Jaką masz orientację?

W dzisiejszych czasach tego typu pytanie byłoby nie tylko nieuprzejme, ale też i niepoprawne politycznie. W 2023 roku przecież nawet Superman może myć biseksualny. Czy tak powinno być? Sprawdź tutaj. 😉

Ja powiem, że gdy zadano mi takie pytanie na początku mojej kariery obliczeniowca w branży tworzywowej, podczas wideo-konferencji, gdzie prezentowałem wyniki mojej symulacji, wcale się nie oburzyłem i bez skrępowania na nie odpowiedziałem. Potem już jednak poczułem się dość mocno skrępowany, bo chodziło o orientację włókien szklanych w wyprasce, a nie o to czy jestem hetero. ;P

Tworzywo sztuczne to nie jest metal

To było pierwsze zdanie jakie usłyszałem na wykładzie z materiałów polimerowych na drugim semestrze studiów. Pamiętam, że kolega obok omal się nie zakrztusił potajemnie jedzoną kanapką, jak to usłyszał. “Ale mnie facet zaskoczył.” – powiedział półgłosem, tłumiąc śmiech. Rzeczywiście zabrzmiało to trochę jak stwierdzenie, że kobiety różnią się od mężczyzn – oczywiste, ale… co z tego? Znajomość tej oczywistości wcale nie pomaga przetrwać 10 lat w związku małżeńskim. Trzeba dużo, dużo, dużo więcej się nauczyć, żeby jakoś przeżyć.

W inżynierii materiałowej to raczej polimery są płcią piękną. Metale wydają się “prostsze” i bardziej przewidywalne, a z tworzywami to “nigdy nie wie, oj nie wie się…”. 😉

“Nasze Panie” są na przykład trochę na bakier z prawem Hooke’a. Dla niektórych tworzyw ciężko doszukać się prostoliniowego odcinka krzywej rozciągania. Przebieg samej krzywej bardzo mocno zależy też od temperatury i szybkości rozciągania.

Zależność przebiegu od szybkości odkształcania i temperatury
Zależność przebiegu od szybkości odkształcania (po lewej) i temperatury pomiaru (po prawej)

Podobnie jak samice Homo Sapiens Sapiens tworzywa sztuczne są anizotropowe, czyli wykazują odmienne właściwości w zależności od kierunku przyłożenia siły, pory dnia, fazy księżyca (no to już może odnosi się w większym stopniu do tych pierwszych). Wynika to z ich (tworzyw oczywiście) wielkocząsteczkowej budowy, a konkretnie z orientacji makrocząsteczek wynikającej z warunków przetwórstwa (pisałem też trochę o tym tutaj). Gdy materiał jest dodatkowo napełniony np. włóknami szklanymi to ta anizotropia jest jeszcze silniejsza. Na wykresie poniżej widać jak zmienia się krzywa rozciągania próbki w zależności od tego czy ciągniemy wzdłuż (0°) czy w poprzek (90°) włókien.

Zależność przebiegu od orientacji włókien
Zależność przebiegu od szybkości odkształcania od orientacji włókien

Czy można coś z tym zrobić? Nie, podobnie jak w małżeństwie można jedynie starać się to przewidywać i uwzględniać w swoich planach.

Modelowanie mikromechaniczne

Tak się nazywa metoda, która przychodzi nam z pomocą przy uwzględnianiu anizotropowych właściwości tworzyw polimerowych. Niestety nie pomoże nam w stosunkach damsko-męskich (jeśli znasz takie, to miejsce na komentarze jest na dole 😉 ), ale jest w stanie przewidzieć zmianę sztywności materiału w zależności od lokalnej orientacji cząstek wypełniacza i postępującego odkształcenia. Wykorzystuje w tym celu tzw. algorytmy homogenizacyjne, które lokalnie uśredniają właściwości materiałów kompozytowych (“na bieżąco” zmieniają współczynniki w macierzy sztywności), tak aby dało się przeprowadzić obliczenia wytrzymałościowe metodą elementów skończonych (np. w oprogramowaniu Marc Mentat) dla całego “kartofla” z rysunku poniżej.

Uwzględnianie orientacji włókien przez DigiMat
Zasada działania oprogramowania DigiMat

Wyjdźmy z kartofli

Pomijając teoretyczne opowiadania o ściskanych kartoflach rodem z wykładu mechaniki ośrodków ciągłych skupmy się na praktycznych możliwościach wykorzystania tego typu metod. Przykład pochodzi z firmy Dr. Schneider, a jego szerszy opis możesz znaleźć tutaj.

Obecnie wszystkie elementy zespołu wlewu paliwa są wykonywane z tworzyw sztucznych. Wysięgnik (patrz rysunek poniżej) jest wtryskiwany z poliamidu 6 z 50% dodatkiem włókien szklanych. Element ten musi też spełniać określone wymagania wytrzymałościowe. Nie może się odkształcić więcej niż 10 mm, gdy kierowca-zakupocholik zawiesi na nim siatkę z towarem kupionym na stacji przed tankowaniem.

Schemat wlewu paliwa
Schemat konstrukcji wlewu paliwa

W celu oszacowania czy wysięgnik sprosta stawianym mu wymogom przeprowadzono odpowiednie symulacje numeryczne ugięcia elementu pod działaniem siły skupionej równej 20 N. Wyniki wskazywały na spełnienie wymagań (ugięcie poniżej 10 mm).

Gdy już były dostępne fizyczne części – pierwsze wtryśnięte wypraski, przeprowadzono doświadczalną weryfikację obliczeń, zawieszając reklamówkę typu “zrywka” z dwiema butelkami wina owocowego marki Shogun na wysięgniku. Produkt w reklamówce dobrano na podstawie badań ankietowych przeprowadzonych wśród użytkowników pojazdów marki BMW. 😉

Porównanie wyników doświadczenia i symulacji znajdziesz w tabeli poniżej.

Pomiar ugięcia
Pomiar ugięcia wysięgnika pod działaniem siły 20N
Lp.Nazwa testuWynik – ugięcie [mm]
1Doświadczenie6,10
2Symulacja “2D Shell”4,14
3Symulacja “3D Solid”2,66
4Symulacja 3D “Moldex3D FEA”2,75
5Symulacja “3D Solid DigiMat”6,81
Porównanie wyników symulacji z doświadczeniem

Wnioski

  1. Symulacje z wykorzystaniem oprogramowania DigiMat (wiersz 5 w tabeli) okazały się najbardziej zbliżone do wyników doświadczalnych. Były bliżej eksperymentu niż wszystkie obliczenia z materiałem izotropowym (wiersze od 2 do 3 w tabeli) i obliczenia ze “statycznym” mapowaniem orientacji włókien z programu Moldex3D (wiersz 4).
  2. Nie udało się kupić wystarczającej ilości wina marki Shogun w celu przeprowadzenia eksperymentów (ograniczony budżet). Badania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej. 😉
  3. Tworzywa polimerowe w opisie swych właściwości są skomplikowane niczym kobiety w swej naturze, a przecież

Każda kobieta to fortepian – tylko trzeba umieć grać.

Gabriela Zapolska