ส่วนที่ 5 ข้อมูลวัสดุที่ใช้ในการวิเคราะห์การฉีดขึ้นรูป

สารบัญ

1. ประการแรก

2. ข้อมูลวัสดุ (คุณสมบัติการไหล, คุณสมบัติทางความร้อน, คุณสมบัติ PVT, คุณสมบัติการหดตัว, คุณสมบัติของวัสดุ)

3. เสริมฟิลเลอร์

4. สรุป

การแนะนำ

射出成形のシミュレーションにおいて、その解析精度は材料データの正確性に大きく左右されます。一般に解析ソフトのデータベースに登録されている材料特性データを基にして計算することになりますが、その材料データの信頼性には注意が必要です。 解析ソフトには材料データの測定レポートが付属しているので、初めての解析を行う前には測定レポートの信頼性が十分であるか検討する必要があります。 本記事では、射出成形シミュレーション（流動解析）に使用されている材料データの項目や内容について解説します。

ข้อมูลวัสดุ

■ คุณสมบัติการไหล

รีโอโลยีคือการศึกษาปรากฏการณ์การเปลี่ยนรูปและการไหลของวัตถุ รีโอโลจีเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติที่อยู่ตรงกลางระหว่างของแข็งและของเหลว
เนื่องจากเรซินประกอบด้วยวัสดุโพลีเมอร์ที่มีความหนืดแบบหนืด จึงแข็งแต่เปราะภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำหรือความเร็วสูง และมีความหนืดและอ่อนภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงหรือความเร็วต่ำ ทำให้มีแนวโน้มที่จะเสียรูปถาวร
ความหนืดแสดงถึงความหนืดของของไหล ถ้าความหนืดสูงจะข้นไหลยากและถ้าน้อยจะไหลลื่นง่าย รีโอโลจีจำเป็นสำหรับการจัดการความหนืด นอกจากนี้ อัตราเฉือน (อัตราเฉือน) ยังเป็นค่าที่ระบุปริมาณความเครียดที่ใช้กับวัตถุ

・ข้อมูลความหนืด

รูปที่ 1 แสดงการขึ้นต่อกันของอัตราการเฉือน (เส้นโค้งการไหล) โดยมีความหนืดบนแกนตั้งและอัตราการเฉือนบนแกนนอน ใช้เพื่อประเมินความหนืดของวัสดุในการวิเคราะห์ CAE เรซินมีการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและอัตราการเฉือนขึ้นอยู่กับความหนืดของการหลอม กล่าวอีกนัยหนึ่ง เนื่องจากความหนืดเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับอัตราการเฉือนและอุณหภูมิ ความสะดวกในการไหลจึงเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับการไหลของเรซิน ซึ่งจำเป็นสำหรับการประเมินความสามารถในการขึ้นรูป

・MFR (อัตราการไหลของมวลหลอมเหลว)

อัตราการไหลของมวลหลอมเป็นค่าตัวเลขที่ใช้ประเมินความสามารถในการไหลของพลาสติกหลอมเหลว วิธีการวัดคือการใส่พลาสติกหลอมเหลวลงในกระบอกสูบ ดันออกจากแม่พิมพ์ (หัวฉีด) ด้วยลูกสูบภายใต้อุณหภูมิและสภาวะโหลดคงที่ แล้ววัดมวลที่คายออกใน 10 นาที ตัวเลขยิ่งสูง ความลื่นไหลเมื่อหลอมละลายยิ่งสูง แสดงว่าไหลง่าย (ขึ้นรูปได้ดี)

​ต้องใช้ความระมัดระวังเมื่อทำการเปรียบเทียบ เนื่องจากอุณหภูมิและโหลด ณ เวลาที่ทำการวัดอาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทของเรซิน ในข้อมูลวัสดุ สิ่งสำคัญคือต้องเปรียบเทียบและศึกษาความสามารถในการไหลในบริเวณแรงเฉือนต่ำและข้อมูลเมื่อทำการขึ้นรูปจริง​

 

■ คุณสมบัติทางความร้อน (คุณสมบัติทางความร้อน)

พลาสติกประเภทต่าง ๆ มีคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกัน นอกจากนี้เราต้องพิจารณาว่ามีการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

·ความร้อนจำเพาะ

ความร้อนจำเพาะคือปริมาณความร้อน (พลังงาน) ที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิหน่วยของสารที่มีหน่วยมวล เป็นดัชนีที่แสดง "ความอุ่นง่าย" และ "ความแข็งในการเย็นตัว" ของวัตถุ และส่งผลต่อความเร็วที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
วิธีการวัดเป็นมาตรฐานสากล "ISO11357-4 Plastics - Differential Scanning Calorimetry (DSC)"

