淺談塑膠產品的結構設計

曹文省

廣州廣電運通金融電子股份有限公司 廣東 廣州 510663

引言

注塑類的塑膠產品發展歷史雖然較短,但是發展迅速。在我們日常生活中,隨處都可見塑膠類的產品。無論是家電類產品、日用品、還是電子消費品,都是塑膠類的產品或者是以塑膠零件為主的產品。塑膠產品有其自身的特性,在結構設計上也需遵循一定的規范。結構設計不僅需要考慮產品的使用功能、質量性能、外觀造型、成型工藝,還需考慮零部件裝配簡單,生產制造成本低。以上這些影響結構設計的因素,有時候又是相互矛盾的,不可能同時達到最優化。在設計過程中,需將各方面綜合考慮。從整個產品的設計制造過程來看,結構設計的前端有產品功能需求定義、外觀造型確定、外購零件選型,后端有模具設計及制造、注塑生產、零件表面處理、產品組裝測試等。結構設計是將整個產品設計制造過程串接起來,實現產品從無到有的一個重要環節。

1 塑膠制品的成型

構成塑膠產品的塑膠零件,稱之為塑膠制品。注塑類的塑膠制品,是將塑料原材料通過模具在注塑機上注射而成。

1.1 塑膠材料 塑膠材料的品種很多,按塑料性能和用途,可分為通用塑料和工程塑料。

通用塑料產量大、用途廣、價格低。注塑塑膠件比較常用的有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等。聚苯乙烯成型性能優良,制品尺寸穩定,但是質脆、耐沖擊性差。通常用在一些要求不高的電器外殼上。聚乙烯和聚丙烯質優價廉,在日用品上應用廣泛。聚丙烯由于有良好的耐熱性,在電熱水壺的外殼、水杯、餐盒餐具上有大量的應用。

常用的工程塑料的有ABS塑料、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)。ABS是應用最廣泛的一種工程塑料,其制品尺寸穩定,具有較好的耐沖擊性和耐磨性。在家用電器、消費電子、儀器儀表、玩具行業等都有大量應用,可用作外殼和內部結構零件。聚碳酸酯綜合力學性能較好,耐熱性高,在一些要求較高的電子電器上會用到。由于其無毒且耐熱高,可用來制造醫療器械、高檔餐具、奶瓶等。聚碳酸酯透明性好,在電子產品中也通常用來制作顯示屏的鏡片。聚甲基丙烯酸甲酯俗稱有機玻璃,是一種理想的鏡片材料。聚酰胺和聚甲醛由于具有自潤滑性,在具有運動特性的零部件中應用比較多。

1.2 塑膠模具 從模具結構上看,注塑模具由模具型腔、頂出系統、流道系統、冷卻系統、排氣系統、導向機構、支撐安裝結構等組成。注塑模具通過注射機,將熔融塑料注入到模具型腔中,冷卻后打開模具,取出制品,完成一個塑膠制品的生產。塑膠模具是產品最終得以體現的重要一環,是結構設計工作的延伸。模具設計和產品結構設計相輔相成,良好的結構設計也需模具設計與制造的配合,才能生產出合格的塑膠制品。

1.3 成型工藝 成型工藝指的是注塑生產時相關一些的參數,包括模具溫度、熔融塑料溫度、注射壓力、注射速度、注射時間及塑料原材料注塑前的預處理等等。這些工藝參數和塑膠材料的成型性能相關。如聚乙烯、聚丙烯,熔融狀態流動性比較好,注射壓力就不宜過大,否則分型面上容易起毛邊。再如聚碳酸酯,它的熔融塑料溫度比較高,流動性差,所以成型時模具溫度要高一些。

2 塑膠產品的外觀造型

外觀造型是產品的外在表現,反映產品的功能需求、應用場景。結構是功能和外形的載體。任何外觀造型最終都需通過結構設計表達出來,結構設計也必須在外觀造型的基礎上進行零部件布局設計。結構設計需評估外觀造型的結構工藝、模具制造工藝、產品成型工藝、表面處理工藝、產品組裝工藝。一個良好的外觀設計,不僅需滿足產品的功能需求、具有良好的創意構思及審美形態,而且還需使產品的內部結構簡單、零部件容易成型、生產組裝效率高。外觀造型表達的是一個產品的整體概念,結構設計需將這個整體拆分成若干個可加工制造的零件,并將實現產品功能的各個模塊包容進去,最后將這些零件和模塊進行各種組合、連接和固定,使之成為一個完整的產品。

3 塑膠產品的設計要點

塑膠產品的結構設計和鋼、銅、鋁等金屬材料的設計相類似,但由于塑膠材料種類繁多,塑膠產品外形變化多端,所以會比其它材料有許多不同的設計特性。

3.1 模具工藝簡單 結構設計應當使模具設計與制造簡單,模具在注塑生產中穩定可靠。零件的拆分盡量將分型面設計成在同一個平面上,并位于不影響外觀的位置上,同時避免不必要的側向抽芯分型。

3.2 塑膠制品工藝要求 塑膠制品的工藝要求主要有壁厚、拔模、加強筋、螺柱、孔及圓角、尺寸公差。在結構設計時,應做到壁厚均勻,設置拔模斜度,為了防止變形和起到加固作用,要設計加強筋。在轉角部位,應倒圓角過渡。塑膠螺柱的高度一般不超過其直徑的兩倍,孔與孔之間邊緣的距離,至少是孔徑的2 倍。塑膠制品的尺寸公差跟塑膠的種類、模具制造誤差、成型條件、拔模斜度等相關。相對來說,收縮率小的塑料,制品尺寸穩定,尺寸誤差小,如ABS、PC。

3.3 塑膠零件的裝配 結構設計要做到零部件裝配簡單,工序少。相似的零件要進行防呆設計。防呆也即防錯,就是即使人為疏忽或外行人來做也不會出錯。塑膠零件間的配合間隙一般在0.1mm 至0.2mm。要盡量減少物料的使用,比如控制螺絲種類,以利于集中采購,減少物料庫存。

4 結束語

現代產品更新換代快,產品生命周期短,對結構設計的要求越來越高。塑膠產品的結構設計應當充分了解塑膠材料、成型模具、成型方法及塑膠零件的工藝性,在遵守結構設計原則的基礎上,利用塑膠自身特性,創新思路,力求突破,取得更好的設計效果。