Elementy Strukturalne: Z Metalu na Tworzywo... Mariusz Makowski, DuPont Poland

Transkrypt

1 Elementy Strukturalne: Z Metalu na Tworzywo... Mariusz Makowski, DuPont Poland Ossa, październik 2012

2 2

3 Czy inżynierowie są materiałowymi konserwatystami? Zmiany materiału są oczekiwane, gdy pozwalają na: Oszczędność kosztów + Redukcję masy + Integrację funkcji użytkowych + Poprawę rozwiązania technicznego = Zmiana Materiału

4 Dobór właściwego materiału do aplikacji: Zmiana z metalu lub tw.termoutwardzalnego na tworzywo, wymaga: Dobrej znajomości pierwotnego materiału Jasno określonych specyfikacji i wymagań Akceptacji i respektowania różnic pomiędzy materiałami Właściwej metodologii doboru nowego materiału / tworzywa Typ polimeru Modyfikacja Wzmocnienie Przetwórstwo Koszt całkowity Tyczka bambusowa 1948

5 Tworzywa i Metale różnią się: Tworzywa mają niższe właściwości mechaniczne niż metale Tworzywa są czułe na temperaturę / wilgotność Tworzywa ulegają degradacji termicznej Tworzywa mają właściwości izolacyjne: elektryczne i cieplne Tworzywa maja niższą gęstość Tworzywa mogą być łatwo barwione Tworzywa wykazują się wysoką odpornością na korozję Wtrysk jest procesem produkcyjnym o wysokiej wydajności

6 Zmiana z Metalu na Tworzywo: Fakty: Tworzywa są bardziej wymagającymi materiałami konstrukcyjnymi niż metale Wymagana jest wiedza z zakresu właściwości metali jak i dobra znajomość tworzyw Właściwości tworzyw nie dorównują metalom Większe ryzyko w przypadku nowych konstrukcji z tworzyw Trudności z przekonaniem / konwersją inżynierów w metalowych hełmach" Metale są tańsze (zł/kg) (a właściwie (zł/cm 3 ) Tworzywa są droższe niż metale należy rozpatrywać koszt całkowity wyrobu Techniki przetwórstwa metali zostały opracowane dla produkcji masowej 6

7 Tworzywa pozwalają na oszczędności: Niższy całkowity koszt produkcji Brak konieczności wykończenia/obróbki powierzchni Węższe tolerancje bez konieczności obróbki mechanicznej Wyższa jakość powierzchni Dłuższa żywotność narzędzia Niższe koszty logistyczne Gotowa część Metal Granulat Malowanie Diecasting Topienie Wtrysk Obróbka Odlewanie Wypraska Odlewanie Wtrysk

8 VS.

9 Porównanie własności popularnych materiałów Polimery vs. Alu! > 40% niższa masa przy tej samej wytrzymałości 9

10 Wytrzymałość / Gęstość Aż do PPA Stopy Magnezu Wytrzymałość właściwa współczynnik opisujący jak bardzo wytrzymały jest materiał w odniesieniu do gęstości: Jednostka SI dla wytrzymałości właściwej to (N/m2)/(kg/m3) lub (N m/kg) Cynk Stal Miękka Stopy Aluminium Wytrzymałośc właściwa (N m/kg) mg 460kg 100x waga ciała 4x waga ciała 10

11 Wutrzymałość na rozciaganie MPa Wtrzymałość na rozciąganie, 23ºC, 50%RH

12 Wydłużenie do pęknięcia % Wydłużenie do pęknięcia, 23ºC, 50%RH

13 Moduł sztywności GPa Moduł Sztywności, 23ºC, 50%RH X

14 Projektowanie części wtryskiwanych: Odlewanie / Wtrysk Metali Grube przekroje Często przewymiarowane Wymagana obróbka mechaniczna w celu osiągnięcia wymaganych tolerancji Nie należy kopiować projektu metalowego na rozwiązanie w tworzywie! Tworzywa Konstrukcyjne Wypraska ma spełnić wymagania konstrukcyjne a nie być wierną kopią rozwiązania metalowego Cienkie ścianki Optymalizacja projektu z wykorzystaniem CAD Konstrukcja wyrobu i narzędzia pozwalająca na uniknięcie obróbki mechanicznej Oszczędność kosztów dzięki integracji funkcji

