塑胶产品设计

塑胶产品设计宏利研發\張彬釧•1.目前市面上得产品设计所具备的大致要素:•⑴外观需具备国际市场的审美感………..美观•⑵产品要具极强的实用价值……………..实用•⑶产品要人性化…………………………..人性化•⑷产品易成型,易加工……………………..易加工•2.目前世面上所用的产品设计的软件(PRO-E/UG/CAD/3DMX……)•3.塑胶材料的特性及认识•(具体请见‘‘塑胶材料特性”)(“塑胶材料然绕状态”及特性对照表)•4.综合以上将结合现在市场非常活跃的手机范例看看塑胶件的结构设计要素:产品结构设计准则--支柱设计基本设计守则支柱突出胶料壁厚是用以装配产品、隔开物件及支撑承托其他零件之用。空心的支柱可以用来嵌入件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够强度支持压力而不致於破裂。支柱尽量不要单独使用，应尽量连接至外壁或与加强筋一同使用，目的是加强支柱的强度及使胶料流动更顺畅。此外，因过高的支柱会导致塑胶部件成型时困气，所以支柱高度一般是不会超过支柱直径的两倍半。加强支柱的强度的方法”尤其是远离外壁的支柱，除了可使用加强筋外，三角加强块”Gussetplate的使用亦十分常见。一个品质好的螺丝/支柱设计组合是取决於螺丝的机械特性及支柱孔的设计，一般塑胶产品的料厚尺寸是不足以承受大部份紧固件产生的应力。固此，从装配的考虑来看，局部增加胶料厚度是有需要的。但是，这会引致不良的影响，如形成缩水痕、空穴、或增加内应力。因此，支柱的导入孔及穿孔”避空孔的位置应与产品外壁保持一段距离。支柱可远离外壁独立而处或使用加强筋连接外壁，後者不但增加支柱的强度以支撑更大的扭力及弯曲的外力，更有助胶料填充及减少因困气而出现烧焦的情况。同样理由，远离外壁的支柱亦应辅以三角加强块，三角加强块对改善薄壁支柱的胶料流动特别适用.收缩痕的大小取决於胶料的收缩率、成型工序的叁数控制、模具设计及产品设计。使用过短的哥针、增加底部弧度尺寸、加厚的支柱壁或外壁尺寸均不利於收缩痕的减少；不幸地，支柱的强度及抵受外力的能力却随着增加底部弧度尺寸或壁厚尺寸而增加。因此，支柱的设计须要从这两方面取得平衡.1)支柱位置2)支柱设计不同材料的设计要点ABS一般来说，支柱的外径是内径的两倍已足够。有时这种方式结果支柱壁厚等於或超过胶料厚度而增加物料重量和在表面产生缩水纹及高成型应力。严格的来说支柱的厚度应为胶料厚度的50-70%。如因此种设计方式而支柱不能提供足够强度，但已改善了表面缩水。斜骨是可以加强支柱的强度，可由最小的尺寸伸延至支柱高的90%。若柱位置接近边壁，则可用一条肋骨将边壁和柱相互连接来支持支柱.PBT支柱通常用於机构上装配，如收螺丝、紧压配合、导入装配等多数情形，支柱外径是内孔径的两倍就足够强壮。支柱设计有如肋骨设计的观念。太厚的切面会产生部件外缩水和内部真空。支柱的位置在边壁旁时可利用肋骨相连，则内孔径的尺寸可增至最大。PC支柱是大部份用来作装配产品用，有时用作支撑其它物件或隔开物体之用。甚至一些很细小的支柱最终会热溶後作内部零件固定用。一些放於边位的支柱是需耍一些肋骨作为互相依附，以增加支柱强度。PS支柱通常用於打入件，收螺丝，导向针，攻牙或作紧迫配合。可能情形之下避免独立一支支柱而无任何支撑。应加一些肋骨以加强其强度。若支柱离边壁不远应以肋骨将柱和边相连在一起.PSU支柱是用作连接两件部件的。其外径应是内孔径的两倍，高度不应超过外径的两倍.产品结构设计准则--出模角篇基本设计守则塑胶产品在设计上通常会为了能够轻易的使产品由模具脱离出来而需要在边缘的内侧和外侧各设有一个倾斜角”出模角〔。若然产品附有垂直外壁并且与开模方向相同的话，则模具在塑料成型後需要很大的开模力才能打开，而且，在模具开启後，产品脱离模具的过程亦相信十分困难。要是该产品在产品设计的过程上已预留出模角及所有接触产品的模具零件在加工过程当中经过高度抛光的话，脱模就变成轻而易举的事情。因此，出模角的考虑在产品设计的过程是不可或缺的因注塑件冷却收缩後多附在凸模上，为了使产品壁厚平均及防止产品在开模後附在较热的凹模上，出模角对应於凹模及凸模是应该相等的。