KRYTERIA DOBORU TWORZYW SZTUCZNYCH DO WYBRANYCH APLIKACJI. Maciej Heneczkowski we współpracy z Henrykiem Zawistowskim

Transkrypt

1 KRYTERIA DOBORU TWORZYW SZTUCZNYCH DO WYBRANYCH APLIKACJI Maciej Heneczkowski we współpracy z Henrykiem Zawistowskim

2 koszty własne Udział kosztów własnych w okresie przygotowania i podczas produkcji według:l.henkys [%] 75% Stopień wpływu błędów na koszty całkowite Udział w kosztach produkcji konstrukcja i przygotowanie produkcji zaopatrzenie i gospodarka materiałowa planowanie i sterowanie produkcja i montaż faza produkcji zarządzanie i zbyt

3 BADANIA: 10% wyprasek ulega samoistnym uszkodzeniom podczas użytkowania Wady użytkowe wyprasek źle dobrany materiał błędy konstrukcji błędy procesu złe założenia wstępne niewłaściwe użytkowanie % Wg. Rapra Institute - na podstawie analizy 5000 przypadków uszkodzeń wyrobów

4 Przyczyny uszkodzeń wyprasek PODCZAS UŻYTKOWANIA rysy naprężeniowe 25 zmęczenie materiału wpływ karbu pełzanie, relaksacja oddziaływanie chemiczne działanie UV oddziaływanie temperatury inne % Wg. Rapra Institut Ltd - na podstawie analizy 5000 przypadków uszkodzeń wyrobów

5 Proces przygotowania nowych wyrobów jest zbiorem czynności tworzących łańcuch postępowania. Faza 1 Faza 2 Faza 3 Faza 4 KONCEPCJA PROJEKT WYROBU PROJEKT NARZĘDZIA ODBIÓR WYROBU PRODUKCJA Najważniejszym czynnikiem decydującym o skuteczności przedsięwzięcia jest: doświadczenie konstruktora (projektanta) + komputerowe bazy danych i programy symulacyjne.

6 blacha

7 jonomer szkło

8 KORPUS KAMERY PC/PBT

9 Umiejętność konstruowania części maszyn i mechanizmów z metali JEST KONIECZNA, ale NIEWYSTARCZAJĄCA dla konstruowania wyrobów z tworzyw sztucznych Geometria wyrobu zawsze musi być uzależniona od właściwości przetwórczych materiałów i od warunków produkcyjnych: konstrukcji narzędzia wybranej techniki przetwórczej (lub jej modyfikacji)

10 ŻELAZNE ZASADY PROJEKTOWANIA: Przy zastępowaniu elementu metalowego elementem tworzywowym wyrób konstruować od podstaw. Podstawowy błąd kopiowanie starego rozwiązania. Kolejny błąd oczekiwanie, że właściwości nowego wyrobu z tworzywa, będą podobne do właściwości tego samego wyrobu wykonywanego z metalu

11 PORÓWNANIE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH METALI I TWORZYW PA66 LGF5O PA66 GF5O stal SZTYWNOŚĆ (MODUŁ E) WYTRZYMAŁOŚĆ ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIĘŻAR WŁAŚCIWY tworzywa stopy Al 0,001 0,01 0, Odniesione do właściwości stali (stal = 1)

12 Naprężenie na granicy plastyczności / Naprężenie zrywające, MPa Moduł sprężystości wzdłużnej, MPa

13 Wytrzymałość na zginanie, MPa Parametry prób dynamicznych: częstotliwość 100 Hz, T= 20 C, liczba cykli zmęczeniowych N=10 6

14 Wydłużenie, e, % Czas obciążania, h Pełzanie PA 30GF przy stałym naprężeniu rozciągającym

15 wydłużenie, % naprężenie rozciągające, MPa 1, ,75 0,50 (A) (C) 0,25 10 T=const 0, ,0 2,0 (B) 1,0 0, czas, h ,5 1,0 1,5 2,0 wydłużenie, % Wykres izochronowy (C) Ilustracja zależności pełzania PBT od temperatury dla naprężenia rozciągającego 3,5 MPa (A) i 14 MPa (B)

