Sprawdzanie konstrukcji w przetwórstwie tworzyw sztucznych

Jak dobrze wiadomo zadaniem opracowania nowego lub udoskonalonego wyrobu jest znalezienie rozwiązania dobrego technicznie i zapewniającego ekonomiczną produkcję. Do zadań konstruktora należy przy tym wybór materiału, wybór procesu technologicznego, obliczenia wytrzymałościowe i zaprojektowanie wyrobu. Dlatego też sprawdzanie konstrukcji w przetwórstwie tworzyw sztucznych odgrywa dużą rolę.

Podjęcie prawidłowych decyzji na każdym z wymienionych etapów pracy gwarantuje ekonomiczną produkcję wyrobu o dobrej jakości. W działach konstrukcyjnych możliwe rozwiązania rozpatrywane są często tylko w aspekcie prawidłowości działania. Dlatego też należy tu podkreślić, że nie może być mowy o równoczesnym zapewnieniu funkcjonalności wyrobu i ekonomiczności jego produkcji, jeśli nie uwzględni się problemów materiałowych i technologicznych.

Warto wiedzieć, że własności tworzyw nie są prostymi parametrami materiałowymi. Własności tworzyw sztucznych mogą wyraźnie zmieniać się zależnie od warunków otoczenia, procesu przetwórstwa, geometrii wypraski i warunków eksploatacji. Parametry materiałowe tworzyw sztucznych określa się metodą badań w warunkach laboratoryjnych. Do tego celu produkuje się w doskonale wypolerowanych formach o zoptymalizowanych parametrach przetwórstwa specjalne próbki w kształcie prętów. Próbki te bada się w warunkach normalnych przy ściśle określonych obciążeniach. Jednak w praktyce wyroby nigdy nie są produkowane w sposób identyczny co próbki, a obciążenia podczas użytkowania nie są takie same jak podczas badań.

Dlatego też jeszcze raz trzeba tu przestrzec przed beztroskim wykorzystywaniem podawanych w katalogach parametrów materiałowych tworzyw sztucznych. Przed rozpoczęciem projektowania jakiegokolwiek wyrobu z tworzywa sztucznego należy przeprowadzić dokładną analizę oraz sporządzić wykaz wymagań i warunków brzegowych. Bardzo pomocna może być przy tym specjalna lista kontrolna.

Na drodze od projektu wyrobu do towaru rynkowego konieczne jest najczęściej wykonanie prototypów, które umożliwiają wykonanie badań i ułatwiają wprowadzenie modyfikacji. Należy przy tym pamiętać, że proces produkcji prototypów powinien być jak najbardziej zbliżony do późniejszego procesu produkcyjnego. Prototypy wyrobów technicznych, które mają być produkowane metodą wtryskiwania, powinny być również wtryskiwane. Jeśli nie dysponuje się odpowiednią formą, to wyroby próbne do badań można wykonać metodą obróbki wiórowej.

Rozwiązanie takie jest jednak problematyczne, gdyż nie można zbadać wpływu linii łączenia występujących w wyprasce wtryskowej; powstające w wyniku obróbki maszynowej karby mogą znacznie pogarszać własności wytrzymałościowe w porównaniu z własnościami wytrzymałościowymi wypraski wtryskowej. Trzeba też pamiętać, że z powodu większego stopnia krystaliczności wytłaczanych prętów i płyt wytrzymałość i sztywność próbek może być większa niż wyprasek wtryskowych. Nie wolno też zapominać, że w omawianych przypadkach nie można zbadać wpływu orientacji włókien.

Jako przykład można podać, że w przypadku sprężyn do wyłączników oświetleniowych prototyp wykonany metodą obróbki wiórowej z wytłoczonego półfabrykatu wytrzymywał w próbie obciążania 180 000 cykli bez zmęczenia sprężyny. Identyczna wypraska wtryskowa uległa pęknięciu zmęczeniowemu już po 80 000 cykli. Przyczyną nieprzewidzianej wady była inna struktura krystaliczna obu wyrobów.

Jeśli chodzi o formy na prototypy, to do produkcji takich prototypów często stosuje się posiadane formy lub specjalne formy z materiałów łatwych do obróbki lub tanich, takich jak aluminium, mosiądz itd. Nie jest to jednak zalecane, gdyż w formach takich nie można utrzymać ważnych parametrów wtrysku, np. temperatury i ciśnienia. Ponadto wskutek innego chłodzenia prototypy mają inny skurcz i inną podatność na paczenie się aniżeli wypraski wtryskowe.

Z tego też powodu zaleca się stosowanie tymczasowych form produkcyjnych ze stali niehartowanej. Może to być forma jednokrotna lub pojedyncze gniazdo w formie wielokrotnej.

Analizując badanie konstrukcji wyrobu z tworzywa sztucznego należy napisać, że nowoczesne metody symulacji komputerowej, np. analiza wytrzymałości, analiza płynięcia, mogą odpowiednio wcześnie ujawnić słabe punkty konstrukcji lub przetwórstwa. Jednak nie mogą dać całkowitej gwarancji jakości produktu końcowego i charakterystyki zachowania się pod obciążeniem rzeczywistym.

W tym wypadku najbardziej miarodajne jest badanie prototypów w rzeczywistych warunkach eksploatacji i dlatego w przypadku wyrobów technicznych, którym stawiane są wysokie wymagania w zakresie funkcjonalności i jakości, badanie takie powinno być zawsze wykonywane. Jeżeli zaś wykonanie badania w rzeczywistych warunkach otoczenia jest trudne, to można przeprowadzić testy z symulacją późniejszych warunków eksploatacji.

Ocenianie długotrwałego zachowania się wyrobu pod obciążeniem mechanicznym lub cieplnym na podstawie ciągu testów jest często niewykonalne lub nieekonomiczne. Jednakże wnioski dotyczące zachowania długotrwałego wyciągnięte na podstawie skróconych testów pod obciążeniem nie zawsze są jednoznaczne i należy je traktować z nadzwyczajną ostrożnością. Zachowanie się tworzywa pod obciążeniem w teście długotrwałym może być całkowicie inne aniżeli w krótkotrwałym teście przyspieszonym.

Wiele zastosowań we wszystkich dziedzinach przemysłu dowodzi, że przyszłość należy do tworzyw sztucznych. Konsekwentnie wykorzystując własności materiałowe polimerów można tworzyć wielofunkcyjne konstrukcje, które w porównaniu ze stosowanymi dotychczas konstrukcjami konwencjonalnymi będą lepsze zarówno pod względem opłacalności produkcji, jak i funkcjonalności wyrobu.

Zadania stojące obecnie przed konstruktorami wymagają stosowania coraz bardziej skomplikowanych geometrii wyrobów i coraz lepszych materiałów. Tworzywa sztuczne jako materiały mogą pomóc i na pewno pomogą w rozwiązaniu wielu problemów, ale pod warunkiem stałego uwzględniania ich specyficznych własności. Szerokie doświadczenie w tym zakresie, poparte danymi liczbowymi, mają producenci surowców.

Tekst powstał w oparciu o przewodnik dla przetwórców tworzyw sztucznych firmy DuPont