不过，在特殊情况下若然要求产品於开模後附在凹模的话，可将相接凹模部份的出模角尽量减少，或刻意在凹模加上适量的倒扣位。出模角的大小是没有一定的准则，多数是凭经验和依照产品的深度来决定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的选择也在考虑之列。一般来说，高度抛光的外壁可使用1/8度或1/4度的出模角。深入或附有织纹的产品要求出模角作相应的增加，习惯上每0.025mm深的织纹，便需要额外1度的出模角。出模角度与单边间隙和边位深度之关系表，列出出模角度与单边间隙的关系，可作为叁考之用。此外，当产品需要长而深的肋骨及较小的出模角时，顶针的设计须有特别的处理，见对深而长加强筋的顶针设计图出模角度与单边间隙和边位深度之关系表不同材料的设计要点ABS一般应用边0.5°至1°就足够。有时因为抛光纹路与出模方向相同，出模角可接近至零。有纹路的侧面需每深0.025mm（0.001in）增加1°出模角。正确的出模角可向蚀纹供应商取得。LCP因为液晶共聚物有高的模数和低的延展性，倒扣的设计应要避免。在所有的肋骨、壁边、支柱等凸出膠位以上的地方均要有最小0.2-0.5°的出模角。若壁边比较深或没有磨光表面和有蚀纹等则有需要加额外的0.5-1.5°以上PBT若部件表面光洁度好，需要1/2°最小的脱模角。经蚀纹处理过的表面，每增加0.03mm（0.001in）深度就需要加大1°脱模角。PC脱模角是在部件的任何一边或凸起的地方要有的，包括上模和下模的地方。一般光华的表面1.5°至2°已很足够，然而有蚀纹的表面是要求额外的脱模角，以每深0.25mm（0.001in）增加1°脱模角。PET塑胶成品的肋骨，支柱边壁、流道壁等，如其脱模角能够达到0.5°就已经足够PS0.5°的脱模角是极细的，1°的脱模角是标准方法，太小的脱模角会使部件难于脱离模腔。无论如何，任何的脱模角总比无角度为佳。若部件有蚀纹的话，如皮革纹的深度，每深0.025mm就多加1°脱模角。产品结构设计准则--加强筋設計基本设计守则加强筋在塑胶部件上是不可或缺的功能部份。加强筋有效地如『工』字铁般增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，但没有如『工』字铁般出现倒扣难於成型的形状问题，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适用。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大的作用。加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制於一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。要是加强筋没有接上产品外壁的话，末端部份亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。加强筋一般的设计加强筋最简单的形状是一条长方形的柱体附在产品的表面上，不过为了满足一些生产上或结构上的考虑，加强筋的形状及尺寸须要改变成如以下的图一般长方形的加强筋必须改变形状使生产更容易加强筋的两边必须加上出模角以减低脱模顶出时的摩擦力，底部相接产品的位置必须加上圆角以消除应力集过份中的现象，圆角的设计亦给与流道渐变的形状使模腔充填更为流畅。此外，底部的宽度须较相连外壁的厚度为小，产品厚度与加强筋尺寸的关系图a说明这个要求。图中加强筋尺寸的设计虽然已按合理的比例，但当从加强筋底部与外壁相连的位置作一圆圈R1时，图中可见此部份相对外壁的厚度增加大约50%，因此，此部份出现缩水纹的机会相当大。如果将加强筋底部的宽度相对产品厚度减少一半(产品厚度与加强筋尺寸的关系图b)，相对位置厚度的增幅即减至大约20%，缩水纹出现的机会亦大为减少。由此引伸出使用两条或多条矮的加强筋比使用单一条高的加强筋较为优胜，但当使用多条加强筋时，加强筋之间的距离必须较相接外壁的厚度大。