Parte 2 Puntos clave del CAE de plástico

Contenido

1. ¿Qué es el plástico?

2. Diferencia entre plástico y metal

3. Notas sobre el análisis CAE de plásticos

4. Resumen

¿Qué es el plástico?

Plástico es una palabra inglesa que literalmente se traduce como “plasticidad”. Es una propiedad que se deforma fácilmente cuando se le aplica una fuerza y no vuelve a su forma original incluso cuando se retira la fuerza aplicada.

La norma ISO 472 (1988) define los plásticos como "materiales que contienen polímeros de alto peso molecular como constituyentes esenciales y a los que se les puede dar forma mediante el flujo en alguna etapa del procesamiento hasta obtener el producto terminado". En otras palabras, se puede decir que el moldeo de plásticos es "un método de procesamiento en el que se les da fluidez a los materiales poliméricos mediante calor, etc., se les da casi la misma forma que al producto terminado y luego se solidifican y se extraen". Es similar a la fundición de metales en el sentido de que se derrite, se le da forma, se solidifica y se extrae. Sin embargo, los plásticos tienen propiedades y características diferentes a las de los metales.

En el primer número se mencionó que el CAE se desarrolló para su uso en el diseño de aeronaves y otros materiales metálicos. Para utilizar el CAE con plásticos, es necesario conocer las propiedades de los materiales plásticos.

 

■ Tipos de plástico

Hay muchos tipos de plásticos, pero a grandes rasgos se pueden dividir en “plásticos termoendurecibles” y “termoplásticos”.

[Plástico termoendurecible]

Los plásticos que se endurecen al calentarse se denominan plásticos termoendurecibles.

Los plásticos termoendurecibles más comunes son el epoxi (EP), el fenol (PF), la melamina (MF), la silicona (SI) y el poliuretano (PUR). El calor provoca un cambio químico y se endurece. Una vez endurecido, no se ablanda ni siquiera si se vuelve a calentar y tiene una excelente resistencia al calor. Además, como las moléculas se curan formando una estructura reticulada, también tienen excelentes propiedades mecánicas y resistencia química.

Sin embargo, debido a que el ciclo de moldeo es largo y se requiere un procesamiento posterior, como el desbarbado, la producción en masa no es muy buena. Representa aproximadamente el 10% del volumen de producción nacional y, debido a que es difícil de reciclar, su uso en productos es limitado.

 

[Plástico termoplástico]

Los termoplásticos son plásticos que se ablandan cuando se calientan.

Los termoplásticos se utilizan habitualmente en el moldeo de plásticos. El moldeo por inyección permite una producción en masa continua y de bajo coste. Se pueden reciclar porque se ablandan al recalentarse.​

Los termoplásticos se dividen además en plásticos cristalinos y plásticos amorfos según la diferencia en la estructura molecular. 

Los plásticos cristalinos tienen una estructura en la que las partes de un polímero están ordenadas y tienen una parte cristalina, y están formados por una parte cristalina y una parte amorfa. Por otro lado, los plásticos amorfos no tienen una estructura cristalina (imagen de la Fig. 3).

Los plásticos cristalinos tienen una temperatura de transición vítrea (Tg) y un punto de fusión (Tm), mientras que los plásticos amorfos solo tienen una temperatura de transición vítrea (Tg). Los plásticos amorfos​ ​se ablandan rápidamente por encima de la temperatura de transición vítrea, mientras que los plásticos cristalinos pueden mantener su dureza. Sin embargo, los plásticos cristalinos también se ablandan rápidamente cuando superan su punto de fusión (Fig. 3, derecha).

Los plásticos cristalinos tienen cristales densos que difunden la luz, lo que da como resultado una baja transparencia y una alta resistencia química y a la fatiga (fluencia). Los plásticos amorfos tienden a ser muy transparentes y fáciles de pintar y adherir.

