塑胶产品设计十大窍门

作者：Jürgen Hasenauer, Dieter Küper, Jost E. Laumeyer    来源：中国塑料橡胶

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 在塑料制品的设计过程中，有一些基本的考虑因素不能忽视。而原材料厂商可以说是塑料制品设计的重要推动者。本文从涉及产品设计过程中的原料选择、加工过程选择、强度考虑、模具设计等方面，介绍了塑胶产品设计的基本技巧与原则。 设计核对表 新产品开发或产品改善的目标是使产品有优良的表现，而同时获得低的生产成本。设计任务主要包括原料的选择、加工方法的选择、强度计算和模具设计。 只有全盘考虑这些因素，并有系统化的跟进，才能生产出高质量的、具商业效益的模具。必须强调的是，塑料的实用性和成本效率不是必然的，设计者必须非常注重原料选择和加工过程的正确解决方案。 原材料比较 与其他传统原材料相比，设计塑料原材料零件时需特别注意。 塑料的特性可在很大的范围内变化多端。通过添加填料、增强材料和改性剂，其性质会产生很大的转化。 有时在相同的操作条件下，塑料会呈现出与金属完全不同的表现。因此，对浇铸金属经济有效的功能设计，如果仓促地用於塑料，将会很容易失败。 当材料的使用温度越接近它的熔点，温度和时间将更直接影响原材料的形变表现。 塑料的特性不仅仅是纯原材料的性质。如果原材料在不适用的范围内加工，再好的设计也会失败。同样的，制品并不能以加工过程来解决设计弱点。因此只有考虑到所有因素的优化工艺，才能保证塑料零部件的质量。 节约成本设计 设计者对塑料零部件最终的成本负有大部分的责任。他的决策预先决定了生产、模具制作和组装的成本。後期的修正和优化通常是昂贵和不可行的。 充分发挥塑料原材料特性的优势，在许多方面可以节约成本。多功能一体化设计、运用低成本组装技术（如卡扣，焊接装置，固定装置，双料注塑技术等）、利用自润滑特性、免却表面处理程序等。注意壁厚、模具、公差、原料等能够进一步节约成本。 浇口的位置 设计者不但要进行塑料制品的设计计算，还必须特别注意模具的浇口设计。他们必须选择正确的浇口体系以及浇点的数目和位置。浇口的类型和位置不同将对制品的质量产生较大的影响。 浇口位置的选择将决定塑料制品以下性质： 填充行为 制品的最终尺寸（公差） 收缩行为，翘曲 机械性能水平 表面质量（外观） 如果设计者选择了错误的浇口，成型加工时几乎不可能从优化加工参数来矫正由此产生的後果。 基本设计原则： 不要将浇口置於高压力区域； 尽量避免或减少熔合线； 尽量使熔合线远离高压力区域； 对於增强型塑料，浇口位置决定零件的翘曲性能； 提供足够的排气口以避免空气存集。 基本装配技术 一些被所有设计师认可的简单装配技术如卡扣装配、压机装配和螺纹装配等，以其简便、快速地装配组件可大大地节约生产成本。 卡扣装配的最大优势是不需要增加额外装配部件。在卡扣设计中，设计者必须确保配件的几何尺寸，避免应力松弛引起装配部件松动。 压件装配可以使塑料组件在最低的成本下进行高强度装配。 螺纹装配由分离型、组合型螺杆或整体螺杆嵌件的运用组成。为了避免不合格组件的产生，确保正确的轴套尺寸是关键的一环。螺件制造商可在这方面提出不少建议。 材料选择 一般来说，没有不好的材料，只有在特定的领域使用了错误的材料。 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。一般来说，半结晶性热塑性塑料主要用於机械强度高的部件，而无定型热塑性塑料由於不易弯曲，则常被应用於外壳。 热塑性塑料有未增强、玻璃纤维增强、矿物及玻璃体填充等种类产品。玻璃纤维主要用於增加强度、坚固度和提高应用温度；矿物和玻纤则具较低的增强效果，主要用於减少翘曲。 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。 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。 加强肋 一般来说，部件的刚性可用以下方法增强： 增加壁厚； 增大弹性模量（如加大增强纤维的含量）； 设计中考虑加强肋。 如果设计用的材料不能满足所需刚性，则应选择具有更大弹性模量的材料。大的惯性力矩可很容易地通过设置又厚又高的加强肋来实现。但是对热塑性工程塑料，这种方法常会产生制品表面凹痕、内部空洞和翘曲等问题。而且，如果加强肋的高度过高，在负荷下结构将有可能膨胀。出於这种考虑，必须在合理比例内保持加强肋的尺寸。 为确保带加强肋的制品容易顶出，必须设计适当的脱模锥度。 对於表面要求非常高的组件，如汽车轮盖的尺寸非常重要。正确的加强肋设计可以减少组件形成表面凹痕的可能，以提高组件的质量。 在塑料设计中，十字结构是最好的，因为它能应付许多不同的负荷排列变化。正确设计的可承受预期应力的十字结构，可以确保在整个制品上的应力均匀分布。 公差 注射成型制品不可能具有机械加工制品一样的公差。虽然大多数人都意识到这一点，但还是常常会指定无法达到的公差，或使具成本效益的生产变得不可能。 注射成型一般分为3种质量等级，即一般用途的注射成型、技术注射成型和高精度注射成型。