Vliv orientace vl�ken na vlastnosti vst�ikovan�ch d�l�

Mechanické vlastnosti plastu lze efektivn� zvýšit pou�itím plniva, které zvyšuje pevnost polymerní matrice. Plnivo, které se v sou�asné dob� dostává do pop�edí, jsou dlouhá sklen�ná vlákna. Sklen�ná vlákna u vst�ikovaných díl� vnáší do polymerní matrice silnou anizotropii (rozdílné vlastnosti v r�zných sm�rech).

Obr. 1: Model p�edního nárazníku automobilu

Abychom mohli správn� a hlavn� co nejp�esn�ji vyhodnotit deforma�ní analýza a crash testy díl� vst�ikovaných z t�chto polymer�, je nutno tuto anizotropii na vstupu popsat. Popsat anizotropii znamená ur�it orientaci sklen�ných vláken po napln�ní dutiny vst�ikovací formy a následn� tuto orientaci p�evést na materiálové vlastnosti, jako jsou modul pru�nosti v tahu a smyku a Poissnovo �íslo. Tyto veli�iny pak popisují nelineární elastické chování daného polymeru pro nízké rychlosti deformace.

Model orientace sklen�ných vláken
Na p�íkladu modelu p�edního nárazníku (obr. 1) je ukázána anizotropie vzniklá orientací krátkých a dlouhých sklen�ných vláken. Pro vst�ikování je pou�ita horká vtoková soustava s kaskádovými vtokovými ústí (obr. 2), která se otevírají podle postupu �ela taveniny dutinou formy, tak aby nevznikaly studené spoje na soutoku proud� taveniny. Sklen�ná vlákna se orientují ve sm�ru toku taveniny v blízkosti st�ny dutiny formy tam, kde je maximální hodnota rychlosti smykové deformace. Ve st�edu st�ny je orientace statistická. Zde je velmi d�le�ité jak p�esn� model orientace popisuje nato�ení vláken. Autodek Moldflow pou�ívá pro popis orientace vláken nový RSC (Reduced Strain Closure) a ARD (Anisotropy Rotary Diffusion), který byl vyvinut ve spolupráci s Delphi & University of Illinois at Urbana-Champaign a nahradil p�vodní Folgar-Tucker�v model. To vede k zp�esn�ní výpo�tu orientace vláken a predikce deformace dílu. RSC model vytvá�í širší jádro a pomalejší zm�nu orientace vláken sm�rem od vtokového ústí ne� tomu bylo Folgar-Tuckerova modelu.

Obr. 2: Kaskádová vtoková soustava                          Zm�na délky dlouhých sklen�ných vláken

Oba modely lze aplikovat na krátká i dlouhá sklen�ná vlákna. Krátká sklen�ná vlákna mají délku 0,5-0,6mm, zatímco dlouhá sklen�ná vlákna mají délku 10-13mm. Dlouhá sklen�ná vlákna výrazn� zvyšují pevnost polymeru, ale také zvyšují sm�rovou anizotropii vst�ikovaného dílu. Takto vyztu�ené typy polypropylénových polymer� a kopolymer� získávají mechanické vlastnosti, které d�íve spl�ovaly jen technické polymery jako nap�. PA 6 a PA66. Polymery PP vyztu�ené dlouhými sklen�nými vlákny mají ni�ší hustotu a plastové díly vst�ikované z tohoto PP ni�ší hmotnost. Také cena t�chto polymer� je ni�ší.

Obr. 3: Orientace sklen�ných vláken v míst� maximální zm�ny smykové deformace, krátká sklen�ná vlákna a dlouhá sklen�ná vlákna

Zm�na modulu pru�nosti
Orientace vláken p�i vst�ikování má významný vliv na mechanické chování plastového dílu. V p�ípad� modelu nárazníku se vlivem orientace m�ní modul pru�nosti v rozsahu 2000MPa pro krátká vlákna a 5000MPa pro dlouhá sklen�ná vlákna. (Obr. 3) Z toho vyplývá, �e popsaná anizotropie dramaticky ovlivní výsledek pevnostní analýzy ve srovnání s výpo�tem, ve kterém bychom uva�ovali izotropní materiálová data. Na obr 5 je deformace nárazníku vst�íknutého s PP, pln�ného 40% dlouhých sklen�ných vláken. Ve výpo�tu je zahrnuta anizotropie orientace sklen�ných vláken. Uva�ujeme náraz automobilu o hmotnosti 1000Kg na p�eká�ku p�i rychlosti 20km/h. V p�ípad� vst�ikování dlouhých sklen�ných vláken se vlákna p�i pr�chodu vtokovou soustavou a dutinou formy p�sobením rotace namáhána tahem a tlakem. Toto namáhání zp�sobí lámání vláken a zkrácení délky. (Obr. 2)

Obr. 4: Modul pru�nosti krátká sklen�ná vlákna a dlouhá sklen�ná vlákna

Obr. 5: Deformace nárazníku nárazem p�i rychlosti 20km/h

Deformace dílu po vyhození z dutiny formy
Stejn� jako orientace vláken ovliv�uje mechanické chování vst�ikovaného dílu, ovliv�uje orientace vláken také deformaci dílu po vyhození z dutiny formy. Deformace je zp�sobena stavem reziduální napjatosti, která vzniká p�sobením vnit�ních sil generovaných tokem taveniny a následnou orientací a objemovými zm�nami p�i smršt�ní polymeru. Jak orientace, tak objemové zm�ny jsou ovlivn�ny nato�ením sklen�ných vláken v polymerní matrici. Na obrázku 6 je vid�t deformace nárazníku pro PP pln�ný 40% krátkých, resp. dlouhých sklen�ných vláken.

Obr. 6: Deformace nárazníku po vyhození ze vst�ikovací formy krátká a dlouhá sklen�ná vlákna