 

Los termoplásticos que se utilizan a menudo para el moldeado se denominan comúnmente "plásticos de uso general". Los ejemplos típicos son el polipropileno (PP), el polietileno (PE), el poliestireno (PS) y el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). Entre estos, el PP y el PE se clasifican como resinas cristalinas, mientras que el PS y el ABS se clasifican como resinas amorfas.

Los plásticos de ingeniería que tienen una resistencia al calor de 100 °C o superior, una fuerza de 49 MPa (500 kgf/cm2) o superior y un módulo de flexión de 2,4 GPa (24 500 kgf/cm2) o superior se denominan "plásticos de ingeniería". Al diseñar productos, se seleccionan plásticos de ingeniería cuando los plásticos de uso general no pueden cumplir con los requisitos como resistencia y resistencia al calor.

Entre los ejemplos típicos se incluyen la poliamida (PA), el polioximetileno (POM) y el éter de polifenileno modificado (m-PPE). La figura 4 muestra las estructuras y características de la PA, el POM y el m-PPE de izquierda a derecha. Entre estos, la PA y el POM se clasifican como plásticos cristalinos y el m-PPE como plásticos amorfos.

→ Conozca en detalle la “Poliamida”

→ Conozca en detalle el “Poliacetal”

→ Conozca en detalle el "éter de m-polifenileno"

 

Una resina de alto rendimiento con mayor resistencia mecánica, resistencia química y resistencia al calor que los plásticos de ingeniería. Se denomina superplástico de ingeniería (superplástico de ingeniería). Mantiene el rendimiento mecánico incluso en entornos de alta temperatura de 150 °C o más. Los ejemplos típicos incluyen polímero de cristal líquido (LCP) y sulfuro de polifenileno (PPS).

En los últimos años se han desarrollado diversos plásticos, entre ellos plásticos de biomasa que contienen componentes derivados de plantas como el maíz, y plásticos biodegradables que son descompuestos por microorganismos.

Diferencia entre plástico y metal*

*A partir de ahora, “plástico” se refiere a termoplásticos.

■ Estructura

La estructura de un metal está formada por un gran número de átomos (Al, Fe, Cu, etc.) dispuestos de forma ordenada para formar un cristal (Fig. 6). Los electrones libres con carga eléctrica negativa se mueven libremente alrededor del núcleo atómico (ion positivo), uniendo fuertemente los átomos entre sí. Esto se denomina enlace metálico.

Por otro lado, los plásticos se encuentran en un estado polimerizado de monómeros, cada uno de los cuales tiene diferentes moléculas unidas covalentemente entre sí. A esto se le llama polímero (polímero), y también se le llama cadena molecular porque las moléculas están conectadas a lo largo como una cadena. El interior del plástico se encuentra en un estado en el que este polímero está enredado, y tiene varias estructuras como partes cristalinas y amorfas. Esta diferencia en la estructura afecta el punto de fusión, las propiedades físicas, la temperatura de transición vítrea, etc.

 

■ Propiedades físicas

En la siguiente tabla se muestra una comparación de las propiedades físicas de los plásticos y los metales.

La primera característica general de los plásticos es que son más ligeros que los metales. Su peso es de aproximadamente entre la mitad y la cuarta parte del del aluminio y de entre una séptima y una décima parte del del acero y el cobre. Por lo tanto, al sustituir el metal por plástico, se puede reducir el peso.

Existe la idea de que el plástico es más resistente que el metal, pero dependiendo del grado y el tipo, el plástico puede ser más resistente. Sin embargo, el módulo de elasticidad (dificultad de deformación) es mayor en el metal, y en una comparación entre el aluminio y la resina de poliamida LEONA™ ^14G33 (poliamida 66, fibra de vidrio 33%) de Asahi Kasei, el aluminio es siete veces mayor. Estoy aquí.

El metal generalmente tiene un punto de inflamación y de ignición muy altos y es difícil de quemar, pero el plástico arde a una temperatura más baja. Por otro lado, los plásticos tienen una conductividad térmica muy baja y un calor específico alto (la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia) en comparación con los metales, por lo que se puede esperar que tengan un efecto de aislamiento térmico.

