Hajlítás A1 A polimer anyagok legfontosabb, a hajlítás során figyelembe veend mechanikai tulajdonságai eltér ek a fémekhez viszonyítva: • a húzó és a nyomó rugalmassági modulusok nagymértékben különbözhetnek, ami a semleges szál eltolódását okozza, • nem lineáris a feszültség-alakváltozás kapcsolata, • viszonylag kis terhelésre is nagy alakváltozás lép fel, • fajlagos tömegük kicsi Túl nagy lehajlás esetén megsz nik a tiszta hajlítási állapot, egyre nagyobb szerepet játszanak a nyíróer k, megsz nnek függ legesnek lenni a reakcióer k, a próbatest terhelt és terheletlen alakja egyre inkább eltér egymástól. Ez gyakorlatilag annyit jelent, hogy ha az L alátámasztási távolság 10%- át a lehajlás (f) meghaladja, a Navier feltételek megsz nnek, és már nem alkalmazhatjuk a szokásos számítási képleteket. A problémát a deformáció korlátozásával lehet megoldani határhajlító feszültség. Ha eltörik ezen távolságon belül hajlítószilárdság. Körülmények hatása: • • •
Hajlítási sebesség: Nagyobb hajlítási sebességek esetén az anyag merevebben viselkedik, nagyobb a modulusa és általában a szilárdsága is nagyobb értékre adódik Vizsgálati h mérséklet: Az üvegesedési h mérséklet alatt a polimerek ridegen, nagyrugalmas állapotban szívósabban viselkednek, modulusuk alacsonyabb. Nedvesség tartalom: A nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a rugalmassági modulust és a szilárdságot.
Kompozitok hajlítása: A hajlítás során igen lényeges a próbatestekben lév szálak orientációja. A hajlítás tengelyébe es szálak adják a legnagyobb merevséget, míg ett l egyre nagyobb mértékben eltérve a próbatestek modulusza egyre alacsonyabb. Külön kell említeni a szendvicsszerkezeteket. Ezek jellemz je a kis anyagmennyiség növekedéssel elérhet nagy hajlítómerevség növekedés. M F L bh 2 σ = ; M = ⋅ (reakcióer , 2támaszú tartó); K = K 2 2 6 3 3 Fl 1 ⋅ L ⋅ ∆F f= →E= 48IE 4 ⋅ bh 3 ⋅ ∆f A felvett er -lehajlás görbe azonban nem egyenes. Ezt a nemlinearitást f és F meghatározásánál vesszük figyelembe.
-1Kompozit szálorientáció hatása
Fröccsöntés A2 Alapelve, hogy az olvadáspontja fölé melegített, viszkózusan folyós ömledékállapotba hozott h re lágyuló (termoplasztikus) polimer alapanyagot nagy sebességgel és nyomással, sz k beöml nyíláson át a temperált (h tött), zárt szerszámba juttatjuk. Ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kih l polimer ömledékb l alakul ki a tetsz legesen bonyolult, 3D-s, nagy méretpontosságú alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentesen. Szerszámmal csak egyféle termék állítható el , tehát nem univerzálisak és nagyon drágák, de mivel a egy szerszámmal akár több millió darab termék is készíthet , így egy-egy termék el állítási költsége alacsony.
A gépállvány és hidraulikus rendszer (1) feladata a többi egység rendszerbe foglalása, azok rezgésmentes kapcsolásának a megvalósítása. A szerszámzáró egység (2) feladata, hogy befröccsöntés alatt a nagy fröccsnyomásból származó er kkel szemben a szerszámot tökéletesen zárva kell tartsa illetve nyitás-zárás. A plasztifikáló- és fröccsegység (3) f funkciói: – az alapanyag megömlesztése, – az ömledék szállítása, homogenizálása, – az ömledék tárolása, – az ömledék befröccsöntése a szerszámba, – a szükséges utónnyomás biztosítása. Célja, hogy az adalékokkal együtt betáplált granulátum formájú, szilárd polimer mind anyagában, mind pedig h mérsékletében megfelel en homogenizált (egységes eloszlású) ömledék állapotba kerüljön. Az anyag a szabályozhatóan f tött hengerfallal való érintkezés és a súrlódás hatására folyamatosan melegszik. A csigát geometriailag 3 szakaszra osztják:
-2-
Csigadugattyús fröccsgép csigája axiálisan elmozdítható. A fúvóka irányába történ anyagáramlás következtében az ömledék a csigacsúcs el tt gy lik. Ekkor a csiga – miközben tovább forog – a csigacsúcs el tt ébred torlónyomás hatására hátrafelé elmozdul. Egy meghatározott, el re beállítható visszafutás után a kívánt ömledék mennyiség a csigacsúcs el tt felgyülemlik. Ekkor a csiga forgása leáll, és jöhet a fröccsöntés mely gyors, nehogy a hideg szerszámmal érintkez anyag még id el tt megdermedjen. Fúvóka végének zárhatónak kell lennie. A befröccsöntési fázis alatt gondoskodni kell arról, nehogy visszafelé áramoljon az ömledék (visszacsapó szelep szer kiképzés). A befröccsöntést követ en a szerszámüregben az ömledék leh l és eközben zsugorodik a térfogatcsökkenést további ömledékadagolással még pótolni kell, ez az ún. utónyomás szakasza, amikor is a csiga még lassan el re mozog, további ömledéket juttat a szerszámba mindaddig, amíg meg nem szilárdul az anyag. A vezérl egység (4) feladata a fröccsgép teljes kör felügyelete és a kapcsolattartás biztosítása az ember és a gép között. Folyamata: – az alapanyag eljuttatása az adagoló tölcsérbe – az alapanyag szállítása, plasztifikálása azaz megömlesztése és homogenizálása (alakítható állapotban hozás), – az ömledék bejuttatása (befröccsöntése) a zárt szerszámba, nagy nyomással (alakadás), – az ömledék leh tése a h tött (temperált) szerszámban (alakrögzítés), – a késztermék eltávolítása a szerszámból
-3-
Szakítás A3 A polimerek egyik sajátossága, hogy a szakítódiagramjuk, és így a bel le meghatározható mechanikai jellemz ik függnek a próbatest alakjától és méreteit l. A gyakorlatban polimer anyagoknál a téglalap keresztmetszet terjedt el jobban. A próbatestek gyártása is befolyásolja a mechanikai jellemz ket (1 illetve 2 végr l fröccsöntött).
