Phần 2 Điểm nhựa CAE

Nội dung

1. Nhựa là gì?

2. Sự khác biệt giữa nhựa và kim loại

3. Những điểm cần lưu ý trong phân tích CAE nhựa

4. Tóm tắt

nhựa là gì

Nhựa là một từ tiếng Anh được dịch theo nghĩa đen là “dẻo”. Đó là tính chất dễ biến dạng khi có lực tác dụng và không trở lại hình dạng ban đầu ngay cả khi bỏ lực tác dụng.

ISO 472 (1988) định nghĩa chất dẻo là "vật liệu có chứa polyme cao là thành phần thiết yếu và có thể tạo hình bằng dòng chảy ở một số giai đoạn chế biến thành sản phẩm cuối cùng". Nói cách khác, đúc nhựa có thể nói là "một phương pháp xử lý trong đó vật liệu polyme được cung cấp tính lưu động bằng nhiệt, v.v., tạo cho chúng có hình dạng gần giống như thành phẩm, sau đó được hóa rắn và lấy ra. "Nó tương tự như đúc kim loại theo nghĩa là nó được nấu chảy, tạo hình, đông đặc và đưa ra ngoài. Tuy nhiên, nhựa có các tính chất và đặc điểm khác với kim loại.

Lần trước tôi đã đề cập rằng CAE được phát triển để sử dụng trong việc thiết kế các vật liệu kim loại như máy bay. Để sử dụng CAE với nhựa, cần phải biết các đặc tính vật liệu của nhựa.

 

■ Các loại nhựa

Có nhiều loại nhựa, nhưng chúng có thể được chia thành "nhựa nhiệt rắn" và "nhựa nhiệt dẻo".

[Nhựa nhiệt dẻo]

Chất dẻo cứng lại khi đun nóng được gọi là chất dẻo nhiệt rắn.

Các loại nhựa nhiệt rắn điển hình bao gồm epoxy (EP), phenol (PF), melamine (MF), silicone (SI) và polyurethane (PUR). Nhiệt gây ra một sự thay đổi hóa học và cứng lại. Sau khi cứng lại, nó không bị mềm ngay cả khi được hâm nóng và có khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Ngoài ra, do các phân tử được xử lý bằng cách hình thành cấu trúc liên kết ngang, nên chúng cũng có tính chất cơ học và khả năng kháng hóa chất tuyệt vời.

Tuy nhiên, do chu kỳ đúc dài và cần phải xử lý hậu kỳ như mài bavia nên sản xuất hàng loạt không tốt lắm. Nó chiếm khoảng 10% khối lượng sản xuất trong nước và do khó tái chế nên việc sử dụng nó trong các sản phẩm bị hạn chế.

 

[Nhựa nhiệt dẻo]

Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa mềm khi đun nóng.

Nhựa nhiệt dẻo thường được sử dụng trong đúc nhựa. Ép phun cho phép sản xuất hàng loạt liên tục, chi phí thấp. Chúng có thể được tái chế vì chúng mềm ra khi hâm nóng.​

Nhựa nhiệt dẻo được chia thành nhựa kết tinh và nhựa vô định hình theo sự khác biệt về cấu trúc phân tử. 

Nhựa kết tinh có cấu trúc trong đó các phần của polyme được sắp xếp gọn gàng, và chúng có một phần kết tinh, và được tạo thành từ một phần kết tinh và một phần vô định hình. Mặt khác, nhựa vô định hình không có cấu trúc tinh thể (hình 3).

Nhựa kết tinh có nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) và nhiệt độ nóng chảy (Tm), trong khi nhựa vô định hình chỉ có nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg). Nhựa vô định hình​ ​mềm nhanh chóng trên nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, trong khi nhựa kết tinh có thể duy trì độ cứng của chúng. Tuy nhiên, nhựa kết tinh cũng mềm đi nhanh chóng khi chúng vượt quá nhiệt độ nóng chảy (Hình 3, bên phải).

Nhựa kết tinh có các tinh thể dày đặc khuếch tán ánh sáng, dẫn đến độ trong suốt thấp và khả năng chống chịu hóa chất và độ bền mỏi (độ rão) cao. Nhựa vô định hình có xu hướng trong suốt cao, dễ sơn và bám dính.