・อุณหภูมิเปลี่ยนผ่าน

คุณสมบัติทางกายภาพของเรซินไม่เปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของอุณหภูมิ แต่มีลักษณะเฉพาะของการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุอย่างฉับพลันในช่วงอุณหภูมิหนึ่งๆ ช่วงอุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันเรียกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุณหภูมิที่สถานะหลอมเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง (สถานะแก้ว) เรียกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (ส่วนที่ 2 ประเด็นสำคัญของ Plastic CAE "1. ประเภทของพลาสติก [Thermoplastics]")​
วิธีการวัดเป็นมาตรฐานสากล "ISO11357-3 Plastics - Differential Scanning Calorimetry (DSC)"

・อุณหภูมิที่ขับออกได้

อุณหภูมิที่สามารถถอดผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปออกจากแม่พิมพ์ได้ หลังจากเย็นตัวแล้ว ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปจะถูกดึงออกด้วยหมุดอีเจ็คเตอร์ แต่ถ้าอุณหภูมิลดลงไม่เพียงพอ อาจมีความเสี่ยงที่จะเสียรูปได้

· การนำความร้อน

ค่าการนำความร้อนเป็นค่าที่ระบุอัตราการถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยความยาวและหน่วยอุณหภูมิ ยิ่งค่าการนำความร้อนสูงเท่าใด การนำความร้อนก็จะยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น โดยทั่วไป ค่าการนำความร้อนของเรซินจะต่ำ แต่ค่าการนำความร้อนจะส่งผลต่อความสามารถในการขึ้นรูปในกระบวนการขึ้นรูปของการหลอมเรซินและเทลงในแม่พิมพ์ พลาสติกมีการพึ่งพาอาศัยกันของอุณหภูมิ ซึ่งค่าการนำความร้อนจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิหลอมเหลวและอุณหภูมิการตกผลึก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการวิเคราะห์ CAE
วิธีการวัดเป็นมาตรฐานสากล "วิธีแหล่งความร้อนระนาบชั่วคราว ISO22007-2 (ดิสก์ร้อน)"

■ ลักษณะเฉพาะของ PVT

เมื่อฉีดเรซินขึ้นรูป เรซินจะถูกฉีดภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงเข้าไปในแม่พิมพ์เย็นและทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจนถึงสถานะของแข็ง ในเวลานี้ ปริมาตรลดลง (หดตัว) เกิดขึ้นเนื่องจากการระบายความร้อน การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมความสัมพันธ์ระหว่าง [P (ความดัน) - V (ปริมาตร) - T (อุณหภูมิ)] ระหว่างการทำความเย็นเรียกว่าคุณลักษณะ PVT การหดตัวในการขึ้นรูปเรซินไม่เพียงแต่ส่งผลต่อความแม่นยำของมิติเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดข้อบกพร่องในการขึ้นรูป เช่น รอยจมและการบิดงอเนื่องจากการหดตัวที่ไม่สม่ำเสมอ

วิธีการวัดลักษณะเฉพาะของ PVT รวมถึงวิธีลูกสูบและวิธีปรอท ในวิธีลูกสูบ เรซินที่หลอมเหลวจะถูกใส่ในหลอดตัวอย่างและอัดแรงดันด้วยลูกสูบ จากนั้นจะวัดการเปลี่ยนแปลงของความดันและอุณหภูมิเทียบกับปริมาตรที่ระบุในขณะนี้ ในวิธีนี้ ช่องว่างอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการหดตัว ดังนั้นบางครั้งจึงใช้วิธีปิดผนึกของเหลว (วิธีปรอท) โดยการห่อหุ้มปรอทและใช้แรงดันไฮโดรสแตติกกับตัวอย่าง

■ คุณสมบัติการหดตัว

คุณสมบัติ PVT ทำให้เรซินหดตัว แต่ไม่สม่ำเสมอ การหดตัวที่แปรผันอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องในการขึ้นรูป เช่น รอยจม การบิดงอ และการเสียรูป อัตราการหดตัวของแม่พิมพ์จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความหนาและรูปร่างของผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูป
ดังนั้น ลักษณะการหดตัวจึงเป็นข้อมูลที่เพิ่มความแม่นยำของการวิเคราะห์การหดตัวของเรซินโดยการจัดเรียงการหดตัวเชิงปริมาตรที่ได้รับเป็นการหดตัวในระนาบและการหดตัวตามความหนาของแผ่น ทิศทางการไหล และทิศทางการไหลในแนวตั้งฉาก

■ คุณสมบัติของวัสดุ

คุณสมบัติทางกายภาพคือคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ การรู้คุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ความหนาแน่นและความถ่วงจำเพาะเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกวัสดุพลาสติก
ในการวิเคราะห์ CAE โมดูลัสของ Young และอัตราส่วนของปัวซองมีความจำเป็นอย่างยิ่งเมื่อตรวจสอบความเค้นของวัสดุ