DIN16901标准指出，它们是根据在容许范围内注射成型制品公差的和尺寸来划分的。 一般用途的注射成型要求低水平的质量控制，其特点是低的退货率和快的生产周期。 技术注射成型会比较昂贵，因为它对模具和生产过程有更高的要求，要求频繁的质量检查，因而增加了退货率。 第三种，即高精度的注射成型，要求精确的模具、最佳的生产条件和100%连续的生产监控。这将影响生产周期，增加单位生产成本和质量控制成本。 设计者在决定注射模具制品的成本方面起了关键作用，他们必须确定商业上可行的公差，选定的公差虽然不必尽可能地严格，但必须足够严格。 为了不对塑料部件制定过分严格的公差范围，必须要注意一些影响注射成型制品尺寸准确性的因素。 模具制造的公差必须相对严格地遵守。设计者应切记，脱模斜度的重要性在於它能使脱模容易及防翘曲。 一个与公差相关的问题是，当成型品是由不同材料或不同壁厚制成。模後收缩值与方向和厚度相关。玻璃增强材料的这一性质更明显。玻璃纤维的取向性可在水平方向和垂直方向产生具有显着性差异的收缩，从而导致尺寸不准确。 塑料制品的几何形状对收缩也有影响，进而影响到公差。如果复杂的成型加工对公差的要求非常严格，必须要获得模具原型有关收缩值和翘曲行为的准确数据。 使用半结晶性塑料时，必须考虑模後收缩。 脱模後不必马上进行质量控制。DIN16901标准指出，需要在标准气候条件（23℃，50%相对湿度）下储存16h後或在适当的预处理後才可进行质量控制。 壁厚 在工程塑料零件的设计中，经验表明，有一些设计要点必须考虑，这些要点之一就是壁厚的设计。 改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有显着影响： 零件重量； 在模塑中可得到的流动长度； 零件的生产周期； 模塑零件的刚性； 公差； 零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙。 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的壁厚。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、而壁厚薄，则聚合物应具有相当的低熔融粘度（易於流动熔解）是非常必要的。 如果不考虑後果就增加壁厚，将使材料和生产成本增加，而刚性并未有增加。 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。同一种零件的壁厚不同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。为取得均匀的壁厚，模制品的厚壁部分应设置模心。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。 焊接技术 最常用的塑料工程零件的焊接方法有：高温工具焊接 、旋转焊接 、振动焊接 、超声焊接，其他方法有：高频焊接 、感应焊接 、热气焊接、激光焊接等。 为得到高质量、重复性好的焊接质量，需要选择一种合适的焊接方法，以使焊接参数最优化，并确保需要焊接的零件设计正确，与所选用的焊接方法相匹配。 在决定选用某种焊接方法前，与设备制造商或树脂供应商进行探讨是十分明智的选择。 从理论上讲，所有热塑性塑料都是可以焊接的。但是有时塑料的焊接性能相当不同。非晶态聚合物和半结晶聚合物不能焊接在一起。由於水气会影响焊接质量，所以尼龙等吸水性塑料焊接前需要预先乾燥。为使焊接质量最好，尼龙零件最好注塑後立即焊接，或焊接前将之放在乾燥环境中。玻璃纤维和稳定剂等树脂添加剂同样会影响焊接质量。选择适宜的工艺参数和零件设计，未增强塑料的焊接装配件的强度可以和其原料相媲美。对於玻璃纤维增强塑料而言，在焊接区域上，由於纤维分离和再取向使得强度减弱，这一点在设计中必须予以考虑。 高质量焊接的基本保证在於焊接剖面的正确设计。如果对焊接区域外观有特殊审美要求，则需要考虑特殊几何形状。 薄壁零件设计时需要在零件双方之间加入一个导槽，这样，当使用一定的焊接压力时，零件壁不会移动而偏离预定位置。 本文主要内容摘编自Plastics.dupont.com。 附：设计核对表 总体 1. 制件功能 2. 修改与整合的可能性（增加功能） 使用条件 1. 应力：形式（静应力、动应力）；周期（短期、长期、中等）；程度（最大和最小值） 2. 服务温度：最大和最小值；暴露时间 3. 使用环境空气—水—湿度；化学品；UV应力；…… 设计要求 1. 公差 2. 制件最大容许变形量 3. 组装—拆解（联结技术） 4. 特殊要求与认证：有关法规；公司内部规范 5. 表面质量：允许的标识 测试条件 所有用於性能和质量判定的测试方法，详列 性价比 1. 系统或部件成本与原始组装件比较 2. 产量 其他 1. 环境法规 2. 安全系数 3. 所有与制件相关的信息说明，如制件的功能、使用条件、机械应力、环境应力等以及可能的误用等。 原载《中国塑料橡胶》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/25/2006)