Teil 2 Wichtige Punkte der Kunststoff-CAE

Inhalt

1. Was ist Kunststoff?

2. Unterschied zwischen Kunststoff und Metall

3. Hinweise zur Kunststoff-CAE-Analyse

4. Zusammenfassung

Was ist Kunststoff?

Plastik ist ein englisches Wort, das wörtlich übersetzt „Plastizität“ bedeutet. Es ist die Eigenschaft, dass sich ein Gegenstand bei Krafteinwirkung leicht verformt und auch nach Wegfall der Kraft nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

ISO 472 (1988) definiert Kunststoffe als „Materialien, die als wesentliche Bestandteile Hochpolymere enthalten und denen in einem bestimmten Verarbeitungsstadium zum Endprodukt durch Fließen eine Form gegeben werden kann“. Mit anderen Worten kann man sagen, dass Kunststoffformen „ein Verarbeitungsverfahren ist, bei dem Polymermaterialien durch Hitze usw. flüssig gemacht werden, ihnen nahezu dieselbe Form wie dem Endprodukt gegeben wird und sie dann verfestigt und entnommen werden.“ Es ähnelt dem Metallguss in dem Sinne, dass es geschmolzen, geformt, verfestigt und entnommen wird. Kunststoffe haben jedoch andere Eigenschaften und Merkmale als Metalle.

In der ersten Ausgabe wurde erwähnt, dass CAE für die Konstruktion von Flugzeugen und anderen metallischen Werkstoffen entwickelt wurde. Um CAE mit Kunststoffen verwenden zu können, ist es notwendig, die Materialeigenschaften von Kunststoffen zu kennen.

 

■ Kunststoffarten

Es gibt viele Arten von Kunststoffen, sie können jedoch grob in „Duroplaste“ und „Thermoplaste“ unterteilt werden.

[Duroplast]

Als Duroplaste werden Kunststoffe bezeichnet, die bei Erwärmung aushärten.

Typische duroplastische Kunststoffe sind Epoxid (EP), Phenol (PF), Melamin (MF), Silikon (SI) und Polyurethan (PUR). Hitze verursacht eine chemische Veränderung und härtet aus. Einmal ausgehärtet, wird es auch bei erneutem Erhitzen nicht weich und weist eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf. Da die Moleküle durch Bildung einer vernetzten Struktur ausgehärtet werden, weisen sie außerdem ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf.

Da der Formzyklus jedoch lang ist und Nachbearbeitungen wie Entgraten erforderlich sind, ist die Massenproduktion nicht sehr gut. Sie macht etwa 10 % des inländischen Produktionsvolumens aus und da sie schwer zu recyceln ist, ist ihre Verwendung in Produkten begrenzt.

 

[Thermoplastischer Kunststoff]

Thermoplaste sind Kunststoffe, die bei Erwärmung weich werden.

Thermoplaste werden häufig beim Kunststoffformen verwendet. Spritzguss ermöglicht eine kontinuierliche, kostengünstige Massenproduktion. Sie können recycelt werden, da sie beim erneuten Erhitzen weicher werden.​

Thermoplaste werden je nach Unterschied in der Molekülstruktur weiter in kristalline Kunststoffe und amorphe Kunststoffe unterteilt. 

Kristalline Kunststoffe haben eine Struktur, in der die Teile eines Polymers sauber angeordnet sind. Sie haben einen kristallinen Teil und bestehen aus einem kristallinen und einem amorphen Teil. Amorphe Kunststoffe hingegen haben keine kristalline Struktur (Bild Abb. 3).

Kristalline Kunststoffe besitzen eine Glasübergangstemperatur (Tg) und einen Schmelzpunkt (Tm), während amorphe Kunststoffe nur eine Glasübergangstemperatur (Tg) besitzen. Oberhalb der Glasübergangstemperatur erweichen​ ​amorphe Kunststoffe rasch, während kristalline Kunststoffe ihre Härte beibehalten können. Allerdings erweichen auch kristalline Kunststoffe​ ​rasch, wenn sie ihren Schmelzpunkt überschreiten (Abb. 3, rechts).

Kristalline Kunststoffe haben dichte Kristalle, die Licht streuen, was zu geringer Transparenz und hoher chemischer Beständigkeit und Ermüdungsfestigkeit (Kriechfestigkeit) führt. Amorphe Kunststoffe​ ​sind in der Regel hochtransparent und lassen sich leicht lackieren und verkleben.

 

Thermoplaste, die häufig zum Formen verwendet werden, werden allgemein als „Allzweckkunststoffe“ bezeichnet. Typische Beispiele sind Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Unter diesen werden PP und PE als kristalline Harze klassifiziert, während PS und ABS als amorphe Harze klassifiziert werden.

