بررسی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی – بخش دوم

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ٬ به بخش دوم موضوع خواص مکانیکی مواد پلاستیکی که در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی نقش کلیدی دارد پرداخته می شود.

رفتار مکانیکی یک قطعه پلاستیکی تحت تأثیر عواملی مانند وجود خطوط جوش و جهت گیری مولکولی یا فایبر است.

 

یک مفهوم بسیار مهم در طراحی سازه، استفاده از داده‌های خواص مواد است که تحت شرایط آزمایشی تولید شده‌اند که نزدیک‌ترین شرایط مرتبط با کاربرد نهایی را دارد.

درجه همبستگی تأثیر قابل توجهی بر دقت محاسبات طراحی خواهد داشت. اگر عواملی مانند خزش، جهت یا استحکام جوش در نظر گرفته نشود، حتی پیشرفته‌ترین تکنیک‌های آنالیز اجزا محدود نیز دچار خطای قابل توجهی خواهند شد، زیرا این عوامل می‌توانند تأثیر بسیار مهمی بر خواص مکانیکی ماده و عملکرد قطعه نهایی داشته باشند.

متغیرهای زیادی در ارتباط با آزمایش مواد وجود دارد که اساساً توصیف رفتار مکانیکی یک ماده برای کاربرد جهانی غیرممکن است.

به عنوان مثال، ممکن است برخی از داده های مربوط به مقاومت جوش برای یک ماده پلیمری خاص در دسترس باشد. با این حال، استحکام یک جوش را می توان تحت تأثیر ده ها متغیر طراحی قالب تزریق و فرآیند قالب گیری تزریقی قرار داد.

داده‌های استحکام جوش تولید شده در یک مجموعه از شرایط فرآیند، در یک قالب، احتمالاً نماینده کیفیت جوش برای قالبی با طول جریان طولانی‌تر که در شرایط فرآیند متفاوت اجرا می‌شود، نباشد. هنگامی که طراح عواملی مانند جهت گیری یا تخریب ناشی از پردازش را در نظر می گیرد، با مشکلات مشابهی مواجه می شود.

 

بررسی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی ٬ مشخصات تنش-کرنش مواد پلاستیکی تحت تأثیر نرخ کرنش، دما و رطوبت نسبی است.

 

ویژگی‌های کوتاه‌مدت:

هنگامی که روکش چرخ نصب می‌شود یا برداشته می‌شود، گیره‌های کنسول روی روکش چرخ‌های قالب‌گیری شده به‌طور لحظه‌ای و نسبتاً سریع منحرف می‌شوند.

در این کاربرد، طراح علاقه مند به ارزیابی نیروهای مرتبط با انحراف تیرها (برای به دست آوردن نیروهای مونتاژ) و حداکثر تنش کششی یا سطوح کرنش مرتبط با این انحراف کوتاه مدت تحمیلی است. به منظور ارزیابی تنش‌های مربوط به مونتاژ، طراح می‌تواند از داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت تولید شده بر روی یک دستگاه تست جهانی (برخلاف داده‌های خزش طولانی‌مدت) استفاده کند.

تنش‌ها، کرنش‌ها و انحراف‌ها در شرایط محیطی شدید (به عنوان مثال، دماهای بالا و پایین پیش‌بینی‌شده در کاربرد) ارزیابی می‌شوند. مهم است که داده‌های خواص مکانیکی مورد استفاده در محاسبات در دماها و رطوبت‌هایی که معادل آن چیزی است که در کاربرد نهایی با آن مواجه می‌شویم، تولید شود.

علاوه بر این، نرخ‌های آزمایش باید با نرخ کرنش (in/in/s، m/m/s یا %/s) یا محدوده نرخ کرنش مرتبط با کاربرد نهایی مرتبط باشد، زیرا خواصی مانند مدول و مقاومت تسلیم/شکستگی یک ماده پلاستیکی با نرخ بارگذاری متفاوت است، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

در نظر گرفتن نوع تنش مرتبط با برنامه نیز مهم است. گیره یک سر گیردار نشان داده شده در پست های قبلی یک برآمدگی تیر مانند است که در حین مونتاژ/جداسازی خم می شود. بخش هایی از گیره  در معرض تنش های فشاری هستند، در حالی که بخش های دیگر تحت تنش های کششی قرار دارند (و تنش های برشی که به رفتار دهانه به عمق بستگی دارد، هم در تحلیل پیچیده تر مواد، هم در تحلیل پیچیده تر مواد).

