注塑产品结构设计

注塑产品结构设计胡雄伟2008.1.151、通论2、原型之设计3、产品设计4、组装设计5、焊接设计6、浇口设计7、节约成本设计1通论产品设计是利用材料，经设计成为新创的外形或结构，以制成指定作用或目的的产品。其所须具备之条件为：1.在功能上：要能符合使用者的需求。2.在使用操作上：要能符合使用者的习惯与身份。3.在外型上：要能合乎简单的制造原则并满足使用者的喜好。4.材料应用与加工方法上：要合乎经济与合理的原则，并能求得最适化而降低成本。即任何一新产品，从构思到生产，对一公司而言，其考量前题为以下所列各项：·将来性：公司未来发展领域的配合，成长性。·技术性：与该公司现有技术之关系，原料设备获得之难易及技术上成功的可能性。·领先性：是否可申请或抵触专利及制品是否具独特性。·销售可能性：产品的展望，推出市场之难易，销售网的建立及有无商品特征等可能性。·经济性：研究经费人员的多寡，开发期间的长短，设备投资额之获得及获利率的大小。其它如材料之选择、加工方式、模具的设计、二次加工方式及安全规范、法令等，皆须详加考虑。通常塑料新制品产生的方式可分为三种：1.再设计(redesign)：就是将现有产品的部分，做一些改变或修饰，使成为更具价值与流行的新产品。现今市场上约莫80％，属于此类。2.组合(combination)：结合两种以上不同功能，发展而成之新制品。例如PC制成的潜水镜再贴上防雾膜，而成为价值更高的新产品。此类新产品约占10％。3.创新(innovation)：剩下的10％即为发明前所未有之新制品，此类产品由于须花费较长的时间在宣传及消费者的接受性上，所以通常这方面之设计比例较低。塑料产品设计者与其它设计者最大的不同是，前者必须详加考虑塑料之各种物性，尤其是环境变化对物性之影响及在长时间负载下对产品之影响。通常，塑料之物性数据是在实验室的环境下，依照美国标准测试方法(ASTM)而测得。而所设计的塑料产品并不会正如测试样品在同样条件下成形或被加应力。其它如：·肉厚及形状。·所加负载之速率及时间长短。·玻纤之排列方向。·缝合线。·表面缺陷。·成形参数。以上这些；都会影响到塑料产品之强度及韧性。设计者亦须考虑到温度，湿度，阳光（紫外线），化学药剂等之影响。所以了解其产品的最终目的而探讨相关的物性是非常重要的。下表2-1为一标准的设计检查表(designchecklist)。2原型之设计为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化，我们通常是建一原型而加以测试并修正。最好的方法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式相近。大部份的工程塑料产品是由射出成型所制出，所以原模必须为一单模穴原型模具所制得。以下将讨论各种制造原型之方法及其优缺点。2-1机械加工圆杆或平板、块法(machiningfromrodorslabstock)此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形状非常简单的时候，我们可将其经机械加工而得。这样不仅能帮助发展至固定的设计，亦能做为有限度的测试结果条件；但千万不能将其做为最后商品化的标准，其原因如下：·其物性如强度，韧性及伸长量可能会小于真正的成形品，因为机械加工会在原模上留下痕迹。·强度及韧性可能会高于成形品，因为圆杆或平板块具较高的结晶度。·若是加了玻纤的产品，则玻纤的方向性影响会误导了结果。·成形品的特性如顶出针痕，浇口痕及不定形的表面结构将不会出现在原型上。·无法探讨缝合线及接合线之影响。·由于内应力之不同，尺寸稳定性会被误导。·在圆杆或平板，块的中间常有包气现象，以致减少了其强度。同理在成形品的较厚肉处亦有此现象，而无法做一致的评估。·只有少数的圆杆或平板，块材料可供选择。2-2铸模法(diecastingtool)通常我们能够修正射出成形的原型，如果具有铸模模具的话。利用此铸模模具可减少对制造原型工具的须要及以低成本提供所须的前测试。然而，此法也许也无甚助益，因为原来的模具可能是为金属铸模而设，而非塑料。