Hitzebeständigkeit von 100 °C oder höher, Festigkeit von 49 MPa (500 kgf/cm2) oder höher und Biegemodul von 2,4 GPa (24.500 kgf/cm2) oder höher werden als „technische Kunststoffe“ bezeichnet. Bei der Produktgestaltung werden technische Kunststoffe ausgewählt, wenn Allzweckkunststoffe Anforderungen wie Festigkeit und Hitzebeständigkeit nicht erfüllen können.

Typische Beispiele sind Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und modifizierter Polyphenylenether (m-PPE). Abbildung 4 zeigt von links nach rechts die Strukturen und Eigenschaften von PA, POM und m-PPE. Dabei werden PA und POM zu den kristallinen Kunststoffen und m-PPE zu den amorphen Kunststoffen gezählt.

→ Erfahren Sie mehr über „Polyamid“

→ Erfahren Sie mehr über „Polyacetal“

→ Erfahren Sie mehr über „m-Polyphenylenether“ im Detail

 

Ein Hochleistungsharz mit höherer mechanischer Festigkeit, chemischer Beständigkeit und Hitzebeständigkeit als technische Kunststoffe. Super-Engineering-Plastik (Super Engineering Plastics) genannt. Behält seine mechanische Leistung auch in Hochtemperaturumgebungen von 150 °C oder mehr. Typische Beispiele sind Flüssigkristallpolymer (LCP) und Polyphenylensulfid (PPS).

In den letzten Jahren wurden verschiedene Kunststoffe entwickelt, darunter Biomassekunststoffe, die aus Pflanzen wie Mais gewonnene Bestandteile enthalten, und biologisch abbaubare Kunststoffe, die durch Mikroorganismen zersetzt werden.

Unterschied zwischen Kunststoff und Metall*

*Mit „Kunststoff“ sind im Folgenden thermoplastische Kunststoffe gemeint.

■ Struktur

Die Struktur eines Metalls besteht aus einer großen Anzahl von Atomen (Al, Fe, Cu usw.), die in geordneter Weise angeordnet sind und einen Kristall bilden (Abb. 6). Freie Elektronen mit negativer elektrischer Ladung bewegen sich frei um den Atomkern (positives Ion) und binden die Atome stark aneinander. Dies wird als metallische Bindung bezeichnet.

​Kunststoffe hingegen befinden sich in einem polymerisierten Zustand aus Monomeren, von denen jedes unterschiedliche Moleküle aufweist, die kovalent aneinander gebunden sind. Dies wird als Polymer (Polymer) bezeichnet, und es wird auch als Molekülkette bezeichnet, da die Moleküle wie eine Kette lang miteinander verbunden sind. Das Innere des Kunststoffs befindet sich in einem Zustand, in dem dieses Polymer verwickelt ist, und es weist verschiedene Strukturen wie kristalline und amorphe Teile auf. Dieser Strukturunterschied wirkt sich auf den Schmelzpunkt, die physikalischen Eigenschaften, die Glasübergangstemperatur usw. aus.

 

■ Physikalische Eigenschaften

Einen Vergleich der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen und Metallen zeigt die folgende Tabelle.

Die erste allgemeine Eigenschaft von Kunststoffen ist, dass sie leichter als Metalle sind. Sie wiegen etwa die Hälfte bis ein Viertel von Aluminium und 1/7 bis 1/10 von Stahl und Kupfer. Daher kann durch den Ersatz von Metall durch Kunststoff Gewicht eingespart werden.

Es herrscht die Vorstellung, dass Kunststoff stärker ist als Metall, aber je nach Qualität und Typ kann Kunststoff stärker sein. Der Elastizitätsmodul (Schwierigkeitsgrad bei Verformung) ist bei Metall jedoch höher, und bei einem Vergleich zwischen Aluminium und Asahi Kasei Polyamidharz LEONA™ ^14G33 (Polyamid 66, Glasfaser 33 %) ist Aluminium siebenmal höher. Ich bin hier.

Metall hat im Allgemeinen einen sehr hohen Flamm- und Zündpunkt und ist schwer zu verbrennen, aber Kunststoff brennt bei einer niedrigeren Temperatur. Andererseits haben Kunststoffe im Vergleich zu Metallen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärme (die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Substanz zu erhöhen), sodass eine wärmeisolierende Wirkung zu erwarten ist.