در محاسبات طراحی به عنوان جایگزینی برای این کاربرد خمشی، می توان از خواص خمشی پلیمر، که در شرایط آزمایشی مناسب ایجاد شده است، در محاسبات مهندسی استفاده کرد که مدول خمشی یک پلیمر تحت تأثیر مدول کششی و فشاری مواد پلاستیکی است مدول یا قدرت شکست به هیچ وجه مقادیر ثابتی نیستند.

بررسی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی نقش کلیدی در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی دارد.

بررسی بارگزاری قطعات پلاستیکی

 

در ادامه موضوع طراحی و ساخت انواع قالب تزریق پلاستیک و تولید قطعات پلاستیکی ٬ به بررسی نحوه بارگزاری قطعات پلاستیکی پرداخته می شود. طراحی قطعه تاثیر مستقیم بر طراحی قالب تزریق پلاستیک دارد.

پس از تعیین هندسه قطعه و شرایط تکیه گاه، لازم است بار(ها) یا انحرافات تحمیلی اعمال شده بر محصول به گونه ای تعریف، تبدیل یا کمیّت بندی شوند که برای محاسبهٔ تنش یا انحراف مناسب باشند.

شرایط بارگذاری سازه ای پیش بینی شده، مواجه با عوامل محیطی، و روابط بار-زمان می بایست در مراحل ابتدایی توسعهٔ محصول مورد ارزیابی قرار گیرند. در برخی موارد، این کمیتها از طریق آزمون قطعات نمونه اولیه تعیین می شوند، یا ممکن است بر پایهٔ تجربیات گذشته از محصولات مشابه استخراج گردند.

اکثر محصولات پلاستیکی برای عملکرد مطلوب در طیف وسیعی از شرایط بارگذاری نهایی طراحی می شوند. ضروری است تنش ها و تغییرشکل های مرتبط با هر یک از این شرایط بارگذاری پیش بینی شده مورد تحلیل قرار گیرند.

حداقل الزام، ارزیابی ایمنی محصول تحت شرایط بارگذاری است که به عنوان حالت بحرانی (بدترین سناریو) در نظر گرفته میشود. اگرچه بارهای خارجی مرتبط با عملکرد محصول معمولاً کانون توجه اصلی طراح است، اما نباید اثرات ناشی از فرآیندهای جانبی نظیر مونتاژ، حمل ونقل، اختلاف ضریب انبساط حرارتی اجزا، یا حتی بارهای ناشی از وزن خود قطعه را نادیده گرفت.

افزون بر این، غالب قطعات قالبگیری تزریقی با مقادیری از تنشهای پسماند (ناشی از انقباض حین انجماد) یا تنشهای القا شده طی فرآیند تولید مواجه اند. خرابی های سازه ای ممکن است حاصل اثر ترکیبی تنشهای ناشی از بهره برداری، مونتاژ و تنشهای باقیمانده از فرآیند قالبگیری باشد.

هرچند پیش بینی دقیق سطوح تنشهای داخلی و پسماند مرتبط با فرآیند تولید دشوار است، اما با به کارگیری طراحی بهینه ابزار (مانند حفظ یکنواختی ضخامت دیواره ها) و رعایت اصول مهندسی میتوان دامنه این تنشها را به حداقل رساند.

استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی CAE نیز امکان تحلیل این تنشها را فراهم ساخته و با اعمال اصلاحاتی در طراحی سیستم راهگاه، هندسه قالب و بهینه سازی پارامترهای فرآیندی، کاهش تنشهای پسماند را میسر میسازد.