16 naprężenie WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA krzywa Wöhlera obciążenia dynamiczne długotrwałe (rosnące i malejące) r krzywa śladów uszkodzenia próbki 2 krzywa zniszczenia próbki 3 obszar niepewności 4 obszar obciążania bez zniszczenia próbki r wytrzymałość doraźna liczba cykli zmęczeniowych

17 Temperatura ugięcia pod obciążeniem HDT [ºC]

18 KONCEPCJA 1. motywacja, pomysł 2. projekt graficzny, model, wzorzec z metalu 3. badanie i sprawdzenie rynku 4. zeszyt obciążeń: (określenie warunków granicznych), - profil funkcji wyrobu, - charakterystyka obciążeń dynamicznych i statycznych, - wymagania inne. 5. zakładana wielkość i okres produkcji Faza 1 6. wstępny dobór procesu: - podstawowego, - obróbek powierzchni, - operacji pomocniczych 7. wstępny dobór materiału 8. wstępna ocena warunków produkcji 9. wstępna ocena: - nakładów, - terminu uruchomienia, - stopnia amortyzacji 10. decyzja kontynuacji pracy

19 7. Dobór odmiany materiału ospełnianie wymogów wytrzymałości i sztywności omożliwych odkształceń skurczowych opodatności na naprężenia własne i efekt karbu orozszerzalności cieplnej owpływu otoczenia owymagań specjalnych KRYTERIA UŻYTKOWE: -sztywność, -elastyczność, twardość, -sprężystość, -wytrzymałość zmęczeniowa -połysk, -przezroczystość, -wł. trybologiczne (ślizgowe), -odporność na: podwyższoną (lub niską) temperaturę, środki chemiczne, promieniowanie UV, płomień, -elektrostatyczność, -przewodność prądu, -spawalność, -adhezja do innych tworzyw -zmniejszenie adhezji z formą, -możliwość sterylizacji, -możliwość metalizacji/lakierowania, -specjalne efekty barwne. Przykład oznaczenia: PA6GK20GF10 RAL4023

20 Spełnienie wymogów wytrzymałości i sztywności W przypadku typowej produkcji wyrobów dla określonej korzystać z listy tworzyw przebadanych i zatwierdzonych przez odbiorcę. W przypadku nowych aplikacji wyrobów technicznych wyłącznie z pomocą producenta określonego wcześniej typu tworzywa, z wykorzystaniem jego doświadczenia i laboratoriów. A może nowy typ? W przypadku wyrobów masowych - na podstawie wieloletniego doświadczenia własnego. Wymóg konkurencyjności może powodować konieczność stosowania nowszych odmian.

21 Przykładowe gatunki HDPE WYTŁACZANIE ROZDMUCHIWANIE WTRYSKIWANIE Wyroby cienkościenne Beczki Wyroby Og. Przezn. Wyroby grubościenne Pojemniki skrzynkowe wytrzymałość wyrobu wzrost ciężaru cząsteczkowego lepkość płynność

22 SYSTEMATYCZNY ŁAŃCUCH URUCHAMIANIA PRODUKCJI PROJEKT WYROBU 11. projekt CAD uwzględnić użebrowanie, zaokrąglenia. 12. analizy odkształceń MES 13. korekty konstrukcji 14. projekt funkcjonalny Faza założenia wyjściowe do technologicznej optymalizacji projektu: - miejsca wlewu, - płaszczyzny podziału, - powierzchnie pierwszoplanowe. 16. zmiany geometrii wyrobu zgodnie z wymogami 15 zasad technologiczności 17. analizy MES symulacja poziom1: warunki płynięcia, zróżnicowanie skurczu itp 18. powtórzenie analizy odkształceń MES 19. operacje dodatkowe 20. dokumentacja ofertowa CAD.