 

Nhựa nhiệt dẻo thường được sử dụng để đúc khuôn thường được gọi là "nhựa đa năng". Các ví dụ điển hình là polypropylen (PP), polyetylen (PE), polystyren (PS) và acrylonitrile-butadien-styren (ABS). Trong số này, PP và PE được phân loại là nhựa kết tinh, trong khi PS và ABS được phân loại là nhựa vô định hình.

khả năng chịu nhiệt từ 100°C trở lên, độ bền từ 49 MPa (500 kgf/cm2) trở lên và mô đun uốn từ 2,4 GPa (24.500 kgf/cm2) trở lên được gọi là "nhựa kỹ thuật kỹ thuật". Khi thiết kế sản phẩm, nhựa kỹ thuật được chọn khi nhựa thông thường không thể đáp ứng các yêu cầu như độ bền và khả năng chịu nhiệt.

Các ví dụ điển hình bao gồm polyamit (PA), polyoxymetylen (POM) và ete polyphenylen biến tính (m-PPE). Hình 4 cho thấy cấu trúc và đặc điểm của PA, POM và m-PPE từ trái sang phải. Trong số này, PA và POM được phân loại là nhựa kết tinh và m-PPE là nhựa vô định hình.

→ Tìm hiểu chi tiết về “Polyamid”

→ Tìm hiểu chi tiết về “Polyacetal”

→ Tìm hiểu chi tiết về “m-Polyphenylene ether”

 

Một loại nhựa hiệu suất cao có độ bền cơ học, khả năng kháng hóa chất và khả năng chịu nhiệt cao hơn so với nhựa kỹ thuật. Chất dẻo siêu kỹ thuật (super engineering plastics) gọi là. Duy trì hiệu suất cơ học ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao từ 150°C trở lên. Ví dụ điển hình bao gồm polymer tinh thể lỏng (LCP) và polyphenylene sulfide (PPS).

Trong những năm gần đây, nhiều loại nhựa đã được phát triển, bao gồm nhựa sinh khối có chứa các thành phần có nguồn gốc từ thực vật như ngô và nhựa phân hủy sinh học được phân hủy bởi vi sinh vật.

Sự khác biệt giữa nhựa và kim loại*

* Từ bây giờ, "nhựa" dùng để chỉ nhựa nhiệt dẻo.

■ Cấu trúc

Cấu trúc của kim loại bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử (Al, Fe, Cu, v.v.) được sắp xếp một cách có trật tự để tạo thành tinh thể (Hình 6). Các êlectron mang điện tích âm tự do chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử (ion dương) tạo liên kết bền chặt giữa các nguyên tử với nhau. Đây được gọi là liên kết kim loại.

Mặt khác, nhựa ở trạng thái trùng hợp của các monome, mỗi loại có các phân tử khác nhau liên kết cộng hóa trị với nhau. Người ta gọi đây là chất trùng hợp (polyme), người ta còn gọi nó là chuỗi phân tử vì các phân tử nối với nhau dài như một sợi xích. Mặt trong của nhựa ở trạng thái mà polymer này bị vướng víu và nó có nhiều cấu trúc khác nhau như các phần kết tinh và vô định hình. Sự khác biệt về cấu trúc này ảnh hưởng đến điểm nóng chảy, tính chất vật lý, nhiệt độ chuyển thủy tinh, v.v.

 

■ Tính chất vật lý

So sánh các tính chất vật lý của nhựa và kim loại được trình bày trong bảng dưới đây.

Đặc tính chung đầu tiên của chất dẻo là chúng nhẹ hơn kim loại. Đó là khoảng 1/2 đến 1/4 trọng lượng của nhôm và 1/7 đến 1/10 trọng lượng của thép và đồng. Do đó, bằng cách thay thế kim loại bằng nhựa, trọng lượng có thể giảm.

Có ý kiến cho rằng nhựa bền hơn kim loại, nhưng tùy theo cấp và loại mà nhựa có thể bền hơn.Tuy nhiên, mô đun đàn hồi (độ khó biến dạng) ở kim loại cao hơn và khi so sánh giữa nhôm và nhựa polyamide LEONA™ ^14G33 của Asahi Kasei (polyamide 66, sợi thủy tinh 33%), nhôm cao hơn bảy lần. Tôi đây.

Kim loại thường có điểm chớp cháy và điểm bắt lửa rất cao và khó cháy, nhưng nhựa cháy ở nhiệt độ thấp hơn. Mặt khác, nhựa có độ dẫn nhiệt rất thấp và nhiệt dung riêng cao (lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một chất) so với kim loại, do đó, nó có thể có tác dụng cách nhiệt.

