بررسی رفتار کششی – فشاری مواد پلاستیکی

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک به بررسی رفتار کششی-فشاری مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

رفتار کششی در مقابل فشاری:

 

منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت معمولاً با کشیدن نمونه‌های آزمایشی ایجاد می‌شوند که منجر به تنش‌ها و کرنش‌های کششی می‌شود.

برای بسیاری از مواد پلاستیکی پر نشده، خواص فشاری مشابه خواص کششی است.

با این حال، برای سایر مواد، به ویژه مواد پر شده و تقویت شده، خواص فشاری می تواند بسیار متفاوت باشد.

بهتر است برای کاربردهای فشاری، داده‌های خاصیت فشرده‌سازی را به دست آوریم تا اینکه فرض کنیم رفتار فشاری ماده با رفتار کششی آن برابر است (شکل 1).

مقاومت و مدول خمشی:

 

همچنین برای تولیدکنندگان مواد بسیار متداول است که داده‌های تنش-کرنش خمشی کوتاه‌مدت را ارائه دهند.

خواص خمشی از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا تعداد بسیار زیادی از قطعات پلاستیکی در کاربرد نهایی در معرض بار خمشی قرار دارند. در مقایسه با نتایج آزمون کششی و فشاری، نتایج آزمایش خمش حتی بیشتر به دستگاه و هندسه نمونه بستگی دارد.

آزمایش‌های خمشی با قرار دادن یک نمونه نسبتاً طولانی، نازک و مستطیل شکل در معرض بارگذاری تکیه گاه (یک تکیه‌گاه، یک بار)، سه نقطه (دو تکیه‌گاه، یک بار) یا چهار نقطه (دو تکیه‌گاه، دو بار) انجام می‌شوند. (شکل 2).

 

 

شکل 1 رفتار تنش-کرنش فشاری یک ماده پلاستیکی می تواند مشابه یا در برخی موارد بسیار متفاوت از رفتار تنش-کرنش کششی باشد.

 

در طول آزمایش، حداکثر انحراف یک نمونه به عنوان تابعی از بار اعمال شده بررسی می شود.

بر خلاف تست‌های کشش یا فشار تک محوری، نمونه‌های آزمایش خمشی دارای یک سطح در فشار و سطح دیگر در کشش هستند، با یک صفحه خنثی (تنش یا کرنش صفر) در نقطه‌ای از نمونه عبور می‌کند (صفحه خنثی فقط در صورتی از صفحه میانی عبور کند که خواص فشاری و کششی معادل باشند).

مقادیر تنش خمشی و کرنش باید با استفاده از داده های تجربی و فرمول های مهندسی تنش و کرنش محاسبه شود. این فرمول ها رفتار مواد الاستیک ایده آل و همسانگرد را در نظر می گیرند و فقط برای انحرافات کوچک اعمال می شوند.

خواص خمشی که معمولاً گزارش می شود مدول خمشی، شیب اولیه منحنی انحراف بار، و مقاومت خمشی است.

برای مواد شکننده، استحکام خمشی به حداکثر تنش کششی یا فشاری الیاف خارجی (تنش‌های سطحی) اشاره دارد که با شکست نمونه مرتبط است.

برای مواد انعطاف پذیرتر، استحکام خمشی به مقدار تنش تسلیم الیاف خارجی (نقطه اولی که تنش دیگر با کرنش افزایش نمی یابد) یا به تنش الیاف خارجی در یک مقدار کرنش خاص (معمولاً در 5٪ کرنش خارجی الیاف) اشاره دارد.

 

شکل 2 انواع روش های آزمایش خمشی برای ارزیابی خواص خمشی مواد پلاستیکی استفاده می شود

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک، اشاره گردید که طراحی قطعات پلاستیکی بسیار مهم می باشد. در این راستا آشنایی با رفتار کوتاه مدت تنش-کرنش مواد پلاستیکی بسیار مهم می باشد. زیرا این رفتار با رفتار شناخته شده در فلزات به صورت کامل متفاوت می باشد. در ادامه به بررسی نکات مهم پیرامون منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی پرداخته شده است.

تنش نرمال، σ، به عنوان نسبت بار اعمال شده، F، به سطح مقطع اولیه، A، نمونه آزمایش تعریف می شود.

کرنش نرمال، ε، اندازه گیری نرمال شده از تغییر شکل ماده در نتیجه بار اعمال شده را ارائه می دهد. کرنش به عنوان تغییر طول، ∆L، تقسیم بر طول اصلی، Lo تعریف می‌شود.

