Выбор литьевых термопластичных материалов

Первым и важнейшим этапом процедуры выбора материала /1/ является определение эксплуатационных требований к изделию. Особое внимание при этом обращают на наиболее критические факторы, к которым относятся прозрачность, температура эксплуатации (минимальная, максимальная) и продолжительность ее воздействия (кратковременно, долговременно), агрессивное воздействие внешней среды (влага, излучения, химические вещества), характер и предельные величины механических нагрузок, требования к точности, контакт с пищевыми продуктами, лекарствами и др.

На практике задача формирования требований к изделию нередко упирается в проблему отсутствия надежной информации о температуре и механических нагрузках, действующих на изделие. Необходимо учитывать, что завышенные требования по температуре эксплуатации на 10-20 оС могут привести к значительному удорожанию изделия.

На основании требований к изделию определяется перечень требований к характеристикам материала, измеренных стандартными методами (именно эти характеристики приводятся в справочной литературе, фирменных проспектах и базах данных). Часто такая задача является очень сложной, и причин тут несколько. 

Во-первых, свойства полимерных материалов сильно зависят от условий испытаний. Например, на прочность большое влияние оказывает скорость деформирования, на ударную вязкость образца с надрезом – геометрия надреза и т.д. Характеристики материалов, определенные по разным стандартам (ГОСТ, DIN, ASTM) не совпадают.

Во-вторых, максимально допустимые напряжения в изделиях из термопластов могут быть на порядок меньше стандартных значений прочности (таблица), что затрудняет оценки.

Таблица. Максимально допустимые напряжения для термопластичных материалов /2/  

В-третьих, на эксплуатационные свойства литьевого изделия, может оказывать большое влияние конструкция изделия и пресс-формы. Например, реальные механические свойства изделия при использовании полимера, содержащего стекловолокно или углеволокно, зависят от ориентации волокна в полимерной матрице. Ориентация волокна определяется в первую очередь конструкцией изделия и местом впуска. При наличии линии спая на таком изделии, прочность области спая может быть в 2-3 раза меньше прочности материала, определенной на стандартном образце.

Компьютерные базы данных по материалам

Разработано большое количество компьютерных баз данных по свойствам пластмасс, однако распространение получили лишь те немногие, которые были поддержаны ведущими изготовителями материалов.

Наиболее известна база данных CAMPUS (Computer Aided Material Preselection by Uniform Standards) /3/. Формат этой базы данных был разработан в 1988 г. в Институте переработки пластмасс IKV (Аахен, Германия). CAMPUS содержит основные эксплуатационные и технологические характеристики материалов. База данных бесплатна и поставляется изготовителями пластмасс. Ее достоинствами являются доступность (CAMPUS можно скачать с сайтов фирм), достоверность (данные предоставлены самими фирмами-изготовителями материалов) и простота использования, недостатками – представление данных отдельно по каждой фирме, а также отсутствие информации о ценах.

Автоматизированный выбор материала

Существуют два подхода к созданию алгоритмов автоматизированного выбора марки материала из компьютерной базы данных. В первом подходе выбор материалов осуществляется по минимальным и максимальным значениям характеристик материалов. Это простой и удобный для быстрых оценок метод реализован в распространенных базах данных (CAMPUS и др.).

Второй подход /4/, базирующийся на принципах системного анализа, предполагает минимизацию функционала, построенного из характеристик материала. "Значимость" характеристик в общей системе свойств материала определяется соответствующим весовым коэффициентом. Данный подход не получил практического применения из-за сложности оценки весовых коэффициентов. 

Общим недостатком автоматизированного выбора является невозможность учета на практике всей совокупности факторов, влияющих на поведение изделия в реальных условиях эксплуатации, а также недостаточный объем информации, имеющейся даже в самых мощных базах данных.  

Таким образом с помощью автоматизированных методик в настоящее время невозможно более или менее точно выбрать марку материала для применения в конкретном изделии, но автоматизированный выбор может быть очень эффективным для оценок материалов на начальном этапе процедуры выбора.

Выбор типа материала

Важным этапом процедуры выбора материала на практике является выбор типа материала в первую очередь на основе перечня наиболее критических факторов. Требования прозрачности, стойкости к определенным химическим продуктам резко сужают область потенциальных материалов.

Очень важной характеристикой является температура длительной эксплуатации материала, несмотря на то что она определяется лишь оценочно и зависит от характера и величины эксплуатационной нагрузки. Максимальная температура длительной эксплуатации обычно намного ниже температуры, которую выдерживает материал при кратковременном воздействии.

Современная промышленность широко применяет смеси полимеров, которые во многих случаях позволяют добиться оптимального соотношения цены и качества изделий. 

Тип материала часто выбирается по аналогам. На практике этот простой подход нередко оказывается наиболее эффективным. Однако, необходимо учитывать, что обозначение материала на деталях обычно делается в целях облегчения сортировки отходов при вторичной переработке и может не соответствовать реальному типу материала. Например, обозначение "PS" может обозначать как полистирол общего назначения, так и различные сополимеры стирола. "PE" может обозначать как различные полиэтилены, так и сополимеры этилена (EVA и др.). Кроме того, свойства материала могут значительно изменяться при введении наполнителей и добавок.

Марочный ассортимент. Выбор марки материала

Практически для каждого типа материала помимо базовых марок, существуют марки с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами (со смазками, ударопрочные, трудногорючие и т.д.); марки, содержащие наполнители (стекловолокно, тальк, слюда и др.); марки со специальными свойствами (электропроводящие и др.). 

Выбор марки материала для изделия выполняется на основе комплексной технико-экономической оценки, основными критериями которой являются: возможность получения качественного изделия на имеющемся/доступном оборудовании, производительность процесса и минимальная стоимость изделия. Цена материала не является однозначным критерием. Минимизация затрат может быть обеспечена, например, при использовании более дорогих, но более прочных материалов, позволяющих уменьшить толщину стенки (вес) изделия. Таким образом, выбор материала напрямую связан с задачей оптимизации конструкции изделия, а нередко и конструкции пресс-формы. Эти задачи могут быть эффективно решены с использованием возможностей компьютерного анализа.

Литература

1. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий: Справочное пособие. Л., Химия, 1987, 416 с.
2. Мирзоев Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинский В.А. и др. Основы  конструирования  и  расчета  деталей  из  пластмасс  и  технологической оснастки для их изготовления",  Л. "Машиностроение", 1972, с. 17-21.
3. Rahner S. Progress in Materials Standardization. Inj. Mold. Int., June/July 1998.
4. Филатов В.И., Лаврентьев К.К., Егорова С.Р. Методика выбора марки пластмассы. Л., ЛДНТП, 1982, 20 с.

И.А. Барвинский, И.Е. Барвинская