所以，外壁及肋将不会最适化；浇口通常会过大及位置不合；并且无法有效的冷却塑料产品，造成质量具甚大的相异性。2-3原型模具法(protoypetool)特别是对塑料产品设计而言，利用便宜的铝，黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的方法。因为基本的讯息如收缩度，玻纤方向性及浇口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有限度的射压，所以无法正确的估算出成形周期(cycletime)，而且模具冷却性被限制，甚至不存在。可是，在另一方面而言，其好处为此形式能够有效的提供样品做最终的目的测试及快速的修正外形尺寸。2-4生产试模法(preproductiontool)对设计的未来发展及产品的准确性而言，最好的方法是制造钢铁试模。它可以为单模穴模具或以多模穴模具为体的单模穴模具。此模穴已经机械加工完成，只是未做硬化处理，所以仍可做一些修正。其好处为它具有与生产模具相同之冷却效果，收缩与翘曲可被探得；还有因为具有适当的顶出鞘，模具能够如生产线般的循环，于是能够探得其周期。当然，最重要的是这些样品能够如最终产品般的做强度，抗冲击，磨耗及其它物性等之测试。以上各法都是为了能在正式大量商品化前，做最低成本及最有效的预估分析。当然，我们不能本末倒置，忘记了最终产品的真正须求。最好是写下一标准产品所须表，如功能，外观，可容许的公差等，做个最完美的设计者。3产品设计虽然塑料之产品设计非常复杂，但总有一些基本之原理方法来减少一些成形上及产品功能上所发生的问题。以下所探讨的是在设计上所须注意的基本细节，俾能在未来更复杂的产品设计上有所助益。3-1壁厚(wallthickness)3-2材料选择3-3半径(radii)3-4倾斜角(draftangle)3-5肋及角板(gussets)3-6浮凸物(bosses)3-7孔洞及铸空(holes&coring)3-8螺纹(threads)与嵌入物(inserts)3-9尺寸公差(dimensionaltolerance)3-1壁厚(wallthickness)在工程塑料零件的设计中，经验表明，有一些设计要点要经常考虑，因此可将这些要点提炼为简单的设计指南。这些要点之一就是壁厚设计对零件质量有重要影响。改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有显著影响：1、零件重量2、在模塑中可得到的流动长度3、零件的生产周期4、模塑零件的刚性5、公差6、零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙通常产品必须具均匀的壁厚，如果变化不可避免，则利用转换区的方法来防止突然的遽变如图2-1，且浇口位于较厚处以防止充填不满。流程与壁厚的比率在设计的最初阶段，有必要考虑一下所用材料是否可以得到所要求壁厚。流程与壁厚的比率对注塑工艺中模腔填充有很大影响。如果在注塑工艺中，要得到流程长、而薄，则聚合物应具有相当的低熔融粘度（易于流动熔解）是非常必要的。为了深入了解聚合物熔化时的流动性能，可以使用一种特殊的模具来测定流程（图1、图2）。图1图2挠曲模量与壁厚的函数关系一块平板的抗挠刚度由材料特有的弹性模数和该块版的横截面的转动惯量所决定。如果未经任何考证就自动增加壁厚以改进塑料制品的刚性，通常会导致出现严重问题，对结晶材料尤为如此。对玻璃纤维增强材料，改变壁厚也会影响玻璃纤维的取向。靠近模具壁面，纤维按照流体流动方向取向。而在模具壁面横截面的中央部位，纤维取向混乱，从而导致出现湍流。图3对于玻纤增强塑料，有一个可精确区分出制品刚度的边界区，这个边界区将随壁厚增加而减少。这就解释了为什么当增加壁厚则挠曲模量将减低（图4）。根据标准测试条(3,2mm壁厚)所确定的强度值不能直接用来确定壁厚，否则将产生偏差，为估计出制品的性能，有必要使用安全系数。所以说，如果不考虑后果就增加壁厚，将使材料和生产成本增加，而刚性并未有增加。是否要增加壁厚/均匀性？增加壁厚不仅决定了机械性能，还将决定成品的质量。