Elementy Strukturalne: Z Metalu na Tworzywo... Mariusz Makowski, DuPont Poland Ossa, październik 2012
2
Czy inżynierowie są materiałowymi konserwatystami? Zmiany materiału są oczekiwane, gdy pozwalają na: Oszczędność kosztów + Redukcję masy + Integrację funkcji użytkowych + Poprawę rozwiązania technicznego = Zmiana Materiału
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
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
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
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
VS.
Porównanie własności popularnych materiałów Polimery vs. Alu! > 40% niższa masa przy tej samej wytrzymałości 9
Wytrzymałość / Gęstość Aż do 163 130 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) 80 60 42 Cynk Stal Miękka Stopy Aluminium 0 50 100 Wytrzymałośc właściwa (N m/kg) 150 200 500mg 460kg 100x waga ciała 4x waga ciała 10
Wutrzymałość na rozciaganie MPa Wtrzymałość na rozciąganie, 23ºC, 50%RH 300 250 200 150 100 50 0 11
Wydłużenie do pęknięcia % Wydłużenie do pęknięcia, 23ºC, 50%RH 12 10 8 6 4 2 0 12
Moduł sztywności GPa Moduł Sztywności, 23ºC, 50%RH 90 80 70 60 50 40 30 5X 20 10 0 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
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
17
Efekty wpływu środowiska: Widoczny wpływ czynników środowiskowych na tworzywa: Wysokie temperatury krótkotrwale Wysokie temperatury długotrwale Długotrwałe obciążenia mechaniczne pełzanie Wilgoć - poliamidy
Wpływ wysokich temperatur - krótkotrwale Moduł Sztywności - Temperatura Moduł sztywności (MPa) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 PA66 (35% GF) PPA (35% GF) PA46 (30% GF) PPS (40% GF) PET (30% GF) 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Temperatura ( C) 19
Wpływ wysokich temperatur - długotrwale Starzenie @ 200 C (testowane @ 23 C) 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 PPA (35% GF) PA46 (30% GF) PPS (40% GF) PA66 (33% GF) PET (30% GF) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Czas starzenia(h) 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 0 0.001 1 10 100 1,000 10,000 Czas, h 100ºC @ 28 MPa Zwiększenie odkształcenia przy stałym obciążeniu 21
Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) Zmiana właściwości pod wpływem wilgoci 260 DAM PA66 50%GF Zytel HTN53G50 250 50% RH PA46 50%GF 240 Zytel HTN51G45 230 220 Zytel HTN54G50 PA6 50%GF 210 200 Zytel HTN52G45 190 180 170 160 150 140 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Sztywność(GPa) 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.
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
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
Cena jednostkowa Tolerancje: Tworzywa a Metale Tolerancje kosztują! Wtrysk precyzyjny Factors influencing dimensional Generalna variations zasada tolerancji 100 mm 100 @ 0.3 % = 0.3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tolerancja % dewiacja od wymiaru nominalnego 100 100 100 + 0.30-0.00 + 0.00-0.30 + 0.20-0.10 Stal standard Delrin Zgrubne Standard Wąskie 100 ± 0.50 100 ± 0.05 100 ± 0.01 Zgrubne Standard Wąskie 100 ± 0.50 100 ± 0.20 100 ± 0.15 26
27
28