با این حال، در اکثر موارد پارامترهای فرآیند تولید (نظیر دمای قالب، سرعت تزریق و …) خارج از حیطه اختیارات مستقیم طراح است. در چنین شرایطی، طراح صرفاً میتواند توصیه های فنی ارائه دهد که لزوماً توسط واحد تولید اجرایی نمیشود.

استفاده از نرم افزارهای المان محدود مانند آباکوس برای آنالیز بارگزاری قطعات پلاستیکی در پروسه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و طراحی قطعات پلاستیکی بسیار مهم می باشد و می تواند کمک شایانی به کاهش هزینه ها بکند.

بارهای ایستا یا متناوب:

برای ارزیابی ویژگی های ساختاری یک قطعه پلاستیکی، باید محل، مقدار و نوع بارگذاری را تعیین کرد. طراح باید تصمیم بگیرد که چه نوع بار ایده آلی به موقعیت واقعی قطعه نزدیکتر است. نوع بار را می توان به صورت متمرکز در یک نقطه، خط یا مرز توصیف کرد، یا در یک منطقه بزرگ (به طور یکنواخت یا به عنوان یک گرادیان بار) توزیع شده است. مقدار و جهت بار نیز باید مشخص شود.

 

شکل ۱. عضو گیره دار را می توان به عنوان یک تیر یک سرگیردار توصیف کرد (سمت چپ ثابت – انتهای راست آزاد)، در حالی که قفسه کتاب تیری است که به با تکیه گاه ساده پشتیبانی می شود (انتهای چپ و راست)

 

 

شکل ۲ نمایش تیرهای مستطیلی با تکیه گاه ساده با بارهای متمرکز و توزیع یکنواخت

 

به عنوان مثال، قفسه کتاب پتانسیل دارد که در تمام عرض خود با کتاب بارگیری شود یا احتمالاً با یک جسم سنگین در وسط دهانه بارگذاری شود. در حالت دوم، بار به عنوان یک بار مرکزی متمرکز در نظر گرفته می‌شود، در حالی که در حالت اول، یک تیر با بارگذاری یکنواخت تشکیل می‌شود. در هر دو حالت، بار احتمالاً برای مدت زمان طولانی اعمال می‌شود.

بزرگی نیروها یا بارها برای این کاربرد بر اساس وزن اجسام مورد حمایت همراه با وزن خود محصول تعیین می‌شود. معمولاً هر دو حالت عادی و بدترین حالت بارگذاری تعریف می‌شوند.

بنابراین، یک مشکل از این نوع شامل یک سری محاسبات طراحی برای توصیف رفتار قفسه تحت تعدادی از سناریوهای احتمالی بارگذاری است. در این مورد، تنش‌ها و انحراف‌های اضافی ناشی از وزن قفسه نیز باید در نظر گرفته شوند و نتیجه نهایی با برهم‌نهی تعیین می‌شود (یعنی کل تنش یا انحراف به دلیل مجموع تنش‌های مرتبط با بار خارجی و وزن قفسه است).

 

بارهای چندگانه ایستا یا متناوب:

هنگامی که مجموعه ای از بارها به یک سازه اعمال میشود، تنش یا انحراف کل را میتوان با استفاده از اصل برهمنهی محاسبه کرد. در سیستمهای الاستیک خطی، تنش، کرنش یا انحراف ناشی از هر حالت بارگذاری نهایی، مستقل از ترتیب اعمال نیروهاست؛ خواه نیروها به طور همزمان اعمال شوند یا به صورت متوالی و در هر ترتیبی.

نتیجه نهایی، معادل جمع اثرات هر نیروی منفرد است که به طور جداگانه عمل می کنند. بر این اساس، میتوان مسئله پیچیده بارگذاری چندگانه را به چند مسئله ساده تر (شامل بارهای منفرد) تفکیک نمود. سپس تنش ها و انحرافات حاصل از هر بار را به طور جداگانه محاسبه و در نهایت با جمع جبری آنها به راه حل نهایی دست یافت.