在塑料零件的设计中，很重要的一点是尽量使壁厚均匀。同一种零件的不同壁厚可引起零件的不同收缩性，根据零件刚性不同，这将导致严重的翘曲和尺寸精度问题（图6）。不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。如果产品须要较高的强度，从成本的观点上来看，用肋(ribs)比增加壁厚要好的多。但如果产品须要好的外观表面时，则因凹陷痕(sinkmarks)会在表面上产生，故须避免之。若非得用肋不可时：则应尽量让凹陷痕出现在肋的另一面或较不显眼处。图2-2与2-3为使壁厚均匀的一些方法，图2-2乃利用肋及浮凸物(boss)，图2-3则为利用铸空法(cornig)使设计更好。为取得均匀的壁厚，模制品的厚壁部分应设置模心（图5）。此举可防止形成空隙，并减少内部压力，从而使扭曲变形减至最小。零件中形成的空隙和微孔，将使横截面变窄，内应力升高，有时还存在切口效应，从而大大降低其机械性能。总之，一般的原则就是能够利用最少的壁厚，完成最终产品所须具备的功能。表2-2为一般热塑性树脂制品之厚度表，表2-3则为热固性塑料制品之厚度表。3-2、材料选择正确的选择材料一般来说，并没有不好的材料，只有在特定的领域使用了错误的材料。因此，设计者必须要彻底了解各种可供选择的材料的性能，并仔细测试这些材料，研究其与各种因素对成型加工制品性能的影响。传统的热塑性材料在注射成型中最常用的是热塑性塑料。它又可分为无定型塑料和半结晶性塑料（见图1）。这两类材料在分子结构和受结晶化影响的性能上有明显不同（见图2）。一般来说，半结晶性热塑性塑料主要用于机械强度高的部件，而无定型热塑性塑料由于不易弯曲，则常被应用于外壳。填料和增强材料热塑性塑料备有未增强、玻璃纤维增强、矿物及玻璃体填充等种类产品。玻璃纤维主要用于增加强度、坚固度和提高应用温度；矿物和玻纤则具较低的增强效果，主要用于减少翘曲。玻璃纤维会影响到成型加工，尤其会对部件产生收缩和翘曲性。所以，玻璃纤维增强材料不能被未增强热塑性塑料或低含量增强材料来替代，而不会有尺寸改变（见图3）。玻璃纤维的取向由流动方向决定，这将引起部件机械强度的变化。为了论证这些影响，从注射成型片的横向和纵向截取了10个测试条，并在同一个拉力测试仪上对它们的机械性能进行了比较（见图4）。对添加了30％玻璃纤维增强的热塑性聚酯树脂，其横向的拉伸强度比纵向（流动方向）低了32％，挠曲模量和冲击强度分别减少了43％和53％。在综合考虑安全因素的强度计算中，应注意到这些损失。在一些热塑性塑料中加入了一系列增强材料、填料和改性剂来改变它们的性质。在中，由这些添加剂产生的性能变化必须认真地从手册或数据库(如Campus)中查阅，更好的是听取原材料制造厂家的专家的技术建议（见图5）。湿度的影响一些热塑性材料，特别是PA6和PA66，吸湿性很强。这可能会对它们的机械性能和尺寸稳定性产生较大的影响。在进行时，应特别注意这种性能（见图6和图7）。其他挑选准则一些要求与加工注意事项和装配有关。研究将几种不同功能集中于一个部件也很重要，这可以节约昂贵的装配费用。这个准则对计算生产成本非常有益。在价格计算中可以看出，不但应考虑原材料的价格，还应注意，有高性能(刚性，韧性)的材料可以使壁厚更薄，从而缩短生产周期。因此，列出所有的标准，并对它们进行系统性评估是很重要的。一个韧性材料的选择流程见图8.3-2、圆角半径(radii)切莫将产品设计成具尖锐的边角，因为其刻痕(notch)状会造成应力集中，以致减少了产品之抗冲击力。为了保证设计在安全的应力范围内，我们须计算每个边角的应力集中因子。如图2-4为悬桁(cantilever)的情形下，应力集中因子对半径／壁厚之图。在塑件结构设计中应避免在料流方向的尖角！这样会产生局部应力且有注塑缺陷！第二种为改良方案，消除了尖角！这也是尖角问题，第二种为改良方案！加了圆角，圆角的好处是避免集中。提高塑件的强度，改善塑件的流动性！圆角半径的大小一般外R取2t(壁厚)，内R取t.3-3倾斜角(draftangle)为了使产品能够轻易的从模具内顶出，外壁必须设计成具倾斜的斜角，如图2-6所示