 

■ Đặc điểm nhiệt độ

Điểm nóng chảy của nhựa không chịu nhiệt nói chung (PP: polypropylene) là 170°C, trong khi điểm nóng chảy của kim loại (thép không gỉ) là 1450°C, chênh lệch không thể so sánh được. Do đó, các tính chất vật liệu của nhựa phản ứng nhạy cảm với nhiệt độ tăng nhẹ.

Cả kim loại và nhựa đều có đặc tính đàn nhớt, nhưng trong khi kim loại chỉ thể hiện đặc tính đàn nhớt ở nhiệt độ vài trăm độ trở lên, thì nhựa bị ảnh hưởng ngay cả khi nhiệt độ phòng thay đổi từ 10 đến 20 độ. Đặc tính đàn nhớt này ảnh hưởng đến những thứ như mô đun kéo và độ giãn dài khi đứt. Tính chất nhớt đàn hồi sẽ được thảo luận sau.

Các đặc tính nhiệt độ không tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhưng thay đổi nhanh chóng xung quanh một nhiệt độ cụ thể, chẳng hạn như nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg), như trong Hình 9. Ở nhiệt độ thấp, cả phần kết tinh và phần vô định hình trong nhựa đều không thể di chuyển và tính linh hoạt thấp (trạng thái thủy tinh). Nhiệt độ tại đó phần vô định hình bắt đầu chuyển động khi nhiệt độ tăng được gọi là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg). Điểm nóng chảy (Tm) là nhiệt độ mà tại đó nhiệt độ tăng thêm và phần tinh thể có thể chuyển động tự do. Nói cách khác, nhựa mất tính linh hoạt và trở nên giòn ở nhiệt độ thấp, mềm và mất độ cứng ở nhiệt độ cao. Chính những đặc điểm nhiệt độ này của nhựa gây ra các vết nứt trong hộp nhựa đặt trong tủ đông và biến dạng trong nhựa được làm nóng trong lò vi sóng.

Hệ số giãn nở nhiệt của nhựa thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào vật liệu. Việc nối các bộ phận có hệ số giãn nở khác nhau sẽ dẫn đến lượng giãn nở và co lại khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Ứng suất nhiệt do điều này gây ra biến dạng và nứt (Hình 8).

Kim loại bị ăn mòn, nhưng nhựa bị hư hỏng thay vì bị ăn mòn. Sự hư hỏng được tăng tốc bởi nhiệt, vì vậy cần chú ý đến môi trường sử dụng khi thiết kế các sản phẩm nhựa.

 

■ Tính chất nhớt đàn hồi

・Độ nhớt đàn hồi là gì?

Độ đàn hồi nhớt là một đặc tính kết hợp các đặc tính đàn hồi và nhớt. Tính đàn hồi là một đặc tính trong đó lực và độ biến dạng tỷ lệ thuận với nhau, giống như cao su giãn ra khi bị kéo và trở lại hình dạng ban đầu khi thả ra. Độ nhớt là tính chất mà sự biến dạng tiến triển theo thời gian giống như đất sét bị kéo căng khi bị kéo sang trái và phải. Chất dẻo nhớt đàn hồi kết hợp cả hai đặc tính, hoạt động giống như cao su dưới lực tác dụng nhanh và giống như đất sét dưới tác dụng lực chậm.

Như đã đề cập ở trên, cả nhựa và kim loại đều có tính đàn hồi nhớt, nhưng kim loại chỉ biểu hiện tính đàn hồi nhớt ở nhiệt độ vài trăm độ. Do đặc tính nhiệt độ của chất dẻo nên cần đánh giá đầy đủ các hiện tượng không cần quan tâm nhiều với kim loại. Đây là creep và thư giãn căng thẳng.

<Leo>

Đây là hiện tượng biến dạng tăng theo thời gian khi ứng suất tác dụng lên một vật trong thời gian dài.

Như thể hiện trong Hình 10, ngay sau khi một quả nặng được đặt lên một thanh có đỉnh được cố định, ngay cả sau khi xuất hiện lực căng tương ứng với quả nặng đó, lực căng lại tăng dần theo thời gian. Đây là một biến dạng xuất hiện từ bản chất nhớt. Trong trường hợp căng thẳng cao hoặc trong môi trường nhiệt độ cao, cuối cùng có thể dẫn đến gãy xương.

Rất khó để đánh giá chính xác khả năng chống rão và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường, do đó, mong muốn thiết kế các sản phẩm nhựa để tránh tải trọng liên tục càng nhiều càng tốt.

 

<Thư giãn căng thẳng>

Một hiện tượng trong đó ứng suất giảm dần theo thời gian khi tác dụng một lực căng không đổi lên một vật thể.