استفاده از نرم افزارهای المان محدود مانند آباکوس برای آنالیز بارگزاری قطعات پلاستیکی در پروسه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی بسیار مهم می باشد و می تواند کمک شایانی به کاهش هزینه ها بکند.

بررسی جریان ماده در فرآیند تزریق پلاستیک

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ٬ به بررسی جریان ماده در فرآیند تزریق پلاستیک پرداخته می شود. این موضوع در فرآیند طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بسیار با اهمیت می باشد و تاثیر بسیار بالایی بر روی کیفیت نهایی قطعات دارد.

مناطق بالقوه تمرکز تنش بر روی یک قطعه را نیز می توان به روشی کیفی با استفاده از بررسی جریان سیال مشاهده کرد. با استفاده از این روش، بخشی از قطعه به عنوان مجرا در نظر گرفته می شود که از طریق آن یک سیال تراکم ناپذیر ایده آل جریان می یابد. خطوط جریانی نظری که تشکیل می شوند موازی با یکدیگر هستند و در مناطقی که تحت تنش یکنواخت هستند به طور مساوی فاصله دارند. مناطق تمرکز تنش به عنوان فاصله خطوط مشخص می شوند که به سرعت در یک فاصله کوتاه تغییر می کنند. خطوط با فاصله نزدیک نشان دهنده جریان سریعتر و تنش بیشتر است. این مفهوم با استفاده از مثالی از یک میله شیاردار تحت بار کششی نشان داده شده است.

نوار شکاف نشان داده شده در شکل ۱ قسمت اول دارای خطوط جریانی است که در ناحیه شکاف فاصله نزدیکی دارند، که نشان دهنده ناحیه ای با تنش زیاد است. خطوط جریان نیز به سرعت در یک دوره نسبتا کوتاه همگرا می شوند

فاصله، به عنوان یک منطقه انتقال توصیف می شود. این انتقال کوتاه همچنین نشانه تمرکز استرس است. افزایش شعاع بریدگی در شکل ۱ قسمت دوم٬ فاصله بین خطوط را تغییر نمی دهد، اما طول منطقه انتقال را افزایش می دهد، که نشان دهنده کاهش غلظت تنش است. مثال نشان می دهد که حذف مواد از قسمت های خاصی از قطعه ممکن است در واقع قطعه را قوی تر کند. افزودن مواد به قسمت پشتی قالب، هم فاصله بین خطوط جریان و هم طول ناحیه انتقال و در نتیجه استحکام قطعه را همانطور که در شکل نشان داده شده است افزایش می دهد.  این طرح با افزایش شعاع در بالای شکاف اصلاح می‌شود، که منجر به فاصله یکنواخت‌تر خطوط جریان و ضخامت دیواره یکنواخت‌تر می‌شود.

 

 

 از خطوط جاری می توان برای به دست آوردن یک نشانه کیفی از تمرکز تنش استفاده کرد.

همگرایی سریع و فاصله نزدیک نشان دهنده تمرکز تنش بالا است.

در حالی که واضح است که اثرات تمرکز تنش در شرایط بارگذاری استاتیک قابل توجه است، اما در کاربردهای بارگذاری دینامیکی اهمیت بیشتری دارند. نقص های کوچک، بریدگی ها یا عیوب محدودیت های استقامت محصولات پلاستیکی را در معرض بارگذاری دینامیکی کاهش می دهد. بزرگی تمرکز تنش تحت تأثیر هندسه ناقص، مکان، سطح بارگذاری و حساسیت بریدگی ماده است. مواد انعطاف پذیر، که ممکن است به طور قابل توجهی تحت شرایط استاتیک تحت تاثیر قرار نگیرند، ممکن است در شرایط بارگذاری دینامیکی حساسیت بریدگی بیشتری نشان دهند. حساسیت بریدگی یک ماده/محصول خاص به راحتی قابل پیش بینی نیست. قطعاتی که در معرض بارگذاری دینامیکی یا خستگی قرار می گیرند باید در مواد تولیدی نمونه سازی شوند و تحت شرایط بارگذاری پیش بینی شده ارزیابی شوند.

تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به موضوع تمرکز تنش و نقش آن در طراحی شکل قطعات پلاستیکی پرداخته می شود.

یکی از حوزه‌هایی که در هنگام در نظر گرفتن هندسه قطعه، شایسته توجه ویژه است، تأثیرات تمرکز تنش است. توزیع تنش در قطعات تحت تأثیر وجود ویژگی هایی مانند گوشه ها، سوراخ ها یا هر گونه ناپیوستگی در هندسه طراحی است. تنش‌ها تمایل دارند در این ناپیوستگی‌ها متمرکز شوند، که منجر به مقادیر تنش موضعی می‌شود که می‌تواند به طور قابل‌توجهی بیشتر از تنش‌ها در مناطق مجاور ناپیوستگی باشد. بنابراین، تنش‌ها و کرنش‌ها با استفاده از تحلیلی که هندسه ساده را در اشتباه فرض می‌کند، پیش‌بینی می‌شود.

ضریب شدت تنش، K، به عنوان نسبت حداکثر تنش واقعی (تنش ماکسیمم در ناپیوستگی) به تنش پیش‌بینی‌شده یا تعیین‌شده با استفاده از فرمول‌های کلاسیک مکانیک (برای هندسه‌های منظم) برای مقطع خالص، بدون توجه به توزیع تنش پیچیده‌تر، تعریف می‌شود. عوامل شدت تنش را می توان برای هندسه های مختلف افزایش دهنده تنش برای مواد الاستیک محاسبه کرد. با این حال، مقادیر معادل ممکن است برای مواد انعطاف پذیر (یا ویسکوالاستیک) بیشتر قابل اعمال نباشد.

شکل۱ معادله ای را نشان می دهد که ضریب تمرکز تنش، K را برای مقاطع مستطیلی که دارای یک سوراخ دایره ای مرکزی هستند و در معرض کشش تک محوری هستند، مرتبط می کند. با استفاده از این روابط، می توان تنش موضعی را در محل A، در امتداد محیط سوراخ تخمین زد. به عنوان مثال، قطعه ای با عرض 0.500 اینچ (12.7 میلی متر) و یک سوراخ مرکزی با قطر 0.125 اینچ (3.2 میلی متر) دارای ضریب  K برابر با 2.44 است. به عبارت دیگر، تنش در محل A 2.44 برابر بیشتر از مقدار اسمی (محاسبه شده) است که با تقسیم نیروی کششی بر حداقل مقطع تعیین می شود. روابط مشابهی برای سایر هندسه های افزایش دهنده تنش موجود است.

مقدار واقعی ضریب تمرکز تنش هم به هندسه قطعه و هم به رفتار تنش-کرنش ماده بستگی دارد (شکل ۲ را ببینید). رفتار شکل پذیر بسیاری از مواد پلاستیکی منجر به یک رابطه غیر خطی بین تنش و کرنش در سطوح کرنش بالاتر می شود. برای این پلیمرهای انعطاف پذیر، افزایش تنش موضعی کمتر از نسبت افزایش کرنش موضعی است.

 

 

شکل ۱ ضریب تمرکز تنش کششی، K، برای یک مقطع مستطیلی با یک سوراخ دایره ای مرکزی

 

شکل ۲ تمرکز تنش کششی در لبه سوراخ برای مواد با رفتار تنش-کرنش خطی و غیرخطی

در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی شکل قطعه پلاستیکی برای طراحی قالب بسیار مهم می باشد و از این رو در نظر گرفتن تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی برای طراحی شکل آن ها موضوع بسیار مهمی در زمینه طراحی قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به مبحث ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی پرداخته خواهد شد. انجام درست این موضوع می تواند در تولید نقش به سزایی داشته باشد.