Körülmények hatása: -Szakítási sebesség: Nagyobb hajlítási sebességek esetén az anyag merevebben viselkedik, nagyobb a modulusa és általában a szilárdsága is nagyobb értékre adódik -Vizsgálati h mérséklet: Az üvegesedési h mérséklet alatt a polimerek ridegen, nagyrugalmas állapotban szívósabban viselkednek, modulusuk alacsonyabb. -Nedvesség tartalom: A nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a rugalmassági modulust és a szilárdságot.
A szakítóvizsgálat eredményeként az adott mérési körülményekre vonatkozóan megkapjuk az anyag er -nyúlás (F- l) görbéjét. Ezt egyszer en át lehet paraméterezni feszültség-relatív nyúlás ( - ) görbévé.
-4-
Y
folyás határ: az az els feszültség, amelynél a nyúlás a feszültség növekedése nélkül
növekszik. A folyást bizonyos polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezi. M húzószilárdság: a maximális er és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. A maximális er elérésekor az anyag a leggyengébb pontjában helyileg instabil állapotba kerül, ezen a helyen megkezd dik a keresztmetszet kontrakciója, helyi keresztmetszet csökkenése. A folyamat folytatódhat nyakképz déssel, vagy hirtelen szakadással. szakító szilárdság: a szakadáskor mért er és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. B
Húr modulus (E ): a görbe tetszés szerinti pontját az origóval összeköt egyenes meredeksége, h
természetesen pontról pontra változik Érint modulus (E ): a görbe tetsz leges pontjához húzott érint meredeksége. Mivel a e
szakítógörbe nem lineáris, így érint jének meredeksége is pontról pontra változik. A feszültség relatív nyúlás görbe origójába húzott érint jének meredekségét kezdeti rugalmassági modulusnak nevezzük (E ). 0
A szakítógörbe alatti terület a szakításra fordított munka, azaz a törési munka (W ) B
-5-
Melegalakítás A4 Melegalakítás alatt a termoelasztikus állapotban lév h re lágyuló m anyag félkész termékek kis er kkel történ alakítását értjük. A folyamat lényege a következ : A m anyag lemezt a kívánt h mérsékletre el melegítjük, „kilágyítjuk” (alakítható állapotba hozás), majd ezt a lágy anyagot viszonylag kis er vel a hideg (temperált) szerszámba/ra préseljük, vagy szívjuk (alakadás). A szerszámban/szerszámon az anyag leh l (alakrögzítés), és a termék eltávolítható. A módszer legnagyobb el nye abban rejlik, hogy a termoelasztikus állapotban lév , lágy m anyag kis er kkel, nagymértékben alakítható. Vékonyfalú, nem túl bonyolult, alámetszés nélküli 3D-s termékek gyárthatók vele, amelyek esetenként jelent s anizotrópiával rendelkeznek. Termoplasztikus m anyagok közül az amorf szerkezet ek az alkalmasak. Egyik fajtája a vákuumformázás (pozitív/negatív) [max 1bar]. Következ szempontok döntik el melyik verzióját használjuk: - A terméknek mindig a szerszámmal érintkez felülete a pontosabb, így a pozitív szerszámmal gyártottnak a bels , a negatívval el állítottnak pedig a küls mérete. - Pozitív szerszámra a termék rázsugorodik, eltávolítása problémás, míg negatív szerszámból kizsugorodik, tehát könnyen eltávolítható. - A pozitív szerszám el állítása egyszer bb, mivel a küls felületeket kell megmunkálni, így a szerszám olcsóbb.
