p�ípad� dlouhých vláken je nutno po�ítat se zkracováním vláken lámáním p�i pr�chodu plastika�ní jednotkou, vtokovým systémem a dutinou. Orientaci vláken i lámání m��eme predikovat pomocí CAE Moldflow a stejn� tak m��eme analyzovat zm�nu pevnosti plastu v objemu vst�ikovaného dílu. Tuto ortotropní materiálovou charakteristiku m��eme namapovat na sí� kone�ných prvk� ur�enou pro pevnostní analýzu nap�. v Abaqus CAE.

Tlak v dutin� formy a teplota formy

Tlak v dutin� formy p�i dotlaku m��e také ovlivnit pevnost plastu. S vyšším tlakem se zv�tšuje také pevnost plastu. Tzn., �e v oblasti vtokového ústí má díl v�tší pevnost ne� na konci tokové dráhy, kde je p�sobení tlaku menší. Teplota formy ovliv�uje u semikrystalických polymer� podíl krystalické fáze. S vyšší teplotou formy nar�stá i podíl krystalické fáze. Vyšší podíl krystalické fáze znamená vyšší pevnost plastu, ale ni�ší ta�nost a rázovou hou�evnatost.

Pevnostní analýza vst�ikovaných díl�

Jak u� bylo �e�eno v úvodu, plasty jsou slo�ité na popis materiálového modelu pro pevnostní analýzu. Je nutno mít k dispozici materiálová data, zahrnující co nejvíce nam��ených parametr�, zp�es�ujících výpo�et.

Aby pevnostní analýza co nejv�rn�ji popisovala realitu, musíme do výpo�tu zahrnout také nehomogenity vzniklé v pr�b�hu vst�ikovacího procesu. Velmi dob�e umíme zahrnout do pevnostní analýzy orientaci vláken, studené spoje, reziduální nap�tí a �áste�n� také lunkry a orientaci krystalické struktury. Analytickou úlohu pak �ešíme jako spojení úlohy Moldflow a pevnostní analýzy.

Charakter zatí�ení

Zatí�ení plastového dílu m��e být p�sobením vn�jších sil a prost�edí. Vn�jší síly mohou p�sobit staticky, cyklicky nebo dynamicky. P�i statickém zatí�ení se hodnota a sm�r zatí�ení nem�ní v �ase. Je to nap�. tíha, montá�ní zatí�ení. P�i cyklickém nebo míjivém zatí�ení se hodnota a sm�r zatí�ení m�ní v �ase. Jsou to nap�. pedály, zavírací a zamykací mechanismy dve�í, �ásti vypína��. V tomto p�ípad� provádíme výpo�et na únavu. Dynamické zatí�ení p�edstavuje velmi rychlý nár�st zatí�ení v d�sledku nárazu, pádu, impaktu. Pro dynamické zatí�ení musíme pou�ít explicitní �eši�e a materiálové modely zahrnující zpevn�ní p�i rychlém nár�stu hodnoty zatí�ení. (Obr.1)

P�sobení prost�edí

Vlivy prost�edí jsou hlavn� zvýšená teplota do 100°C a naopak sní�ená teplota pod -10°C. V tomto p�ípad� je nutno upravit materiálový model odpovídající dané teplot�. Podobn� je nutno upravit materiálový model u hygroskopických plast�, u kterých p�i nízké relativní vlhkosti klesá ta�nost a rázová hou�evnatost. (Obr.1) P�i p�sobení zvýšené teploty je nutno také brát v úvahu relativn� vysoký koeficient teplotní rozta�nosti u plast�, který je 5x vyšší ne� u oceli.

Post procesní zatí�ení

Post procesní zatí�ení p�sobí p�i povrchové úprav�, kdy je díl zah�íván p�i vytvrzování, galvanickém pokovení. V tomto p�ípad� m��e docházet ke zm�nám reziduálních nap�tí relaxací p�íp. rekrystalizací u n�kterých typ� plast� s vysokým podílem krystalické fáze. K dalším zm�nám reziduálního nap�tí m��e dojít p�i sva�ování v d�sledku p�sobení lokálního oh�evu.

Aby pevnostní analýza co nejv�rn�ji popisovala realitu, musíme do výpo�tu zahrnout co nejvíce specifických charakteristik v chování plast�. Je to hlavn� viskoelastické chování a vliv teploty prost�edí, kde bude díl exponován. Krom� toho je nutno po�ítat také s nehomogenitami vzniklými v pr�b�hu vst�ikovacího procesu. Jsou to studené spoje, jetting efekt, lunkry, orientace a reziduální nap�tí.