15 Jak dobrać właściwe tworzywo? Takie same właściwości użytkowe jak część z metalu: Wymagania mechaniczne, udarność, sztywność Odporność termiczna Niezmienność właściwości mechanicznych w zmiennym środowisku (wilgoć, UV) Odporność na pełzanie Odporność chemiczna Łatwość przetwórstwa Łatwość montażu Recykling Oszczędność - również w zakresie cyklu życia wyrobu

16 17

17 Efekty wpływu środowiska: Widoczny wpływ czynników środowiskowych na tworzywa: Wysokie temperatury krótkotrwale Wysokie temperatury długotrwale Długotrwałe obciążenia mechaniczne pełzanie Wilgoć - poliamidy

18 Wpływ wysokich temperatur - krótkotrwale Moduł Sztywności - Temperatura Moduł sztywności (MPa) PA66 (35% GF) PPA (35% GF) PA46 (30% GF) PPS (40% GF) PET (30% GF) Temperatura ( C) 19

19 Wpływ wysokich temperatur - długotrwale 200 C 23 C) PPA (35% GF) PA46 (30% GF) PPS (40% GF) PA66 (33% GF) PET (30% GF) Czas starzenia(h) 20

20 Moduł pełzania, Mpa Długotrwałe obciążenie mechaniczne = Pełzanie 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 PPA (45%GF) PA66 (50%GF) 4,000 2, ,000 10,000 Czas, h 28 MPa Zwiększenie odkształcenia przy stałym obciążeniu 21

21 Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) Zmiana właściwości pod wpływem wilgoci 260 DAM PA66 50%GF Zytel HTN53G % RH PA46 50%GF 240 Zytel HTN51G Zytel HTN54G50 PA6 50%GF Zytel HTN52G Sztywność(GPa) 22

22 Oszczędność kosztów dzięki projektowi Cena jako cecha konstrukcyjna: Projektant wypraski ponosi największą odpowiedzialność za finalną cenę komponentu. Jego decyzje predeterminują koszty produkcji, narzędzia i montażu. Zmiany na poźniejszych etapach są bardzo kosztowne i często niepraktyczne.

23 Wpływ właściwości tworzywa na koszt Projekt z wielokrotną integracją funkcji Redukcja liczby części poprzez integrację funkcji w jednym komponencie. Użycie technik łączenia przenoszących oszczędności Zatrzaski, zapraski, zgrzewanie, technologia 2K Wykorzystanie korzystnych właściwości trybologicznych tworzyw Uniknięcię konieczności smarowania i stosowania łożysk Eliminacja obróbki powierzchni Integralny kolor, odporność na korozję chemiczna, dobre własności elektro- i termoizolacyjne. Nukleizacja Przyśpiesznie procesu krystalizacji tworzyw dzięki stosowaniu odmian nukleizowanych

24 Wpływ rozwiązania/projektu na koszt Grubość ścianek Zoptymalizowane grubości ścianek wpływają na oszczędność masy tworzywa (ciężaru wypraski) i pozwalają na skrócenie czasu cyklu Formy Formy dwupłytowe, redukcja powierzchni podziału Tolerancje Wąski zakres tolerancji zwiększa niebezpieczeństwo powstawanie odrzutów produkcyjnych i utrudnia współpracę z Kontrolą Jakości Materiały Oszczędność dzięki zastosowaniu szybkich tworzyw oraz poprawa geometrii wyprasek dzięki materiałom o niskim paczeniu

25 Cena jednostkowa Tolerancje: Tworzywa a Metale Tolerancje kosztują! Wtrysk precyzyjny Factors influencing dimensional Generalna variations zasada tolerancji 100 mm 0.3 % = ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tolerancja % dewiacja od wymiaru nominalnego Stal standard Delrin Zgrubne Standard Wąskie 100 ± ± ± 0.01 Zgrubne Standard Wąskie 100 ± ± ±

26 27

27 28