Như thể hiện trong Hình 11, khi mặt dưới của một thanh có đỉnh cố định được móc vào đất và tác dụng lực căng (ε ₀), ban đầu sẽ tạo ra ứng suất cao (σ ₀), nhưng ứng suất này giảm dần khi thời gian trôi qua. trở nên nhỏ hơn (σ _t). Không có sự thay đổi về lượng biến dạng (ε ₀) sau khi móc vào đất. Giống như rão, hiện tượng này cũng do đặc tính đàn nhớt của vật liệu gây ra.

Là một hiện tượng cụ thể, có một hiện tượng trong đó lực dọc trục của vít và bu lông và lực kéo ra của các bộ phận vừa khít giảm theo thời gian. Khi thiết kế một sản phẩm, phải đảm bảo rằng tải trọng yêu cầu tối thiểu có thể được duy trì trong suốt thời gian sử dụng.

 

Những điểm cần lưu ý trong phân tích CAE nhựa

■ Cách xử lý trong phân tích

Nhựa là một vật thể đàn hồi nhớt và độ biến dạng thay đổi theo thời gian, nhưng trong phân tích cấu trúc thông thường được thực hiện trong phân tích CAE, tác động của thời gian được coi là rất nhỏ, vì vậy nó được coi là vật thể đàn hồi.

 

■ Dữ liệu vật liệu được sử dụng

Điều quan trọng là phải biết các tính chất cơ học của nhựa khi thiết kế độ bền của sản phẩm. Với mục đích này, đường cong ứng suất-biến dạng (đường cong SS) được sử dụng. Đây là biểu diễn đồ họa về mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xảy ra khi một lực tác dụng lên vật liệu.

Như trong Hình 13, đồ thị này có hình dạng phi tuyến tính phức tạp hơn là một đường thẳng (tuyến tính) đơn giản. Điều này là do tải trọng và biến dạng không tỷ lệ thuận. Điều này được gọi là phi tuyến vật chất. Bài toán phi tuyến vật chất này cũng có thể được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn được giải thích trong Phần 1. Tôi sẽ thảo luận điều này chi tiết hơn trong phần phân tích cấu trúc tiếp theo.

Nhựa có độ phi tuyến vật liệu lớn nên việc tính toán phải dựa trên đường cong SS chính xác. Ngoài ra, do lượng biến dạng lớn nên cần tính đến sự thay đổi trạng thái tiếp xúc trong tính toán. Đặc biệt, tính chất vật liệu thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào nhiệt độ nên cần có dữ liệu vật liệu (đường cong SS) phù hợp với môi trường.

Các đặc tính của nhựa rất khác nhau tùy thuộc vào loại và cấp. Các loại nhựa gia cường có tính dị hướng cao do ảnh hưởng của sợi gia cường, vì vậy hướng của sợi phải được xem xét trong tính toán. Do nhựa có độ nhớt cao, nên hướng sợi bị chi phối bởi dòng chảy, nhưng vì nó bị ảnh hưởng bởi hình dạng của sản phẩm đúc và vị trí cổng, nên cần phải lấy hướng sợi từ phân tích quy trình đúc, chẳng hạn như phun mô phỏng đúc và phân tích ứng suất dọc. Tôi có. Điều này sẽ được giải thích trong một chương riêng.

 

■ Các đặc điểm cần xem xét tùy thuộc vào loại phân tích

Phân tích rão có tính đến độ nhớt đàn hồi. Điều này là do phân tích độ rão yêu cầu một phương trình cấu thành xem xét độ nhớt đàn hồi (thời hạn) để tính toán sự gia tăng biến dạng theo thời gian.

Ngoài ra, sự phụ thuộc tốc độ biến dạng phải được tính đến trong phân tích tác động. Do độ bền và độ cứng của chất dẻo thay đổi rất nhiều theo tốc độ biến dạng, nên cần có dữ liệu về các yếu tố phụ thuộc vào tốc độ biến dạng này.

Chúng tôi sẽ thảo luận về các chủ đề này chi tiết hơn trong các ấn phẩm trong tương lai.

Bản tóm tắt

Nhựa là chất liệu rất tiện lợi và quen thuộc, tuy nhiên để thiết kế cho đúng thì cần phải hiểu rõ những đặc tính cơ bản của nó. Bước đầu tiên là biết về mặt lý thuyết các đặc tính của nhựa mà chúng ta thường tiếp xúc với từng loại nhựa một.

 

Phần tiếp theo: "Giới thiệu phần mềm phân tích"​

​​