A folyamata: Melegítés. Az el gyártmány megfelel h mérsékletre történ melegítése. Azokat a polimereket, amelyeknek a melegalakítás h mérsékletén minimális a szilárdságuk (PE, PP), légpárnával kell alátámasztani. Tekintettel arra, hogy a m anyagok rossz h vezet k, a felmelegítést csak viszonylag lassan lehet elvégezni. A túlzottan gyors melegítés a felületen károsodást okozhat, míg a lemez belseje még „hideg”. Vastagabb lemezek, igen jó h szigetel képesség anyagok alakítására kétoldali (alsó-fels ) f tés alkalmazása. Ezzel elkerülhet a jelent s h mérsékletkülönbség a lemez két oldalán. Az alakítandó lemez h mérsékletének a felület minden pontján azonosnak kell lennie, ellenkez esetben egyenl tlen lesz a h léskor fellép zsugorodás, aminek következtében jelent s vetemedések, elhúzódások jönnek létre.
-6-
El nyújtás: Tekintettel arra, hogy a hideg (temperált) szerszámrésszel érintkez anyag a továbbiak során már nem nyúlik, az ilyen egyszer esetekben jelent s falvastagság különbségek lépnek fel. Ennek csökkentésére, esetleg elkerülésére különböz el nyújtási módszereket dolgoztak ki. El nyújtás esetén nagyon fontos, hogy az alakítandó lemezeknek egyenletes vastagságúak legyenek. Az el fúvás fázisában ugyanis bels túlnyomással nyújtjuk a lemezt. Ha ennek falvastagsága nem egyenletes, a nyomás egyenletes terjedéséb l következ en a vékonyabb részben jobban nyúlik, extrém esetben kilyukad. Alakadás: Vákuum segítségével a szerszámra zsugorítjuk a darabot H tés Szerszámról eltávolítás További eljárások: Túlnyomásos formázás. A túlnyomásos (vagy préslég-) formázás elve megegyezik a vákuumformázással, azaz az alakítandó lemez egyik oldalán túlnyomást alakítunk ki, és ezzel kényszerítjük azt pl. a negatív szerszámba. A különbség az, hogy a túlnyomás nagyobb lehet 1 bar (0,1 MPa)-nál, ezáltal nagyobb alakító er ket lehet megvalósítani. Mélyhúzás A húzóformázások során a felmelegített lemez leszorítására rugózó keretet (ráncfogót) használnak, aminek következtében alakításkor a lemez szélei el tudnak csúszni, ezáltal egyenletesebb falvastagságú termékeket lehet el állítani. A mélyhúzást s rített leveg vel vagy nyújtóbélyeggel végezhetik. A s rített leveg s mélyhúzásnál a körben leszorított, kilágyított lemez alakítását s rített leveg aláfúvásával oldják meg. Ezzel az eljárással csak egyszer geometriájú termékek (pl. nagyméret világítókupolák) gyárthatók. Hátránya a módszernek a gyártmányok rossz reprodukálhatósága, ezért viszonylag ritkán használják. Bélyeggel történ mélyhúzáskor a kilágyított lemezt a bélyeg alakítja a kívánt mértékig. A termék geometriája ebben az esetben is korlátozott. Az eddigi eljárásoknál a késztermék falvastagságában különbségek jöhetnek létre. Ennek az az
oka, hogy a lemeznek csak az egyik oldala érintkezett a szerszámmal, a másik oldalon leveg volt. Kiküszöbölhet , ha az alakításra kétoldali merev szerszámot használunk. Ebben az esetben, amelyet akár sajtolásnak is nevezhetünk, a szerszámköltség igen magas.
-7-
Kompozitok A5 A kompozit olyan szerkezeti anyag, amely két vagy több anyag társításával jön létre. Bármely használati eszközben az igénybevétel, a terhelés jól meghatározott irányvonalak mentén érvényesül, ezért homogén szerkezeti anyagok nagyobb szilárdságú és/vagy moduluszú anyagokkal, a teherviselés kitüntetett irányában meger sítjük. A kompozit: – többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott) – összetett: több anyagból álló szerkezeti anyag – er sít anyagból (tipikusan száler sítésb l) – befoglaló anyagból: mátrixból áll – nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú (szálas) er sít anyag – rendszerint kisebb szilárdságú mátrix – kit n kapcsolat (adhézió, tapadás) – a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad a kapcsolat Er sít anyagok lehetnek: – természetes – ásványi – természetes alapú mesterséges – mesterséges Üvegszál
3
Az üveg ömledékb l megfelel fonófejen át nagyszilárdságú szálat húzhatunk, rendszerint 10 nagyságrend elemi szálból álló köteg (roving) formájában. Az elemi szálak átmér je jellemz en 8-17 m között található. Az írez anyag feladata az ideiglenes védelem, és az összetartás. A polimer mátrix közötti kapcsolódást, lehet leg minél több els dleges kötéssel kell biztosítani, ezt kapcsolószerek felvitele biztosítja. Az üvegszál a legelterjedtebben alkalmazott er sít szál. Az üvegszál er sítés alkalmazásának el nyei: – olcsó, – nagy mennyiségben rendelkezésre áll, – UV stabil, vegyszerálló, elektromosan szigetel. Hátránya: – bizonyos technológiáknál er s koptató hatás (ahol közvetlenül súrlódik a szerszámon), – viszonylag nagy s r ség, – törékeny, – alacsony rugalmassági modulusz Szénszál: A szénb l megalkotott er sít szálban a szén grafitos szerkezetét hasznosítjuk. A grafitszerkezet a hatszöglet egységekb l felépített lamellák síkjának irányában rendkívüli szilárdságot biztosít. A szénszálakban ezt a rendkívüli grafit-szilárdságot és az ezzel párosuló igen nagy moduluszt használjuk. A szénszálgyártás el terméke (prekurzor) több féle polimerszál is lehet, ha azt úgy tudjuk elszenesíteni (karbonizálni majd grafitosítani), hogy közben ne olvadjon meg, ne égjen el, és a kívánt szerkezet alakuljon ki. Az elszenesítés és grafitizálás h foka és ideje határozza meg a szál mechanikai tulajdonságait. Az így el állított szálak szilárdsága és modulusza széles határok között változtatható.