23 MINIMALIZACJA SKUTKÓW - występowanie deformacji skurczowych - podatność na naprężenia własne i efekt karbu, PRZYCZYNA: ZRÓŻNICOWANIE SKURCZU: objętościowe kierunkowe (anizotropia skurczu) DOKŁADNOŚĆ WYMIAROWA STAN NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH WYPACZENIA PĘKNIĘCIA WADY UŻYTKOWE

24 skurcz, % ZRÓŻNICOWANIE SKURCZU OD KIERUNKU PŁYNIĘCIA Ticona anizotropia skurczu: - wzdłuż drogi płynięcia, - w poprzek drogi płynięcia długie włókna szklane krótkie włókna szklane

25 WPŁYW KIERUNKU ORIENTACJI WŁÓKIEN SZKLANYCH NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE WYPRASKI naprężenie w kierunku płynięcia w poprzek kierunku płynięcia (suchy) Grubość próbki: 2 mm wydłużenie 26

26 POWSTAWANIE RYS NAPRĘŻENIOWYCH I PĘKNIĘĆ WYRASKI rysy naprężeniowe Uwaga! pęknięcie w każdej wyprasce występuje niezidentyfikowany stan naprężeń własnych

27 DIAGNOZOWANIE PRZYCZYN POWSTAWANIA WAD PREFORM PET i STANU NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH a. b. c. d. e. f. g.

28 PODZIAŁ TWORZYW TERMOPLASTYCZNUCH Blendy PA/ABS PA/PC PC/PBT PA/ABS PVC/ASA Około 1600 odmian AMORFICZNE CZ. KRYSTALICZNE około 80 tys. odmian

29 WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW AMORFICZNYCH mały skurcz objętościowy = niewielkie deformacje kształtu. mały skurcz liniowy 0,4-0.6% = możliwe są węższe tolerancje wymiarów. duża podatność na pęknięcia i rysy naprężeniowe, efekt karbu. niewielkie wahania wymiarów, ale anizotropia skurczu i właściwości. AMORFICZNE

30 WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW SEMIKRYSTALICZNYCH duży i zróżnicowany skurcz objętościowy, zależny od czasu chłodzenia znaczne odkształcenia (np.różne grubości ścianek) duża anizotropia skurczu i wszystkich własności fizycznych (zwłaszcza przy wypełniaczach włóknistych) - nieuniknione odkształcenia i naprężenia własne trudny do określenia i zależny od grubości ścianki, skurcz liniowy (0,8 3,5%), duży skurcz wtórny (do 0,3%). QUASIKRYSTALICZNE znaczne wahania wymiarów stosować szeroki zakres tolerancji chłonność wilgoci (PA)- pęcznienie

31 15 zasad technologiczności określa zgodność konstrukcji wyrobu z: - właściwościami tworzywa, - zasadami konstrukcji narzędzi, - procesem przetwórczym, - własnościami użytkowymi, - ekonomicznością produkcji.

32 15 zasad technologiczności 1. Stosować tak małe grubości ścianek jak tylko jest to możliwe. 2. Zachowywać możliwie równomierną grubość ścian - unikać miejscowych skupień materiału i gwałtownych zmian grubości. 3. Unikać płaskich powierzchni ścian stosować kształty niwelujące skutki naprężeń. 4. Stosować usztywnienie przez żebra (zamiast grubości) lub zmianę kształtu. 5. Zaokrąglać narożniki i połączenia ścian, unikać wszystkich możliwości powstania efektu karbu. 6. Stosować odpowiednie zbieżności ścian bocznych i żeber. 7. Unikać podcięć wewnętrznych. 8. Przy połączeniach z metalem zapewniać kompensację naprężeń. 9. Nie wymiarować dokładniej niż jest to potrzebne, ograniczać ilość wymiarów tolerowanych.