 

■ Características de temperatura

El punto de fusión del plástico no termorresistente (PP: polipropileno) es de 170 °C, mientras que el del metal (acero inoxidable) es de 1450 °C, lo que lo hace incomparablemente diferente. Por lo tanto, las propiedades materiales de los plásticos reaccionan de manera sensible incluso a un ligero aumento de temperatura.

Tanto los metales como los plásticos tienen propiedades viscoelásticas, pero mientras que los metales solo presentan propiedades viscoelásticas a temperaturas de varios cientos de grados o más, los plásticos se ven afectados incluso por un cambio de 10 a 20 grados en la temperatura ambiente. Esta propiedad viscoelástica afecta aspectos como el módulo de tracción y el alargamiento de rotura. Las propiedades viscoelásticas se analizarán más adelante.

Las características de temperatura no son proporcionales a la temperatura, sino que cambian rápidamente alrededor de una temperatura específica como la temperatura de transición vítrea (Tg), como se muestra en la Figura 9. A bajas temperaturas, ni la parte cristalina ni la parte amorfa en el plástico pueden moverse y la flexibilidad es baja (estado vítreo). La temperatura a la que la parte amorfa comienza a moverse a medida que aumenta la temperatura se llama temperatura de transición vítrea (Tg). El punto de fusión (Tm) es la temperatura a la que la temperatura aumenta aún más y la parte cristalina puede moverse libremente. En otras palabras, el plástico pierde flexibilidad y se vuelve quebradizo a bajas temperaturas, y se ablanda y pierde su dureza a altas temperaturas. Son estas características de temperatura de los plásticos las que provocan grietas en los recipientes de plástico colocados en el congelador y deformaciones en los plásticos calentados en un horno microondas.

El coeficiente de expansión térmica de los plásticos varía mucho según el material. Al unir piezas con diferentes coeficientes de expansión, se producirán diferentes grados de expansión y contracción cuando cambie la temperatura. La tensión térmica que esto provoca provoca deformaciones y grietas (Fig. 8).

El metal se corroe, pero el plástico se deteriora en lugar de corroerse. El deterioro se acelera con el calor, por lo que es necesario prestar atención al entorno de uso al diseñar productos de plástico.

 

■ Propiedades viscoelásticas

・¿Qué es la viscoelasticidad?

La viscoelasticidad es una propiedad que combina propiedades elásticas y viscosas. La elasticidad es una propiedad en la que la fuerza y la deformación son proporcionales, al igual que el caucho se estira cuando se tira y vuelve a su forma original cuando se suelta. La viscosidad es la propiedad de que la deformación progresa con el tiempo como si la arcilla se estirara cuando se tira de izquierda a derecha. Los plásticos viscoelásticos combinan ambas propiedades, comportándose como el caucho bajo fuerzas aplicadas rápidamente y como la arcilla bajo fuerzas aplicadas lentamente.

Como se mencionó anteriormente, tanto los plásticos como los metales tienen viscoelasticidad, pero los metales solo muestran viscoelasticidad a temperaturas de varios cientos de grados. Debido a las características de temperatura de los plásticos, es necesario evaluar completamente los fenómenos que no requieren mucha atención con los metales. Estos son la fluencia y la relajación de la tensión.

<Arrastre>

Se trata de un fenómeno en el que la tensión aumenta con el tiempo cuando se aplica tensión a un objeto durante un largo periodo de tiempo.

Como se muestra en la figura 10, inmediatamente después de colocar un peso sobre una varilla cuya parte superior está fija, incluso después de que se produzca la tensión correspondiente a ese peso, la tensión aumenta gradualmente de nuevo con el tiempo. Se trata de una deformación que surge de la naturaleza viscosa. En caso de alta tensión o en un entorno de alta temperatura, puede acabar provocando una fractura.