هنگام کار با فلزات، کرنش معمولاً در واحدهای 10-6 اینچ یا سانتی متر بر سانتی متر (واحد کرنش میکرو) داده می شود. از آنجایی که بیشتر مواد پلاستیکی بازده و ازدیاد طول نهایی بالاتری را نشان می‌دهند، کرنش معمولاً مستقیماً (بدون علامت علمی) یا به صورت درصد کشیدگی (به عنوان مثال کرنش × 100%) بیان می‌شود. نمایش سویه های زیر معادل هستند.

ویژگی ها یا نقاط مشخصه مختلفی بر روی منحنی تنش-کرنش وجود دارد که مورد توجه طراحان است. تعدادی از اصطلاحات مرتبط در زیر تعریف شده و در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1 نقاط یا ویژگی های خاص یک منحنی تنش-کرنش مورد توجه طراحان است.

 

 

• حد متناسب: حد متناسب (برای ماده ای که هم رفتار الاستیک و هم رفتار پلاستیک از خود نشان می دهد) حداکثر بار (تنش) است که ماده می تواند بدون انحراف از تناسب (خطی) تنش به کرنش تحمل کند. برخی از مواد، این تناسب را با مقادیر نسبتاً بالای تنش یا کرنش حفظ می‌کنند، در حالی که برخی دیگر تناسب کمی یا بدون تناسب نشان می‌دهند.
• حد الاستیک: نقطه ای در منحنی تنش-کرنش که حداکثر تنشی را که یک ماده می تواند تحمل کند را مشخص می کند و در صورت رها شدن تنش به ابعاد اولیه خود (بدون تغییر شکل دائمی) بازمی گردد. با مواد پلاستیکی، بازیابی ممکن است فوری نباشد و حد الاستیک می تواند در سطوح تنش بالاتر از حد متناسب رخ دهد.
• تنش تسلیم: اولین مقدار تنش در منحنی تنش-کرنش که در آن افزایش کرنش بدون افزایش تنش اتفاق می‌افتد (یعنی مقدار تنش در نقطه‌ای که شیب منحنی تنش-کرنش صفر می‌شود). همه مواد پلاستیکی نقطه تسلیم ندارند.
• کرنش تسلیم: مقدار کرنش مرتبط با تنش تسلیم. اغلب به عنوان افزایش عملکرد بر حسب درصد گزارش می شود (به عنوان مثال، کرنش عملکرد × 100).
• استحکام نهایی (شکستگی): حداکثر تنشی که یک ماده در اثر بار اعمالی (پارگی) تحمل می کند.
• کرنش نهایی (شکستن): مقدار کرنش مرتبط با مقاومت شکست. اغلب به عنوان ازدیاد طول نهایی در درصد گزارش می شود (به عنوان مثال، کرنش شکستن × 100).

 

شرکت نوآ.ران علوم مهندسی پویا اماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و انواع قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

رفتار کوتاه مدت تنش- کرنش

 

در ادامه مبحث  قالب های تزریق پلاستیک جهت طراحی و ساخت علمی قطعات پلاستیکی، مبجث رفتار تنش-کرنش مورد بررسی قرار می گیرد. داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت (یا منحنی‌ها) نسبتاً آسان هستند و اساساً برای همه مواد پلاستیکی در دسترس هستند. همانطور که از نام آن پیداست، آزمایش های کوتاه مدت در یک بازه زمانی محدود (معمولاً دقیقه) انجام می شود و معمولاً در شرایط آزمایشگاهی ایده آل انجام می شود.

مقادیر مختصات مواد کوتاه مدت (برگ داده) توصیف دقیقی از عملکرد/قابلیت های مکانیکی یک ماده را نشان نمی دهد. با این حال، آنها مبنایی را برای غربالگری و انتخاب مواد اولیه فراهم می کنند (شکل پایین صفحه).

داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت ارائه‌شده توسط تأمین‌کنندگان مواد معمولاً با استفاده از روش‌های آزمایش استاندارد و شرایط آزمایش (معمولاً با استفاده از نرخ ثابت حرکت متقاطع در یک دستگاه آزمایش جهانی) تولید می‌شوند.

بیشتر داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در شرایط استاندارد دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی تولید می شوند. با توجه به حساسیت دمایی اکثر مواد پلاستیکی، اگر آزمایش‌ها در محدوده وسیع‌تری از شرایط محیطی انجام شوند، می‌توان مشخصات عملکرد کامل‌تری را ایجاد کرد.

مواد پلاستیکی نیز ویسکوالاستیک هستند و بنابراین رفتار وابسته به زمان از خود نشان می دهند. مواد پلاستیکی تا حدی الاستیک هستند، توانایی ذخیره انرژی را دارند و تا حدی چسبناک هستند، انرژی را به صورت گرمای اصطکاکی پراکنده می‌کنند و در نتیجه رفتار غیرخطی و تغییر شکل دائمی ایجاد می‌کنند.