 

■ Temperaturverhalten

Der Schmelzpunkt von allgemeinem nicht hitzebeständigem Kunststoff (PP: Polypropylen) liegt bei 170°C, während der Schmelzpunkt von Metall (Edelstahl) bei 1450°C liegt, was einen ungleich größeren Unterschied darstellt. Daher reagieren die Materialeigenschaften von Kunststoffen empfindlich auf selbst einen geringen Temperaturanstieg.

Sowohl Metalle als auch Kunststoffe haben viskoelastische Eigenschaften. Während Metalle diese Eigenschaften jedoch nur bei Temperaturen von mehreren hundert Grad oder mehr aufweisen, werden Kunststoffe bereits bei einer Änderung der Raumtemperatur um 10 bis 20 Grad beeinträchtigt. Diese viskoelastische Eigenschaft beeinflusst Dinge wie den Zugmodul und die Bruchdehnung. Viskoelastische Eigenschaften werden später besprochen.

Die Temperatureigenschaften sind nicht proportional zur Temperatur, sondern ändern sich um eine bestimmte Temperatur, beispielsweise die Glasübergangstemperatur (Tg), schnell, wie in Abbildung 9 gezeigt. Bei niedrigen Temperaturen können sich weder der kristalline noch der amorphe Teil des Kunststoffs bewegen, und die Flexibilität ist gering (Glaszustand). Die Temperatur, bei der sich der amorphe Teil bei steigender Temperatur zu bewegen beginnt, wird als Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet. Der Schmelzpunkt (Tm) ist die Temperatur, bei der die Temperatur weiter ansteigt und sich der kristalline Teil frei bewegen kann. Mit anderen Worten: Kunststoff verliert bei niedrigen Temperaturen an Flexibilität und wird spröde, während er bei hohen Temperaturen weicher wird und seine Härte verliert. Es sind diese Temperatureigenschaften von Kunststoffen, die Risse in Kunststoffbehältern im Gefrierschrank und Verformungen bei Kunststoffen verursachen, die in der Mikrowelle erhitzt werden.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kunststoffen variiert je nach Material stark. Werden Teile mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden, kommt es bei Temperaturänderungen zu unterschiedlichen Ausdehnungs- und Kontraktionsvorgängen. Die dadurch entstehenden thermischen Spannungen führen zu Verformungen und Rissen (Abb. 8).

Metall korrodiert, Kunststoff hingegen verrottet, anstatt zu korrodieren. Der Verfall wird durch Hitze beschleunigt, daher muss bei der Entwicklung von Kunststoffprodukten auf die Einsatzumgebung geachtet werden.

 

■ Viskoelastische Eigenschaften

・Was ist Viskoelastizität?

Viskoelastizität ist eine Eigenschaft, die elastische und viskose Eigenschaften kombiniert. Elastizität ist eine Eigenschaft, bei der Kraft und Verformung proportional sind, so wie sich Gummi dehnt, wenn man daran zieht, und in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn man es loslässt. Viskosität ist die Eigenschaft, dass die Verformung mit der Zeit fortschreitet, so als würde Ton gedehnt, wenn man ihn nach links und rechts zieht. Viskoelastische Kunststoffe kombinieren beide Eigenschaften und verhalten sich bei schnell ausgeübten Kräften wie Gummi und bei langsam ausgeübten Kräften wie Ton.

Wie oben erwähnt, sind sowohl Kunststoffe als auch Metalle viskoelastisch, Metalle zeigen jedoch nur bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Viskoelastizität. Aufgrund der Temperatureigenschaften von Kunststoffen ist es notwendig, Phänomene umfassend zu bewerten, die bei Metallen nicht viel Aufmerksamkeit erfordern. Dies sind Kriechen und Spannungsrelaxation.

<Schleichen>

Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem die Belastung mit der Zeit zunimmt, wenn ein Objekt über einen längeren Zeitraum belastet wird.

Wie in Abb. 10 dargestellt, nimmt die Spannung, unmittelbar nachdem ein Gewicht auf einen Stab mit fixiertem Ende gelegt wurde, mit der Zeit wieder allmählich zu, selbst nachdem eine dem Gewicht entsprechende Spannung aufgetreten ist. Dies ist eine Verformung, die aus der viskosen Natur resultiert. Bei hoher Spannung oder in einer Umgebung mit hohen Temperaturen kann dies schließlich zum Bruch führen.

Da eine genaue Bewertung der Kriechfestigkeit schwierig ist und diese leicht durch die Umgebung beeinflusst wird, ist es wünschenswert, Kunststoffprodukte so zu konstruieren, dass konstante Belastungen möglichst vermieden werden.

 

<Spannungsabbau>

Ein Phänomen, bei dem die Spannung mit der Zeit abnimmt, wenn auf ein Objekt eine konstante Belastung ausgeübt wird.

