Prezentujemy poradnik firmy DuPont. Wiele wyrobów z tworzyw sztucznych ma nadal konstrukcję zbliżoną do konstrukcji wyrobów metalowych. Autorzy wyjaśniają, czym tworzywa sztuczne różnią się od klasycznych materiałów konstrukcyjnych.Materiały należące do grupy tworzyw sztucznych mają nieporównywalnie więcej odmian niż wszystkie inne materiały konstrukcyjne. Przez dodanie napełniaczy i wzmacniaczy lub modyfikatorów można ekstremalnie zmienić własności niemal każdego polimeru podstawowego. Należy jednak pamiętać, że większość podstawowych własności tworzyw sztucznych wyraźnie różni się od odpowiednich własności metali. Przeprowadzając bezpośrednie porównanie można stwierdzić, że metale mają większą: gęstość, maksymalną temperaturę użytkowania, sztywność/wytrzymałość oraz przewodność elektryczną. Z kolei tworzywa sztuczne mają o rząd wielkości lepsze tłumienie mechaniczne, rozszerzalność cieplną, wydłużanie przy zerwaniu oraz ciągliwość.
Przy zastępowaniu metalu tworzywem konieczność zapewnienia ekonomicznej produkcji wyprasek z tworzyw sztucznych wymaga całkowitej zmiany koncepcji konstrukcji wyrobu. Równocześnie można znacznie uprościć geometrię wyrobu i zwiększyć jego funkcjonalność.
W identycznych warunkach stosowania tworzywa sztuczne zachowują się pod pewnymi względami zupełnie inaczej niż metale. Dlatego też w przypadku chęci powielenia funkcjonalnego i taniego wyrobu metalowego nieprzemyślana zamiana metalu na tworzywo może zakończyć się niepowodzeniem. Konstruktor wyrobów z tworzyw sztucznych musi doskonale orientować się w specyficznych własnościach materiałów należących do tej grupy.
Jeśli chodzi natomiast o zależność odkształceń od temperatury i czasu, to im bardziej temperatura użytkowania wyrobu z tworzywa jest zbliżona do temperatury topnienia tego tworzywa, tym większa jest zależność odkształceń od temperatury i czasu. Podstawowe własności mechaniczne większości tworzyw sztucznych zmieniają się już w temperaturze pokojowej lub pod wpływem krótkotrwałego obciążenia. Natomiast własności mechaniczne metali prawie nie ulegają zmianie aż do temperatury rekrystalizacji większej niż 300 st. C.
Przy zmianie temperatury stosowania lub prędkości odkształcania w odpowiednio szerokich granicach charakterystyka odkształcania termoplastu technicznego może zmieniać się od typowej dla materiału twardo-kruchego do typowej dla materiału o sprężystości gumy.
I tak np. charakterystyka odkształcania tego samego tworzywa jest w przypadku zastosowania go na osłonę poduszki powietrznej samochodu - w trakcie użytkowania narażony jest na gwałtowne rozerwanie i rozgięcie - całkowicie inna aniżeli wtedy, gdy jest z niego wykonany powoli zamykany element zatrzaskowy. Jednak i element zatrzaskowy należy inaczej zamykać w wyższych temperaturach, a inaczej na zimno. Wpływ temperatury jest przy tym znacznie większy od wpływu prędkości obciążania.
Dokonajmy teraz analizy czynników wywierających wpływ na własności techniczne elementów konstrukcyjnych.
Wszelkie określone liczbowo parametry tworzyw sztucznych nie są tylko orientacyjnymi parametrami materiałowymi. Różne czynniki np. promieniowanie UV mogą wywierać nawet taki wpływ na podstawowy poziom własności technicznego wyrobu konstrukcyjnego z tworzyw sztucznych, że wyrób ten po krótkim czasie przestanie być zdatny do użytku.
Jeżeli wyrób o dobrze przemyślanej konstrukcji zostanie wyprodukowany w warunkach technologicznych nie uwzględniających specyficznych własności przetwórczych materiału, to mimo prawidłowej konstrukcji nie będzie się nadawał do użytku. Z drugiej strony nawet najlepiej prowadzony proces przetwórstwa nie wyeliminuje błędów wynikających z wadliwej konstrukcji wyrobu. Dopiero równoczesna optymalizacja konstrukcji wyrobu i procesu przetwórstwa z uwzględnieniem wszystkich czynników, które mogą wywierać wpływ gwarantuje wyprodukowanie dobrego wyrobu. W porównaniu z metalami tworzywa sztuczne są o wiele bardziej wrażliwe na wady konstrukcyjne i dlatego przy projektowaniu wyrobów należy w znacznie większym stopniu uwzględniać własności materiału. Dlatego też każdy proces konstruowania należy rozpoczynać od szczegółowej analizy wszystkich wymagań i warunków brzegowych.