-8-
Az szénszál er sítés alkalmazásának el nyei: – alacsony s r ség, – magas rugalmassági modulusz, – magas szilárdsági értékek, – alacsony h tágulási együttható. Hátránya: – rideg, – magas ár Aramid szál: Az aromás poliamid (aramid) szálak nagyfokú orientáció (azaz nyújtás) során nyerik el nagy szilárdságukat. Magas szakító szilárdságuk van. A szálak kit n szilárdsága és viszonylag magas szakadási nyúlása igen jól hasznosul a gumikompozitokban pl. a radiál-gumiabroncsokban. Kit nik továbbá, az aramid szállal er sített kompozit rendkívüli szívósságával, ütésállóságával (pl. golyóálló mellény). Az aramidszál er sítés alkalmazásának el nyei: – alacsony s r ség, – magas szilárdsági értékek, – jó dinamikai tulajdonságok, – hajlékony, – lángállóság. Hátránya: – környezeti hatásokkal szembeni gyenge ellenállóképesség (UV- és nedvességérzékenység) – alacsony nyomó szilárdsági értékek.
A kompozitok mátrixanyagaként többféle polimert használnak. A polimer mátrixok két nagy alapvet csoportra oszthatók: h re keményed k és h re lágyulók (Polipropilén), gyakorlatban a h re keményed az elterjedt (poliészter és epoxi) sok el nyös tulajdonsága miatt (pl. mechanikai, feldolgozástechnikai).
-9-
Kompozit gyártástechnológiák: Kézi laminálás A pozitív vagy negatív szerszám felületét formaleválasztóval kell kezelni, hogy a termék a szerszámból eltávolítható legyen. A termék küls rétege általában egy ún. gél réteg, ez a gyantában dús töltött réteg áll ellen a környezeti hatásoknak (id járás, mechanikai behatások). Ezt követ en kerülnek felhordásra a termék tehervisel rétegei, er sít anyag rétegek kerülnek átitatásra görg k, hengerek ill., ecsetek segítségével. A legfontosabb, hogy tömör, légzárvány nélküli falvastagságot készítsünk, ehhez nyújt segítséget a leveg kigörg zése a már átimpregnált rétegekb l. Szórás A laminálás technológia némileg „gépesített” változata, egy speciális szórófejen keresztül vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra a szerszám felületére. Nagyméret termékek készíthet k gazdaságosan így. Sajtolás Nagy sorozatoknál alkalmazott gyártástechnológia; hidraulikus présgépeket f thet fém szerszámokat, illeszked precíz szerszámfeleket alkalmazva. A mátrix- és er sít anyag már el re összekeverve kerül a szerszámfelek közé. Rövid ciklusid vel, hosszú sorozatban gyártott termékek el állítására alkalmas technológia Tekercselés Forgó, tengelyszimmetrikus magra gyantával impregnált folytonos szálakat tekercselnek fel. A rovingok fektetési szöge (tekercselési szög) az igénybevételnek megfelel en el re számítható. A készterméket a magról lehúzzák, ezért szükséges, hogy a szerszám enyhén kúpos legyen. F leg tartályok, csövek el állításához alkalmazható. Pultrúzió A hosszirányban folytonos szállal er sített kompozit profilgyártás a h re lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel, hogy itt az impregnált er sít anyagot a szerszámon áthúzzák. Profilok, 1D-s termékek gyártására alkalmas. Injektálás A szerszámba „szárazon” kerül befektetésre az er sít anyag. A zárt szerszámba túlnyomás vagy vákuum segítségével juttatjuk be a mátrixanyagot. A mátrixanyag áramlása során impregnálja az er sít anyagot. Nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal, kiváló min ség termékek készíthet k. Szendvicsszerkezet A szendvicsszerkezet olyan két, egymással párhuzamos, sík vagy görbült nagy szilárdságú lemez (fed lemez, héj), amely között könny , kis szilárdságú, a fed lemezeknél vastagabb anyag (maganyag) helyezkedik el oly módon, hogy a három réteg egy mechanikai egységet képezzen. A szendvicsszerkezetek jellemz je a kis anyagmennyiséggel elérhet nagy hajlítómerevség.