نرخ تغییر شکل مربوط به روش آزمایش بر رفتار چسبناک و در نتیجه نتایج آزمایش تأثیر می گذارد. بیشتر منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت با نرخ‌های نسبتاً کم تغییر شکل ایجاد می‌شوند.

در نرخ‌های بالاتر تغییر شکل (مانند بارگذاری ضربه)، مواد پلاستیکی سفت‌تر و شکننده‌تر به نظر می‌رسند، در حالی که در نرخ‌های پایین‌تر تغییر شکل، انعطاف‌پذیرتر و انعطاف‌پذیرتر به نظر می‌رسند. نرخ های بالاتر تغییر شکل مشابه دماهای پایین تر است، در حالی که نرخ های پایین تر مشابه دماهای بالاتر است.

 

 

رفتارهای مکانیکی مواد پلاستیکی تحت تأثیر عوامل محیطی مانند دما و رطوبت نسبی و عواملی مانند میزان بارگذاری است.

 

رطوبت نسبی نیز یک عامل مهم برای موادی مانند نایلون است زیرا آب به عنوان یک نرم کننده عمل می کند و تمایل دارد که پلیمر را انعطاف پذیرتر کند. مهم است که داده‌های آزمایشی مورد استفاده برای مقاصد غربالگری/مقایسه مواد در همان شرایط آزمایش (به عنوان مثال نرخ کرنش، دما و غیره یکسان) تولید شود تا بتوان مقایسه دقیقی انجام داد. داده های گزارش شده توسط سازندگان مواد معمولاً با استفاده از استانداردهای ASTM یا ISO تولید می شوند که اکثر متغیرهای مهم را مشخص می کنند.

داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در درجه اول برای انتخاب مواد اولیه استفاده می شود. با این حال، داده‌ها می‌توانند برای طراحی مفید باشند، مشروط بر اینکه دماها و نرخ‌های بارگذاری (یا کرنش) مرتبط با روش آزمایش با کاربرد نهایی برابر باشد.

با این حال، حتی در آن زمان نیز، اثرات فرآوری، پیری و مواد شیمیایی بر خواص مکانیکی مواد باید مورد توجه ویژه قرار گیرد.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در مبحث قالب های تزریق پلاستیک جهت طراحی و ساخت علمی قطعات پلاستیکی می باشد.

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک ، به مبحث اصلاح طراحی قطعه برای مرحله ساخت قطعات پلاستیکی پرداخته می شود.

 

مرحله 6 – اصلاح طراحی قطعه برای مرحله ساخت

 

هنگامی که مواد و طرح اولیه مشخص شد، طرح باید برای ساخت تغییر یابد. ورودی مهندسان ابزار و فرآیند بسیار ارزشمند است. هندسه قطعه ای که توسعه داده شده است باید قابلیت قالب گیری شدن را داشته باشد.

 

روش های انتخاب مواد بر اساس خواص آن ها می تواند برخی از سوگیری ها را از فرآیند انتخاب مواد حذف کند.

 

طراحان باید تاثیری را که مراحل مختلف فرآیند قالب گیری تزریقی می تواند بر طراحی قطعه داشته باشد در نظر بگیرند. هر مرحله از فرآیند قالب‌گیری تزریقی، یعنی پر کردن قالب، بسته‌بندی، نگهداری، خنک‌کردن و خروج از قالب، نیازمندی‌های خاص خود را دارد که قبلا توضیح داده شده است.

قسمت نشان داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید. این قطعه با دنده هایی برای تحمل بارهای حین عملیات قطعه طراحی شده است. در عمل، قطعه باید با شعاع هایی برای کمک به جریان (و کاهش مقدار تنش)، زوایای پخ برای کمک به بیرون ریختن قطعه، و بافت سطحی برای بهبود ظاهر بصری علائم فرورفتگی (سینک) (به دلیل انقباض مواد) روی دیوار اصلاح شود. از نقطه نظر طراحی تنها تعداد کمی از اصلاحات ممکن برای ساخت وجود دارد. تأثیر این اصلاحات بر عملکرد نهایی قطعه باید پس از انجام آنها ارزیابی شود، زیرا تغییرات طراحی، مانند افزودن زوایای پیش ران به دنده ها، می تواند تأثیر قابل توجهی بر حداکثر انحرافات و تنش های ناشی از آن داشته باشد. بکارگیری چک لیست های طراحی قطعات، مانند آنچه در شکل دوم در پایین صفحه نشان داده شده است، می تواند در طول مراحل برنامه ریزی یا به عنوان بررسی های نهایی برای اطمینان از در نظر گرفتن تمام جنبه های ساخت و مونتاژ مفید باشد.