La evaluación precisa de la resistencia a la fluencia es difícil y se ve fácilmente afectada por el medio ambiente, por lo que es deseable diseñar productos plásticos que eviten cargas constantes tanto como sea posible.

 

<Relajación del estrés>

Un fenómeno en el que la tensión disminuye con el tiempo cuando se aplica una tensión constante a un objeto.

Como se muestra en la Fig. 11, cuando el lado inferior de una barra con una parte superior fija se engancha en el suelo y se aplica una deformación (ε ₀), inicialmente se genera una tensión alta (σ ₀), pero esta tensión disminuye con el paso del tiempo. se vuelve más pequeña (σ _t). No hay cambio en la cantidad de deformación (ε ₀) después de engancharse al suelo. Al igual que la fluencia, esto también es causado por las propiedades viscoelásticas del material.

Como fenómeno específico, existe un fenómeno en el que la fuerza axial de los tornillos y pernos y la fuerza de extracción de las piezas ajustadas a presión disminuyen con el tiempo. Al diseñar un producto, se debe garantizar que se pueda mantener la carga mínima requerida durante su vida útil.

 

Notas sobre el análisis CAE de plásticos

■ Cómo manejar en el análisis

El plástico es un cuerpo viscoelástico y la deformación cambia con el tiempo, pero en el análisis estructural normal realizado en análisis CAE, el efecto del tiempo se considera muy pequeño, por lo que se trata como un cuerpo elastoplástico.

 

■ Datos del material a utilizar

Es importante conocer las propiedades mecánicas de los plásticos a la hora de diseñar la resistencia de los productos. Para ello se utiliza la curva de esfuerzo-deformación (curva SS). Se trata de una representación gráfica de la relación entre el esfuerzo y la deformación que se produce cuando se aplica una fuerza a un material.

Como se muestra en la Figura 13, este gráfico tiene una forma no lineal compleja en lugar de una línea recta simple (lineal). Esto se debe a que la carga y la deformación no son proporcionales. Esto se denomina no linealidad del material. Este problema no lineal del material también se puede resolver mediante el método de elementos finitos explicado en la Parte 1. Analizaré esto con más detalle en el próximo análisis estructural.

Los plásticos tienen una gran no linealidad, por lo que los cálculos deben basarse en curvas SS precisas. Además, dado que la cantidad de deformación es grande, es necesario considerar el cambio en el estado de contacto en el cálculo. En particular, las propiedades del material cambian mucho según la temperatura, por lo que se requieren datos del material (curva SS) adecuados para el entorno.

Las características de los plásticos varían mucho según el tipo y el grado. Los grados reforzados de plásticos son altamente anisotrópicos debido al efecto de las fibras de refuerzo, por lo que la orientación de las fibras debe tenerse en cuenta en los cálculos. Dado que la resina tiene una alta viscosidad, la orientación de las fibras está determinada por el flujo, pero como se ve afectada por la forma del producto moldeado y la posición de la compuerta, es necesario obtener la orientación de las fibras a partir del análisis del proceso de moldeo, como el análisis de moldeo por inyección y el análisis de deformación por tensión. Tengo. Esto se explicará en un capítulo aparte.

 

■ Características a considerar según el tipo de análisis

El análisis de fluencia tiene en cuenta la viscoelasticidad, ya que requiere una ecuación constitutiva que considere la viscoelasticidad (término temporal) para calcular el aumento de la deformación a lo largo del tiempo.

Además, la dependencia de la velocidad de deformación debe tenerse en cuenta en el análisis de impacto. Dado que la resistencia y la rigidez de los plásticos cambian en gran medida con la velocidad de deformación, se requieren datos sobre estas dependencias de la velocidad de deformación.

Discutiremos estos temas con más detalle en futuras publicaciones.

Resumen

El plástico es un material muy cómodo y familiar, pero es necesario comprender sus características básicas para diseñarlo correctamente. El primer paso es conocer teóricamente las propiedades de los plásticos con los que solemos entrar en contacto uno a uno.

 

Parte siguiente: "Introducción al software de análisis"​

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