O śrubie, która łączy produkty wysokiej wydajności z bioplastikami
Arnold UmformtechnikBioplastiki zyskują na znaczeniu w kluczowych gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja i elektrotechnika. W kwestii technologii łączenia należy jednak uwzględnić kilka istotnych aspektów.
Gdy mówimy o przyszłościowych tematach – takich jak zrównoważony rozwój w łańcuchu wartości – w centrum uwagi znajdują się zarówno kompletne produkty, jak i poszczególne komponenty oraz możliwości ich łączenia. Wraz ze wzrostem zastosowania bioplastików w produktach o wysokiej wydajności połączenia dla tych nowych materiałów muszą być ponownie przemyślane i odpowiednio zaprojektowane.
Firma Arnold Umformtechnik z powodzeniem podjęła się tego wyzwania. W ramach wspólnego projektu z firmą Bond-Laminates GmbH zbadano, czy śruba gwintująca Remform II HS (High Strength) nadaje się do zastosowania w biokomponentach kompozytowych. Remform II HS to śruba o zaokrąglonym profilu gwintu, zaprojektowana specjalnie do zastosowań w tworzywach sztucznych wysokowydajnych. Stosuje się ją, gdy wymagane są wysoka siła naciągu wstępnego i doskonałe zabezpieczenie przed poluzowaniem.
Specjalny rdzeń gwintu zwiększa moment pękania
Pod względem konstrukcyjnym Remform II HS charakteryzuje się asymetrycznym profilem gwintu z zaokrągloną końcówką kołnierza i wygiętym bokiem obciążeniowym. Taka geometria jest dostosowana do właściwości płynięcia tworzyw sztucznych, co umożliwia delikatne wypieranie materiału. Śruba posiada też zoptymalizowany, powiększony rdzeń gwintu, który znacząco zwiększa zarówno moment pękania, jak i wytrzymałość na rozciąganie. Dzięki temu połączenie elementów jest stabilniejsze, a jednocześnie możliwe jest zastosowanie wyższego momentu montażowego przy tworzywach sztucznych o wysokiej wytrzymałości, bez ryzyka pęknięcia śruby.
Kombinacja specjalnego profilu promienia i stromego boku obciążeniowego powoduje, że podczas wkręcania tworzywo sztuczne płynie w kierunku boku obciążeniowego, doskonale pokrywając kołnierze. Zmniejszenie kąta boku obciążeniowego do 10° redukuje naprężenia promieniowe. Dzięki temu, mimo wysokiego pokrycia gwintu, uzyskuje się niski moment wkręcania, a mniejsze odkształcenia promieniowe zmniejszają ryzyko pęknięcia w tworzywie sztucznym.
Te czynniki należy uwzględnić przy wkręcaniu
Aby niezawodnie projektować i testować połączenia śrubowe, kluczowe jest zrozumienie czynników wpływających na połączenie, szczególnie w przypadku nowych zastosowań. Do istotnych elementów należą geometria tulei i śruby, średnica otworu pilotowego, materiał, a także wytrzymałość, kondycjonowanie i ewentualna zawartość włókien. Dodatkowo należy uwzględnić wpływ montażu, w tym dokładność urządzeń wkręcających i prędkość wkręcania. Równie ważne są różne rodzaje obciążeń podczas użytkowania, takie jak:
- temperatura,
- dynamika
- i czas trwania obciążenia.
Wszystkie te czynniki istotnie wpływają na parametry montażowe połączenia w tworzywie sztucznym.
Uwzględniając te aspekty, na podstawie przykładowej krzywej wkręcania można pokazać, że zastosowanie Remform II HS w tworzywie sztucznym wysokiej wydajności znacząco poprawia wartości wkręcania. W porównaniu ze standardową śrubą Remform, która jest uznawana za element dla technicznych tworzyw sztucznych, Remform II HS pozwala na zwiększenie wytrzymałości na zerwanie i momentu obciążenia przed awarią o ok. 20% – jak podkreślają eksperci z Arnold Umformtechnik.
Podstawy wkręcania bioplastików
Badania wykazały, że bezpośrednie połączenia śrubowe w tworzywach sztucznych są bezpiecznym i zoptymalizowanym kosztowo rozwiązaniem do łączenia elementów z tych materiałów. Jak jednak wygląda to w przypadku bioplastików? Firma Arnold Umformtechnik we współpracy z Bond-Laminates przeprowadziła badania, które dotyczyło zastosowania śruby Remform II HS w skręcaniu kompozytów z linii produktów Tepex, zarejestrowanej marki Grupy Lanxess.