-10-
MFI B1 Felírható a deformációsebesség (vagy alakváltozási sebesség) és a csúsztatófeszültség közötti egyenes arányosságot kifejez összefüggés, azaz a Newton-egyenlet amelyben [Pa·s] egy, a folyadék tulajdonságaitól függ érték arányossági tényez , amelyet dinamikai viszkozitásnak nevezünk.
Adott newtoni folyadék esetében az dinamikai viszkozitás kizárólag a T h mérséklet függvénye, és így izoterm esetben állandó. Tehát nem függ az igénybevételt l, azaz sem a [Pa] nyírófeszültségt l, sem pedig a [1/s] alakváltozási sebességt l (nyírósebességt l).
A feszültség tehát a sugárral lineárisan arányos, így legnagyobb értékét éppen r=R-nél, a kapilláris fala mentén veszi fel.
Hagen-Poiseuille összefüggés, amely a reológiai mérések alapjának tekinthet , mivel a V térfogatáram mérése nagyon egyszer , és V ismeretében a fenti összefüggéssel az viszkozitás kiszámítható:
-11-
A polimer ömledékek esetén az ömledék viszkozitása – állandó h mérsékleten – az igénybevétel növekedésével csökken. Ezt a fajta viselkedést pszeudoplasztikusnak nevezik. A lenti (8. ábra) ábrán látható - függvényt folyásgörbének, a bel le megszerkeszthet = f ( ) függvényt viszkozitásgörbének nevezzük. Mai ismereteink szerint azt mondjuk, hogy a valós polimer ömledék struktúrviszkózusan viselkedik. Ennek az a sajátossága, hogy az ömledék extrém kis és extrém nagy igénybevételek tartományában newtoni jelleget mutat (I. és III. tartomány), a kett között, a feldolgozási technológiák tartományában pedig pszeudoplasztikus (II. tartomány)
A pszeudoplasztikus közegek folyási tulajdonságainak a modellezésére használt közelít összefüggést hatványtörvénnyel jellemezzük: τ = K ⋅ γn A hatványtörvénnyel leírható viselkedés anyagok esetében az ömledékben ébred feszültség a γ deformációsebesség valamilyen n>0 hatványával arányos. A legtöbb polimer ömledéknél n<1, azaz az ömledék viszkozitása az igénybevétel növekedésével csökken. A h mérséklet növelésével a dinamikai viszkozitás exponenciálisan csökken. Továbbá a polimer ömledékek bizonyos mértékben összenyomhatóak, azaz a nyomás növekedésével n a s r ségük. Folyóképesség ( ) alatt a dinamikai viszkozitás ( ) reciprokát értjük. A folyóképesség gyakorlati jellemzésére a könnyen és egyértelm en meghatározható, szabványos folyási mutatószám használatos. Jele MFI (Melt Flow Index, [g/x perc]) vagy MFR (Melt Flow Rate). A szabványos folyási mutatószám az a grammokban kifejezett anyagmennyiség, amely a vizsgálati és anyagszabványban el írt h mérséklet és nyomás mellett a szabványos mér készülék kifolyónyílásán x perc alatt kifolyik. Az MFI mellett gyakran használatos az MVR (Melt Volume Rate [cm3/x perc]), amely esetében a nem a kifolyt polimerömledék tömegét, hanem térfogatát adjuk meg. A folyási mutatószám meghatározására szolgáló készülék, a kapilláris plasztométer.
-12-
V ⋅s m⋅s MFI = t t ahol s a szabványos id nek megfelel szorzótényez MFI g ρ= MVR cm3 MVR =
Az MFI eljárás el nye más viszkozitásmérési módszerekhez képest egyszer sége és gyorsasága, ezért széles körben használják a gyakorlatban, f ként min ségellen rzés céljára. A h re lágyuló polimerek két nagyobb csoportja, a részben kristályos és az amorf polimerek között jelent s különbség van reológiai és feldolgozástechnológiai szempontból. Míg az amorf h re lágyuló m anyagok széles h mérséklettartományban lágyulnak, addig a részben kristályos termoplasztoknál ez a folyamat gyors, néhány °C h mérséklettartományban lezajlik. Az egyes h re lágyuló polimerek reológiai tulajdonságainak ismerete szükséges ahhoz, hogy kiválaszthassuk az adott feldolgozási technológiához megfelel anyagot. Növekv sebesség, illetve igénybevétel mellett történ feldolgozás esetén kisebb viszkozitású anyaggal lehet elérni az optimális feldolgozási paramétereket. A viszkozitás szoros összefüggésben van az átlagos molekulatömeggel, ezért a molekulatömeg alapján szintén lehetséges a h re lágyuló polimerek osztályozása az alkalmazható feldolgozási technológiák szerint.