Wie in Abb. 11 gezeigt, wird, wenn die Unterseite einer Stange mit festem Oberteil am Boden eingehakt wird und eine Dehnung (ε ₀) ausgeübt wird, zunächst eine hohe Spannung (σ ₀) erzeugt, die jedoch mit der Zeit abnimmt. wird kleiner (σ _t). Nach dem Einhaken am Boden ändert sich die Dehnung (ε ₀) nicht. Wie beim Kriechen wird dies auch durch die viskoelastischen Eigenschaften des Materials verursacht.

Als spezifisches Phänomen gibt es das Phänomen, dass die Axialkraft von Schrauben und Bolzen sowie die Auszugskraft von Presspassungsteilen mit der Zeit abnehmen. Bei der Konstruktion eines Produkts muss sichergestellt werden, dass die erforderliche Mindestlast über die gesamte Lebensdauer aufrechterhalten werden kann.

 

Hinweise zur CAE-Analyse von Kunststoffen

■ Vorgehensweise bei der Analyse

Kunststoff ist ein viskoelastischer Körper und die Dehnung ändert sich mit der Zeit. Bei einer normalen Strukturanalyse im Rahmen einer CAE-Analyse wird der Einfluss der Zeit jedoch als sehr gering angesehen, sodass Kunststoff als elastoplastischer Körper behandelt wird.

 

■ Zu verwendende Werkstoffdaten

Für die Auslegung der Festigkeit von Produkten ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu kennen. Zu diesem Zweck wird die Spannungs-Dehnungs-Kurve (SS-Kurve) verwendet. Dabei handelt es sich um eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Spannung und Dehnung, die auftritt, wenn eine Kraft auf ein Material ausgeübt wird.

Wie in Abbildung 13 gezeigt, weist diese Grafik eine komplexe nichtlineare Form statt einer einfachen geraden Linie (linear) auf. Dies liegt daran, dass Belastung und Verformung nicht proportional sind. Dies wird als materielle Nichtlinearität bezeichnet. Dieses materielle nichtlineare Problem kann auch mit der in Teil 1 erläuterten Methode der finiten Elemente gelöst werden. Ich werde dies in der nächsten Strukturanalyse ausführlicher besprechen.

Kunststoffe weisen eine große Materialnichtlinearität auf, daher müssen Berechnungen auf genauen SS-Kurven basieren. Da außerdem der Verformungsgrad groß ist, muss die Änderung des Kontaktzustands bei der Berechnung berücksichtigt werden. Insbesondere ändern sich die Materialeigenschaften je nach Temperatur stark, daher sind für die Umgebung geeignete Materialdaten (SS-Kurve) erforderlich.

Die Eigenschaften von Kunststoffen variieren je nach Art und Güteklasse stark. Verstärkte Kunststoffsorten sind aufgrund der Wirkung der Verstärkungsfasern stark anisotrop, sodass die Faserorientierung bei Berechnungen berücksichtigt werden muss. Da das Harz eine hohe Viskosität aufweist, wird die Faserorientierung durch den Fluss bestimmt, da sie jedoch von der Form des geformten Produkts und der Angussposition beeinflusst wird, ist es erforderlich, die Faserorientierung aus der Analyse des Formprozesses zu ermitteln, beispielsweise aus der Spritzgussanalyse und der Spannungsverzugsanalyse. Dies wird in einem separaten Kapitel erläutert.

 

■ Zu berücksichtigende Merkmale je nach Art der Analyse

Bei der Kriechanalyse wird die Viskoelastizität berücksichtigt. Dies liegt daran, dass für die Kriechanalyse eine konstitutive Gleichung erforderlich ist, die die Viskoelastizität (Zeitterm) berücksichtigt, um die Dehnungszunahme im Laufe der Zeit zu berechnen.

Außerdem muss die Dehnungsratenabhängigkeit bei der Aufprallanalyse berücksichtigt werden. Da sich Festigkeit und Steifigkeit von Kunststoffen mit der Dehnungsrate stark ändern, werden Daten zu diesen Dehnungsratenabhängigkeiten benötigt.

Wir werden diese Themen in zukünftigen Veröffentlichungen ausführlicher besprechen.

Zusammenfassung

Kunststoff ist ein sehr praktisches und vertrautes Material, aber um ihn richtig zu gestalten, muss man seine grundlegenden Eigenschaften verstehen. Der erste Schritt besteht darin, die Eigenschaften der Kunststoffe, mit denen wir normalerweise in Kontakt kommen, theoretisch zu kennen.

 

Nächster Teil: „Einführung in Analysesoftware“​

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