加强筋的形状一般是细而长，加强筋一般的设计图说明设计加强筋的基本原则。留意过厚的加强筋设计容易产生缩水纹、空穴、变形挠曲及夹水纹等问题，亦会加长生产周期，增加生产成本。产品厚度与加强筋尺寸的关系除了以上的要求，加强筋的设计亦与使用的塑胶材料有关。从生产的角度看，材料的物理特性如熔胶的黏度和缩水率对加强筋设计的影响非常大。此外，塑料的蠕动(creep)特性从结构方面来看亦是一个重要的考虑因数。例如，从生产的角度看，加强筋的高度是受制於熔胶的流动及脱模顶出的特性(缩水率、摩擦系数及稳定性)，较深的加强筋要求胶料有较低的熔胶黏度、较低的摩擦系数、较高的缩水率。另外，增加长的加强筋的出模角一般有助产品顶出，不过，当出模角不断增加而底部的阔度维持不变时，产品的刚性、强度，与及可顶出的面积即随着减少。顶出面积减少的问题可从在产品加强筋部份加上数个顶出凸块或使用较贵的扁顶针得以解决，同时在顶出的方向打磨光洁亦有助产品容易顶出。从结构方面考虑，较深的加强筋可增加产品的刚性及强度而无须大幅增加重量，但与此同时，产品的最高和最低点的屈曲应力随着增加，产品设计员须计算并肯定此部份的屈曲应力不会超出可接受的范围。从生产的角度考虑，使用大量短而窄的加强筋比较使用数个深而阔的加强筋优胜。模具生产时(尤其是首办模具)：加强筋的阔度(也有可能深度)和数量应尽量留有馀额，当试模时发觉产品的刚性及强度有所不足时可适当地增加，因为在模具上去除钢料比使用烧焊或加上插入件等增加钢料的方法来得简单及便宜。加强筋增强塑胶件强度的方法以下是加强筋被置於塑胶部件边缘的地方可以帮助塑料流入边缘的空间。不同材料的设计要点ABS减少在主要的部件表面上出现缩水情形，肋骨的厚度应不可是相交的胶料厚度的50%以上，在一些非决定性的表面肋骨厚度可最多到70%。在薄胶料结构性发泡塑胶部件，肋骨可达相交面料厚的80%。厚胶料肋骨可达100%。肋骨的高度不应高於胶料厚的三倍。当超过两条肋骨的时侯，肋骨之间的距离应不小於胶料厚度的两倍。肋骨的出模角应介乎单边至以便於脱模容易。ABS加强筋的设计要点PA单独的肋骨高度不应是肋骨底部厚度的三倍或以上。在任何一条肋骨的後面，都应该设置一些小肋骨或凹槽，因肋骨在冷却时会在背面造成凹痕，用那些肋骨和凹槽可以作装饰用途而消除缩水的缺陷。PC一般的肋骨厚度是取决於塑料流程和壁厚。若很多肋骨应用於补强作用，薄的肋骨是比厚的要好。PC肋骨的设计可叁考下图PS的肋骨设计要点。PS肋骨的厚度不应超过其相接壁厚的50%。经验告诉我们违反以上的指引在表面上会出现光泽不一现象。产品结构设计准则--壁厚设计基本设计守则壁厚的大小取决於产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑胶材料而定。一般的热塑性塑料壁厚设计应以4mm为限。从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料成本，延长生产周期”冷却时间〔，增加生产成本。从产品设计角度来看，过厚的产品增加引致产生空穴”气孔〔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。最理想的壁厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。在此情形，由厚胶料的地方过渡到薄胶料的地方应尽可能顺滑。太突然的壁厚过渡转变会导致因冷却速度不同和产生乱流而造成尺寸不稳定和表面问题。对一般热塑性塑料来说，当收缩率”ShrinkageFactor〔低於0.01mm/mm时，产品可容许厚度的改变达；但当收缩率高於0.01mm/mm时，产品壁厚的改变则不应超过。对一般热固性塑料来说，太薄的产品厚度往往引致操作时产品过热，形成废件。此外，纤维填充的热固性塑料於过薄的位置往往形成不够填充物的情况发生。不过，一些容易流动的热固性塑料如环氧树脂”Epoxies〔等，如厚薄均匀，最低的厚度可达0.25mm。此外，采用固化成型的生产方法时，流道、浇口和部件的设计应使塑料由厚胶料的地方流向薄胶料的地方。这样使模腔内有