-13-
Extrudálás B2 Az extruzió a polimerfeldolgozás egyik leghatékonyabb, legjelent sebb technológiája, amelynek során a (tipikusan h re lágyuló) polimert az extruder képlékeny állapotba hozza, majd a viszkózus ömledéket homogenizálja, s ha kell, gáztalanítja, ezután nyomás alá helyezi (komprimálja), adott, változatlan keresztmetszet , nyitott szerszámon keresztülsajtolja, a továbbiakban a követ berendezésekkel méretállandóságot biztosítva leh ti, s így állandó keresztmetszet polimerterméket gyárt tetsz leges hosszúságban, folytonos üzemben Az eljárás egyik lényeges tulajdonsága, hogy a termék 3 dimenziós kiterjedése az egyik dimenzióban végtelen feldolgozás utolsó fázisában mindig tekercselés vagy darabolás történik. A csiga mérete a hossz/átmér , azaz l/d arányban 20 körüli érték.
A behúzó szakasz feladata a szilárd anyag szállítása a kompressziós szakasz felé. Egycsigás extruderek esetén ennek alapvet feltétele, hogy a csiga és polimer között kisebb legyen a súrlódás, mint a henger és a polimer között. A kompressziós szakasz kett s funkcióval bír. Az egyik az anyagnak a megömlesztése, a másik a megfelel nyomás biztosítása az anyag extruderszerszámon történ átsajtolásához.A megömlés folyamata a melegebb hengerfallal érintkez anyagrészecskékkel kezd dik, majd a nyomás és a csigaforgás következtében a csiga menetárkában cirkulációs áramlás jön létre, amely gyorsítja a polimer megömlesztését. Nyomás növelését alapvet en kétféle módon érik el:csiga magját növelik (magprogresszív) vagy a menetemelkedést csökkentik (szögdegresszív). Egy harmadik, ám nem elterjedt megoldás, amikor a menetszárny szélességét növelik meg. A harmadik szakasz az ún. homogenizáló, vagy kitoló szakasz. Megömlesztés után a h mérséklet az anyag hengerrel érintkez határfelületén nagyobb, attól távolabb kisebb. Ha ezt a problémát nem küszöböljük ki, az a termék min ségét ronthatja. Az extruder szállító teljesítménye a térfogatárammal kifejezve:
Ve = Vs − Vt − Vr ahol:
Ve Vs Vt Vr
ered áram sodróáram torlóáram résáram
-14-
Az extrudercsiga és a henger közötti rés, a „játék” eléggé csekély: tipikusan 0,002 D és 0,005 D közötti, amelyet a viszkózus polimer ömledék tömít, illetve ken a forgás közben. Ezért a résáramot el is hanyagolhatjuk. Sodróáramlás els sorban a csigacsatorna méretét l és az extruder fordulatszámától függ, azaz nagyobb csatornaméretnél és nagyobb fordulatszámnál n a kihozatal. A torlóáramlás els sorban az extruderen lév fojtásból ered, amit a szerszám, valamint a többi az áramlás útjában lév alkatrész okoz. Az extruder végére illesztett szerszámok közös vonása, hogy az anyagáramot a következ szakaszokon átvezetik – átmeneti szakasz – alakadó szakasz – simító („vasaló”) szakasz Az átmeneti szakasz a kör-keresztmetszet viszkózus anyagáram átvezetését biztosítja. Az alakadó szakasz már a kívánt adott keresztmetszet képét alakítja ki. Ezt a keresztmetszetet a következ szakaszban valamelyest még sz kíteni érdemes: a profilt ebben a szakaszban stabilizálják: a helyi nyomás enyhe növelésével még „kivasalják”. A szerszámból kilép polimer anyagáram még nem teljesen szilárd. A végs megszilárdulás az extrudert követ kalibráló egységben következik be, amelyben a kívánt méretpontosságot biztosítjuk. A cs gyártás szerszáma Az ömledékáram egy körszimmetrikus magot kerül meg, majd a végs méretre sz kítve hagyja el a szerszámot. Ezután következik a cs kalibrálása, amely rendszerint vákuum (kívülr l rászívják egy falra), vagy túlnyomásos (belülr l fújják rá a falra) leveg vel történ kalibrálás lehet. A vonszolt dugó feladata, hogy megtartsa a cs ben a nyomást. Ha a cs bels méretét kell kalibrálni, akkor a csövet egy hosszabb, h tött vonszolt dugón húzzák át.
Továbbá profilos-, fólia- és lemez munkadarabok el állítására használják a technológiát.