قطعات پلاستیکی از نظر پیچیدگی هندسی متفاوت هستند. با این حال، معمول است که قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده دارای هندسه نسبتاً پیچیده باشند، زیرا یکی از مزایای عمده مواد پلاستیکی توانایی آنها در قالب‌گیری به اشکال پیچیده است. به منظور پیش‌بینی تنش‌ها، کرنش‌ها، یا انحراف‌های ناشی از بارگذاری سرویس پیش‌بینی‌شده، ممکن است لازم باشد هندسه قطعه را تا حدی وابسته به تکنیک تحلیل مورد استفاده ساده کنیم.

فرمول های کلاسیک برای تنش و کرنش به دست آورده شده است و در کتابچه های راهنما برای اکثر هندسه های منظم آورده شده است. این هندسه ها عبارتند از: تیرهای مستقیم، مخروطی یا منحنی، ستون ها، صفحات یا پوسته های دوار.

هندسه قطعات پلاستیکی را اغلب می توان با استفاده از یک یا چند مورد از این اشکال هندسی اصلی تقریب زد. قسمت نشان داده شده در شکل 1 را در نظر بگیرید که از یک سطح صاف با تکیه گاه های یکپارچه در امتداد دو طرف کوتاه تشکیل شده است. یک باس توخالی کوچک از دیواره قسمت اسمی بیرون می‌آید و برای دریافت یک اینسرت فلزی با رزوه داخلی طراحی شده است.

تجزیه و تحلیل ساختاری این محصول شامل چندین محاسبه جداگانه است. به عنوان مثال، یک محاسبه، روی تنش ها و کرنش های حلقه در دیواره کاسه توخالی مرتبط با فشار دادن یک اینسرت فلزی بزرگ به سوراخ دریافت تمرکز می کند.

هندسه باس توخالی را می توان به عنوان یک پوسته استوانه ای با مقادیر شعاع داخلی و خارجی مشخص توصیف کرد. تنش ها و کرنش ها (به عنوان مثال تنش های شعاعی) مرتبط با فشار دادن اینسرت فلزی به باس توخالی را می توان با استفاده از فرمول های مناسب برای پوسته های استوانه ای محاسبه کرد. یک طراح همچنین می تواند نیروی مربوط به عملیات پرس را تعیین کند. نیروهای مرتبط با فشار دادن اینسرت به باس باعث انحراف (و تنش) در امتداد سطح محصول افقی می شود. این مشکل طراحی سازه دوم را می توان با استفاده از تجزیه و تحلیل تیر یا صفحه ارزیابی کرد. نیروهای واکنش ناشی از مشکل باس به عنوان شرایط بارگذاری برای مشکل انحراف تیر یا صفحه استفاده می شود.

معمول است که قطعات با هندسه پیچیده را به یک سری از قطعات فرعی با هندسه منظم تقسیم می کنند و تنش ها و کرنش ها را در هر یک از این قسمت ها به صورت جداگانه ارزیابی می کنند (مانند تیرهای یک سرگیردار، جایی که تیر در آن قرار دارد. به عنوان یک بخش جداگانه در نظر گرفته می شود).

نتایج تحلیل‌های مستقل باید به صورت تقریبی در نظر گرفته شوند، زیرا بخش‌های فرعی واقعاً موجودیت‌های مستقلی نیستند. در این مورد، فرض می‌کنیم که هندسه باس هیچ تأثیری بر صلبیت یا توزیع تنش برای تیر ندارد و این تیر بر رفتار باس توخالی تأثیر نمی‌گذارد. این رویکرد، خطای بزرگی را معرفی می‌کند که به درجه تعامل بین هندسه‌های مختلف مرتبط است. برخی از هندسه های قطعه، را باتوجه به نوع های توصیف شده در بالا می توان تزیه و تحلیل کرد، در حالی که سایر هندسه های پیچیده تر را نمی توان بدون ارائه خطاهای بسیار مهم ساده کرد. در چنین مواردی، تکنیک های تحلیل سازه FEA توصیه می شود.

 

 

شکل 1. هندسه های پیچیده تر را می توان به یک سری از هندسه های منظم برای تجزیه و تحلیل تقریبی تقسیم کرد. این موضوع طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی را بسیار ساده تر می کند.