33 Zalecenia c. d. 10. Stosować rozwiązania wielofunkcyjne. 11. Wykorzystać możliwość wykonywania złożonych kształtów. 12. Brać pod uwagę możliwości wykorzystania zróżnicowanych technik przetwórczych. 13. Przy projektowaniu uwzględniać położenie wlewka. 14. Uwzględniać wpływ zróżnicowania skurczu na odkształcenia wypraski. 15. Uwzględniać to, że właściwości wypraski są zależne od warunków prowadzenia procesu

34 PROJEKT WYROBU 11. projekt CAD uwzględnić użebrowanie,zaokrąglenia. 12. analizy odkształceń MES 13. korekty konstrukcji 14. projekt funkcjonalny Faza założenia wyjściowe do technologicznej optymalizacji projektu: - miejsca wlewu, - płaszczyzny podziału, - powierzchnie pierwszoplanowe. 16. zmiany geometrii wyrobu zgodnie z wymogami 15 zasad technologiczności 17. analizy MES symulacja poziom1: warunki płynięcia, zróżnicowanie skurczu itp 18. powtórzenie analizy odkształceń MES 19. operacje dodatkowe 20. dokumentacja ofertowa CAD.

35 SYSTEMATYCZNY ŁAŃCUCH URUCHAMIANIA PRODUKCJI 21. analiza oferty PROJEKT NARZĘDZIA 22. określenie zmian warunkujących zlecenie, szególnie: - zawężenie odchyłek wym. - nadmiar wym.tolerowanych, - brak zbieżności, - nierealne odchyłki kształtu. Faza dyskusja poprawek dokumentacji CAD. 24. sprzeciw projektanta 25. odmowa realizacji zlecenia na wykonanie formy. Ewentualny konkurs ofert

36 SYSTEMATYCZNY ŁAŃCUCH URUCHAMIANIA PRODUKCJI PROJEKT NARZĘDZIA 21. analiza oferty 22. określenie zmian warunkujących zlecenie, szczególnie: - zawężenie odchyłek wym. - nadmiar wym. tolerowanych, - brak zbieżności, - nierealne odchyłki kształtu 23. dyskusja poprawek dokumentacji 24. modyfikacja projektu CAD 25. szegółowe określenie warunków zlecenia na wykonanie formy i warunków odbioru wypraski (własności wynikowe). Faza określenie geometrii kanałów termoregulacji 27. analizy MES symulacja termiczna: optymalizacja równomierności odboru ciepła, węzły cieplne 28. dokumentacja formy 2D/3D 29. ew. wykonanie modelu RP 30. analizy MES symulacja mechaniczna: ocena bezawaryjności pracy formy

37 SYSTEMATYCZNY ŁAŃCUCH URUCHAMIANIA PRODUKCJI 31. wykonanie serii próbnej 32. Korekty warunków wypełniania formy i odpowietrzenia 33. optymalizacja parametrów procesu ODBIÓR WYROBU Faza 4! 37. ocena możliwości i poprawki mechaniczne gniazd formy 38. seria 0-wa, pomiary, testy, ocena odbiorcy, zatwierdzenie 34. porównanie z wynikami symulacji, testy 35. określenie przyczyn wad lub rozbieżności wymiarów 36. dwustronna dyskusja koniecznych zmian i ew. korekt warunków odbioru wg dokumentacji CAD 39. aneksy do umowy - z protokółem rozbieżności 40. dokumentacja i procedury produkcji oraz kontroli. 41. szkolenie obsługi, rozruch PRODUKCJA SERYJNA

38 PODSUMOWANIE: projektant wyrobu ma zasadniczy wpływ na przebieg całego procesu uruchamiania produkcji oraz jej jakość i efektywność projektant wyrobów z tworzyw sztucznych musi zawsze uwzględniać UWARUNKOWANIA ZASTOSOWANEJ TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA projektant musi być przygotowany do dyskusji i ewentualnego WPROWADZANIA ZMIAN na każdym etapie procesu wdrażania nowego wyrobu