-15-
Rapid Prototyping/Tooling B3 A prototípusok készítésének három f oka lehet: – Vizualizációs modell – termék megjelenése –Funkcionális modell – fizikai jellemz k vizsgálata –Szerszám – kissorozatú gyártáshoz Az STL fájl háromszögek segítségével írja le a felületet. Minden egyes háromszög esetén definiáltak a csúcsponti koordináták és a hozzá tartozó normál vektorok. Fájlra jellemz a húrhiba, ami a legnagyobb távolság, amely a valóságos kontúr és a generált háromszögek között lehet (D), a másik az a legnagyobb központi szög, amely a kontúrt közelít élhez húzható (gamma). Tehát 100% pontos CAD modell nem hozható létre. A gyors prototípusgyártó eljárások a kívánt alakot rétegr l-rétegre (layer by layer) anyaghozzáadás (additive) útján hozzák létre.
alkalmazására van szükség mely vízzel oldható. Gyors, pontos, jó felület és olcsó eljárás. Szelektív lézer szinterezés (SLS) Por részecskék összeolvasztása térben.
3D Printing eljárás Direkt szerszámkészítésre és precíziós önt formák el állítására is alkalmazzák. Ezzel a technológiával el állítható bármilyen alakú modell, szinte bármilyen anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár kompozit anyagok. Adott rétegben, ahol a modell elhelyezkedik, köt anyagot helyez el. Utókezelés szükséges.
Lézer sztereolitográfia (SLA) Folyékony anyag térhálósítása térben.
Objet Tintasugaras nyomtatófejb l kinyomtatott fényérzékeny m gyantát UV fényforrással szilárdítják meg. Külön támaszanyag
Laminated object manufacturing (LOM) Papír lemezb l lézerrel kivágják és egymásra ragasztják a rétegeket.
-16-
A gyors szerszámozással el állított szerszám többnyire csak kis sorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk el egy pontosabb vizsgálathoz.
A gyors szerszámkészítés indirekt módjának az alapja az, hogy valamelyik prototípusgyártási módszerrel elkészített munkadarabot használjuk fel úgy, mint alakadó mestermintát. Ez sokkal gyorsabb, mintha forgácsolással készítenék el azt, és adott esetben a geometriai pontosság messzemen en kielégít . Ezt követ en a mesterminta felületét körül öntve egy másik anyaggal elkészíthet a szerszám, ami ellenáll a sorozatgyártáskor kialakuló nyomásnak, h mérsékletnek, mechanikai koptató hatásnak. Nagy el nye ennek az eljárásnak, hogy alámetszett termékek is gyárthatók, mivel a rugalmas szilikon szerszám szétfeszíthet a darabok kivételekor.
Direkt szerszámkészítésnél nem szükséges létrehozni a mestermintát, ezáltal gyorsabb és egyszer bb, valamint jobban automatizálható lesz a folyamat. Ezek az eljárások jellemz en a hagyományos SLA és SLS alapra épülnek, azok valamilyen továbbfejlesztett, illetve módosított változatai.
-17-
Kötések B4 A m anyag szerkezeti elemek kötéstípusai egyrészr l fizikai, vagy kémiai hatáselvük szerint csoportosíthatók, megkülönböztetünk er vel-, alakkal- és anyaggal záró fizikai kötéseket, és kémiai er kkel m köd ragasztott kötéseket. Másrészr l a kötéseket funkciójuk alapján oldhatóságukkal (oldható, vagy nem oldható kötések).
I. Er vel záró Az er záró kötések létrejöttéhez olyan m köd er k szükségesek, amelyek hatására súrlódásos (Fs) kapcsolat jön létre
túlfedés mértékével. A kötés létrejöttével az alkatrészek újra terheletlen állapotba kerülnek vissza.
és ez biztosítja a testek közötti elmozdulásmentes kapcsolatot. III. Anyaggal záró kötés
II. Alakkal záró A kötést a két (vagy több) elem geometriai kialakítása biztosítja, amely meggátolja az elmozdulást.
Ragasztott kötés Dönt en két er típus adja: a ragasztandó anyagok, valamint a ragasztó bels szilárdsága, kohéziója, és a ragasztandó anyag és ragasztó határfelületén fellép er hatások, az adhézió. Egykomponens : • Oldószeres • Ömledékragasztó (h re aktiválódik) • Oxigén kizárásos (pillanatragasztó) Kétkomponens • Leveg nedvességével reagáló • Összekevert komponensek
Szegecskötés Nemcsak a saját anyagai között tudunk kapcsolatot létesíteni, hanem más típusú m anyagok, illetve fémek is összekapcsolhatók ezzel az eljárással. Gyors és olcsó.
Hegesztett kötés H re lágyuló polimerek hegeszthet k, minél nagyobb szilárdságú, kohéziós kapcsolat létrehozása a cél. H és nyomás együttes hatására jön létre hegeszt anyag alkalmazásával vagy anélkül folyékony állapotban. Forrógázos hegesztés Lánghegesztés, csak elektromosan hevítik fel a gázt.
Bepattanó kötés Két alkatrész túlfedéssel csatlakozik, miközben rugalmasan deformálódik (/nak), amíg az alakváltozás egyenl lesz a
-18-
Forrógázos extrúziós hegesztés Nagy térfogatú varratok.