Tepex dynalite 813-F250 to w pełni biobazowany jedno lub wielowarstwowy materiał kompozytowy z matrycą polimerową z polilaktydem (kwasem polilaktydowym, polylactic acid– PLA), wzmocniony włóknami lnianymi ciągłymi, które uprawiane są lokalnie. Włókna są całkowicie pokryte tworzywem sztucznym, a materiał nie zawiera pęcherzyków powietrza, które mogłyby obniżyć jego wytrzymałość. Dzięki tym właściwościom Tepex dynalite charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością i sztywnością przy jednocześnie niskiej gęstości. Według producenta jest to typowe dla większości tego rodzaju kompozytów.
Pierwsze testy śrubowe i długoterminowe próby z Tepex
W ramach podstawowych badań przydatności do połączeń śrubowych próbki materiału Tepex dostarczono w postaci płyt, które następnie podzielono na mniejsze próbki do testów. Ze względu na grubość próbki wynoszącą ok. 6 mm zastosowano śrubę Remform II HS o średnicy d równej 2,5 mm. Efektywną głębokość wkręcania ustawiono na 2×d.
W pierwszej serii testów przeprowadzono próby wkręcania i przekręcania z pomiarem siły naciągu wstępnego przy różnych średnicach otworów pilotowych. Oznaczało to wkręcanie śruby aż do awarii połączenia. Na podstawie wyników tych testów ustalono optymalną średnicę otworu pilotowego i moment dokręcania do kolejnych testów długoterminowych. W przypadku tych testów próbki zostały skręcone z wcześniej zdefiniowanym momentem dokręcania. Natomiast relaksację siły naciągu wstępnego mierzono za pomocą czujnika siły.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Testy wkręcania zaskakują ekspertów
Pierwsze wyniki testów wkręcania i zerwania sugerują, że śruba Remform II HS pozwala na bardzo efektywne formowanie gwintu matrycowego o wysokiej nośności w materiale biobazowym. Podczas wkręcania nie wystąpiły pęknięcia naprężeniowe ani niepożądane deformacje próbki. Materiał Tepex zaskoczył także firmę Arnold Umformtechnik, ponieważ w porównaniu z innymi testowanymi materiałami udało się uzyskać wyższe momenty awarii. Wyższe nawet niż w przypadku tworzywa sztucznego wysokiej wydajności typu PPS (polisulfid fenylenu) wzmocnionego włóknem szklanym. Pod względem bezpieczeństwa procesu kombinacja Remform II HS i Tepex również wypada korzystnie. Dzięki niskim momentom wkręcania i wysokim momentom przekręcania uzyskuje się wysoki moment delta, który znacznie poszerza okno procesowe montażu, zapewniając użytkownikowi większe bezpieczeństwo.
Pomoc w projektowaniu bezpośrednich połączeń śrubowych w tworzywach sztucznych
Wyników badań użyto w produkcji różnych narzędzi oferowanych przez dział Digital Engineering firmy Arnold Umformtechnik. Dzięki temu klienci mogą otrzymać lepsze wsparcie przy projektowaniu oraz koncepcji bezpośrednich połączeń śrubowych, w tym również w zakresie skręcania materiałów kompozytowych na bazie biologicznej. Firma Arnold Umformtechnik posiada także ofertę z zakresu tworzyw sztucznych. Przykładem jest narzędzie do projektowania otworów pilotowych, które pozwala na optymalne dopasowanie otworów do prawie wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych, bazując na parametrach określonych w laboratorium. Klienci otrzymują zalecenia w formacie PDF, zawierające wszystkie niezbędne wymiary do projektowania.
Kolejnym narzędziem jest Fast Designer Plastics – narzędzie prognostyczne do bezpośrednich połączeń śrubowych w tworzywach sztucznych. Umożliwia ono ocenę różnych parametrów montażowych i operacyjnych, takich jak siła naciągu wstępnego i moment dokręcania. Ponadto Designer Plastics pozwala prognozować spadek siły naciągu wstępnego spowodowany relaksacją, w zależności od czasu i temperatury.
Więcej informacji i rejestracja: www.schraubtec.com
Autorka: Annedore Bose-Munde