 

 

طراحی قطعه باید برای نگرانی های تولید اولیه و ثانویه (انقباض، زوایای پخ، هدایت کننده های جریان و غیره) اصلاح شود. تأثیر این تغییرات بر عملکرد مصرف نهایی قطعه باید ارزیابی شود

 

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی قطعات پلاستیکی و طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به صنعتگران گرامی می باشد.

مرحله 4 – طراحی قطعه پلاستیکی مطابق با مواد انتخاب شده

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی ٬ مرحله طراحی قطعه پلاستیکی مطابق با مواد انتخاب شده در ادامه توضیح داده خواهد شد.

در این مرحله از فرآیند طراحی، داشتن چندین ماده نامزد برای کاربرد مورد نظر مفید است. از آنجایی که تفاوت هایی در خواص گریدهای مواد به صورت تنها وجود دارد، تفاوت هایی در هندسه محصول مرتبط با هر یک از مواد مختلف نیز وجود خواهد داشت.

به عنوان مثال، یک طراح٬ پلی اتیلن، پلی پروپیلن و نایلون 6/6 با چگالی بالا را برای کاربردهایی که شامل بارهای ساکن و قرار گرفتن در معرض حلال آلی است در نظر گرفته است.

طراح احساس می کند که هر یک از این سه ماده دارای شایستگی های خاص خود هستند. تا زمانی که هر قطعه طراحی نشده باشد، انتخاب نهایی (بر اساس ملاحظات اقتصادی) غیرممکن است، زیرا مصرف مواد و زمان چرخه ساخت در هر مورد متفاوت خواهد بود. نایلون 6/6 ماده پرهزینه تری در واحد وزن یا حجم است، اما ضخامت دیواره و کاهش زمان چرخه ممکن است هزینه مواد خام بالاتر را جبران کند.

 

 

 

هنگامی که چندین ماده کاندید انتخاب شدند، می توان قطعات را مطابق با خصوصیات مواد پلاستیکی منفرد طراحی کرد. به عنوان مثال، ضخامت دیواره هم تحت تأثیر خواص جریان و هم سختی مواد قرار می گیرد

 

هندسه های قطعه نشان داده شده در شکل بالا دارای مقادیر سفتی معادل هستند زیرا مقادیر مدول مقطع یا گشتاور اینرسی برای جبران مقادیر مدول مختلف هر ماده تنظیم شده است. در حالی که این یک مثال ساده است، در عمل، بسیاری از ویژگی‌های هندسی دیگر مرتبط با عملکرد نهایی یا مونتاژ با توجه به ویژگی‌های ماده خاص متفاوت است.

 

مرحله 5 – انتخاب نهایی مواد

در این مرحله از فرآیند طراحی، طراح باید به یک ماده اولیه برای محصول متعهد شود، در حالی که مواد نامزد باقیمانده را در لیست ذخیره انتخاب خود نگه می دارد، در صورتی که مشکلی پیش بینی نشده در مرحله بعدی توسعه (به عنوان مثال، در طول نمونه سازی یا تولید) شناسایی شود. ). بعید است که هر یک از مواد کاندید کاملاً برای کاربرد مناسب باشد. هر ماده خاصی مزایا و محدودیت های خاص خود را خواهد داشت.

طراح ممکن است بر اساس تجربه گذشته یکی از مواد نامزد را ترجیح دهد. در حالی که کار با مواد آشنا یک مزیت است، سایر مواد انتخاب شده ممکن است برای کاربرد مناسب تر باشند. از سوی دیگر، تصمیماتی که صرفاً بر اساس هزینه‌های مواد و تولید انجام می‌شود، مزایای عملکرد یا پردازش را در نظر نمی‌گیرد. در این مرحله، بهتر است ویژگی های کلی هر ماده کاندید را از نظر هزینه ساخت، ویژگی های عملکرد نهایی و قابلیت پردازش (هم ویژگی های پردازش اولیه و هم ثانویه) در نظر بگیرید.

با رتبه‌بندی هر یک از این ویژگی‌ها، طراحان می‌توانند اساساً انتخابی بی‌طرفانه از بهترین مواد کاندید در تعادل داشته باشند. ویژگی ها یا ویژگی هایی که از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند را می توان رتبه بندی وزن داد.

در حالی که رتبه‌بندی‌های عددی منفرد مرتبط با یک ویژگی خاص می‌تواند تا حدودی دلخواه باشد، امیدواریم بر اساس داده‌های ویژگی عددی واقعی باشد. این تکنیک یک روش نیمه کمی برای انتخاب بهترین مواد کاندید در تعادل ارائه می‌کند، اگر همه ویژگی‌های مهم در نظر گرفته شده باشند.

 

روش های انتخاب مواد نیمه کمی می تواند برخی از سوگیری ها را از فرآیند انتخاب مواد حذف کند.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات در زمینه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعه های پلاستیکی می باشد.