Vibrációs hegesztés Az alkatrészek egymáshoz szorítva apró relatív, transzlációs elmozdulásokkal h t gerjesztenek. A rezgést elektromágnesek hozzák létre, egy rugókra felfüggesztett eszközön. A mozgást hirtelen leállítva a megolvadt felületek összehegednek. Ultrahangos hegesztés Hegeszthet ség kritériuma a polimer mechanikai rezgéseket csillapító képessége. A csillapítás a rezgési energiát csökkenti, miközben az anyagban h fejl dik. A mechanikai csillapítás minden h re lágyuló polimernél olyan nagy, hogy az ultrahangos hegeszthet ség fennáll.
Tükörhegesztés F t elemes tompahegesztés. Csövek és egyéb dolgok hegesztése. A két felületet gyalulni kell párhuzamosság és tisztaság érdekében. Jellemz je a nyomásviszony:
Rotációs dörzshegesztés Az alkatrészek egyike gyors fordulatú forgó mozgást végez, miközben megfelel nyomással a másik, rögzített (álló) alkatrészhez nyomják. A felületeken keletkez súrlódási h hatására a felületek ömledékállapotba kerülnek. Ekkor a forgást megsz ntetve, a hegesztend darabokat állandó nyomás mellett leh tik.
Lézerhegesztés Lézerhegesztéskor a h keltés folyamatában nagy szerepe van az anyag abszorpciós képességének, vagyis annak, hogy a lézersugár teljesítményének mekkora hányadát nyeli el a hegesztend anyag. Ez az elnyelt energia fordítható a megmunkálás során a darabok megolvasztására. Átlapoló hegesztés is létrehozható, ha az egyik darab átereszti a lézerfényt.
-19-
Kúszás B5 A kúszás vizsgálatához többnyire ugrásszer en terhelik az anyagot, majd a terhelést állandó értéken tartják. Az anyag válasza erre az ún. kúszás-gerjesztésre a kezdeti ugrásszer deformációt követ , az id ben folyamatosan növekv deformáció. A feszültségrelaxáció vizsgálatához az anyagot ugrásszer en megnyújtják, majd a nyúlást állandó értéken tartják. Az anyag válasza erre az ún. relaxáció- azaz konstans nyúlás-gerjesztésre az id ben folyamatosan csökken feszültség. Nemlineáris feszültség-deformáció kapcsolatban, továbbá a h mérséklett l, a terhelési szintt l és az igénybevétel id tartamától való függésben jelentkezik, ezért az összetett viselkedést olyan ideális tulajdonságok kombinációjaként kezelik, amelyek mindig egyszerre érvényesülnek.
ahol:
ε εr εk εm
ered nyúlás pillanatnyi rugalmas nyúlás késleltetett rugalmas nyúlás maradandó nyúlás/deformáció
A pillanatnyi rugalmas deformáció komponens késleltetés nélkül alakul ki a terhelés pillanatában, és ugyancsak késleltetés nélkül alakul vissza a terhelés megsz ntével, azaz az id t l független, s a fel- és leterhelés görbéje egybeesik. A terhelés során kialakult deformáció és a befektetett deformációs munka is teljes mértékben visszaalakul, ezért e komponens mechanikailag és termodinamikailag is reverzibilis. (mikroszerkezetileg az atomtávolságok és vegyértékszögek megváltozásához kapcsolódik) A késleltetett rugalmas komponens a terhelés folyamán késleltetve alakul ki és a terhelés megsz nte után késleltetve alakul vissza, azaz id függ . A fel- illetve leterhelés görbéi nem esnek egybe (hiszterézis). A hiszterézis-hurok területe a h vé alakult. Mechanikailag reverzibilis (mikroszerkezetileg feszültség hatására a molekulaláncok kigöngyöl déséhez, illetve visszagöngyöl déséhez kapcsolódik) A maradó deformáció komponens a terhelés folyamán folyamatosan alakul ki, id ben halmozódik és a terhelés megszüntetése után a kialakult deformáció érték megmarad. (mikroszerkezetileg a molekula-láncok egymáshoz képesti elcsúszásához, maradó elmozdulásához kapcsolódik)
-20-
Viszkoelasztikus polimer anyagok mechanikai tulajdonságait különböz mechanikai modellelemekkel írhatjuk le:
Polimerek kúszási viselkedésének min ségi leírásához: Burgers-féle négyparaméteres modell
-21-
Az ered válaszfüggvényb l megállapítható a Burges modell egyes elemeinek értéke (E1, E2, 1, 2)
A feszültségrelaxáció jelenségének leírásához a Maxwell-modellt használjuk: A feszültségrelaxációnál alkalmazott ugrásszer nyúlásgerjesztés hatására a terhelés ráadásának pillanatában a rugó megnyúlik, majd a deformációt folyamatosan a viszkózus elem veszi fel, amellyel párhuzamosan természetesen a gerjesztés hatására kialakuló feszültség id ben csökken, feloldódik.1
Relaxációs modulus:
Made by:
plunk
-22-