·โมดูลัสของ Young

โมดูลัสของ Young เรียกอีกอย่างว่าโมดูลัสตามยาว (โมดูลัสการยืดตัว) เป็นค่าสัมประสิทธิ์ที่ระบุความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดของวัตถุเมื่อทำการทดสอบแรงดึงบนวัตถุ

・อัตราส่วนของปัวซอง

อัตราส่วนของปัวซองคืออัตราส่วนของความเครียดในทิศทางตามยาวและตามขวางที่เกิดขึ้นเมื่อแรงกระทำต่อวัตถุ เนื่องจากโมดูลัส Young เป็นโมดูลัสในทิศทางตามยาว (ทิศทางแรงดึง) ทิศทางด้านข้างสามารถหาได้จากอัตราส่วนของปัวซอง และสามารถรับคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ เช่น ความเค้นและความเครียดของวัตถุได้ อัตราการเปลี่ยนแปลงจะแตกต่างกันไปตามวัสดุ จำเป็นสำหรับการคำนวณความแข็งแรง ฯลฯ ในการวิเคราะห์ CAE

・ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น

ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้นคืออัตราการขยายและการหดตัวต่อหน่วยความยาวของวัตถุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
วัตถุจะขยายตัวหรือหดตัวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เนื่องจากระดับความเค้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุ ความเค้นจากความร้อนจึงเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของปริมาณการขยายตัวและการหดตัวในชิ้นส่วนที่เกิดจากการเชื่อมวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกัน ทำให้เกิดการเสียรูปและแตกร้าว ต้องพิจารณาค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นเมื่อออกแบบชิ้นส่วนที่ยึดเรซินกับโลหะหรือเรซินประเภทต่างๆ

สำหรับการเสริมฟิลเลอร์

สารตัวเติมเรียกอีกอย่างว่าสารตัวเติม และเมื่อเติมเข้าไปในเรซินแล้วผสมเข้าไป จะเกิดผล เช่น เพิ่มความแข็งแรงและทนความร้อน สารตัวเติมที่เป็นไฟเบอร์ เช่น คาร์บอนไฟเบอร์และใยแก้วเป็นตัวอย่างทั่วไป การเพิ่มฟิลเลอร์ที่เป็นไฟเบอร์ช่วยลดการหดตัวของแม่พิมพ์และค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้น ในทางกลับกัน เส้นใยมีแนวโน้มที่จะมุ่งไปในทิศทางของการไหล และคุณสมบัติของพวกมันจะเปลี่ยนไป เช่น แอนไอโซโทรปี (anisotropy) ที่เพิ่มขึ้น​

・อัตราส่วน

คุณสมบัติทางกายภาพยังเปลี่ยนไปตามปริมาณสารตัวเติมที่ผสมลงในเรซิน ยิ่งปริมาณสารตัวเติมสูง ฟังก์ชันการทำงานก็จะสูงขึ้น (การนำไฟฟ้า การนำความร้อน ฯลฯ) แต่ความสามารถในการขึ้นรูปมีแนวโน้มลดลงและการประมวลผลจะยากขึ้น
สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ามีฟิลเลอร์อยู่ในวัสดุที่คุณกำลังใช้อยู่มากน้อยเพียงใด

·อัตราส่วนภาพ

ต้องพิจารณาอัตราส่วนกว้างยาวสำหรับฟิลเลอร์รูปแท่งและรูปเกล็ด
อัตราส่วนกว้างยาวคืออัตราส่วนของแกนหลักต่อแกนรอง และมีแนวโน้มว่ายิ่งอัตราส่วนกว้างยาวของฟิลเลอร์สูง คุณสมบัติก็จะยิ่งสูงขึ้น ในทางกลับกัน ยังมีข้อเสียตรงที่สารตัวเติมมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน

สรุป

เมื่อใช้เรซินใหม่ สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบข้อมูลวัสดุก่อนการวิเคราะห์ การมีความรู้ที่ถูกต้องเกี่ยวกับฐานข้อมูลวัสดุและสามารถอ่านตารางคุณสมบัติได้อย่างถูกต้องเป็นทางลัดในการเลือกวัสดุที่เหมาะสม
ในการวิเคราะห์ CAE เช่นกัน ยิ่งมีข้อมูลที่เหมาะสมมากเท่าใด การวิเคราะห์ก็จะแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น การยืนยันว่าข้อมูลในฐานข้อมูลวัสดุถูกต้องหรือไม่ก็มีความสำคัญต่อการปรับปรุงความแม่นยำของการวิเคราะห์เช่นกัน ใช้ฐานข้อมูลวัสดุอย่างเต็มที่และนำไปใช้กับการออกแบบผลิตภัณฑ์

ตอนต่อไป:" วิธีใช้ผลลัพธ์ที่ได้ "​