塑料制品设计十大技巧

塑料制品设计十大技巧一、指导方针——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。这里，设计任务主要是指原料的选择，适合加工过程的选择，强度计算和模具设计。只有全盘考虑这些步骤，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。设计部门经常只是探用性的解决方案。然而，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开发原料和加工过程的正确解决方案。

塑料性质并非永恒不变的

塑料的性质受使用环境、加工过程、模具设计和操作条件的影响（如图1所示）。塑料性质由实验室环境下的测试得到。测试图由具有优化参数的高光度模具，在规定压力的标准条件下检测产生的。然而，实际上，塑料不可能恰好在这样的条件下生产，在使用中也不可能正好在同样的压力下。因此，在推出任何塑料设计方案的时候，其精确的要求和界定条件必须仔细地分析和罗列出来，设计核对表在这方面可以提供有用的帮助。

样品的生产

开发一种产品，从设计阶段到市场准备阶段，有必要准备样品来进行试验和修正。要确保样品的生产方法广泛适用于量产方案。部分注塑成型的样品也要由注塑模具来制造。如果没有模具可以适用，就有必要使用近似的材料或片材，切割加工成为测试样品。但是，总是存在这样那样的问题，原因如下：

?无法考察注塑成型部件的焊接线的影响。

?与注塑成型部分相比，有时候，机械加工中产生的凹槽会降低构件的强度性质。

?由于结晶度高，挤塑棒材和片材的强度和硬度高于注塑部件。

?无法考察纤维取向作用的影响。

由挤出材料制成的用于电灯开关的样品，可以承受180000次周期性应力。而同样情况下，注塑部件在80000次之后就出现了疲劳破坏。这种差异是由于在注塑过程中晶体结构的不同所造成的。

见图3

样品模具

目前生产样品的模具，都是通过简单的机械加工或运用低成本材料（如铝或铜为原料）制作而成。然而，需要注意的是，对生产来说非常重要的参数如温度、压力等，不能以这样的模具作代表。另外，它们不同的冷却性质又导致了不同的收缩和热变表现。现在推荐的是使用高硬度钢材制造模具，而模具以单模穴排列设计便可。

检测设计

随着现代计算机模拟技术的发展，有时候，在早期工艺阶段，就会将设计和加工过程中的潜在弊端鉴别出来，如强度分析和流程分析所进行的那样。然而，这些模拟分析并不可能完全确保最终产品在实际操作下的性能和质量。只有对实际操作条件下的样品检测，才可能提供最可靠的信息。这种检测是获得更高质量和功能的产品不可忽视的必要条件。

如果现实的样品检测存在困难，也可以进行模拟条件的检测。然而，这种测试的价值依赖于对操作条件模拟的代表性。

以耗时的测试来推断塑料成品在机械应力和热量的影响下的长期性能是不可行，也不经济的。另一方面，在苛刻条件下进行加快老化测试作为长期性能预测也不一定确实可信，应该更为注意。塑料在长期压力测试下，和在短期的快速测试下，其性能也会完全不同。

创新意念

许多不同的工业应用表明，塑料工业的未来是光明的。如果能巧妙的利用聚合物的原料性能，就会生产出多功能的产品，会比以往的设计有更好的商业和功能价值。

现今的设计需要日益复杂的几何学和原料学。塑料能够解决众多不同类型的问题。然而，塑料与应用之间的配合也至关重要。原料（树脂）制造商在这方面有着丰富的经验。必须运用他们的专业知识，将新型设计理念转化为实际的产品。

见图4

二、原材料比较

塑料不是金属

众多的塑料设计仍然沿袭“金属零件”的设计理念。开题伊始，与其他传统原材料相比，设计塑料原材料零件时需注重的要点。

各类原材料的基本特性

塑料原材料比起其他任何工业原材料，其特性可在很大的围变化多端。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。大多数塑料的基本性质与金属有着明显区别。例如，通过直接对比，金属具有更高的。

?密度

?最高使用温度

?刚性/强度

?导热性及导电性

而在

?机械避震

?热伸缩性

?断裂伸长率

?韧性

方面，工程塑料则具备更大的围。为了生产出功能性塑件，同时节约成本，有必要用创新设计，使塑料替代金属。在这重新设计零部件的过程中，极有可能达至功能集成、结构简化的效果。

不同的原材料性能

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，如果仓卒地用于塑料，将会很容易失败。因此需要塑料设计者必须对这些原材料的性质非常熟悉。

变形性质与温度和时间的关系

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。多数塑料在室温或短时间暴露于应力时，会呈现出机械性质的改变。而另一方面，除非金属接近其重结晶温度（>300°C），否则它的机械性质不会出现大幅度改变。

如果使用温度与形变率变化很大，工程热塑性塑料的性质也可以由硬脆向弹性变化。例如，安全气袋开门，在实际应用（如爆炸性开启）的过程中，其形变表现与慢速组装配件的形变表现质完全不同（如图2）。同样的，卡扣配件也必须随着温度的冷热来选择不同的装配方法。这里，温度的影响远远大于装载速率的影响。

Fig. 3

影响材料性质的因素

塑料的特性不仅仅是纯原材料的性质。在不同操作环境下，塑料组件的基本性质会随着不同的因素而改变（如紫外光辐射，如图3）。如果原材料在不适用的围加工，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。

Fig. 4

与金属不同，塑料对设计中的失误没有太大的承受力，在设计塑料零件时，需要采用配合其特性的设计。因此，在设计之前，必须对产品所有的要求和限制条件进行完整和细致的分析。

三、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。后期的修正和优化通常是昂贵和不可行的。

原材料性能影响成本

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

将几种功能汇集在一个零部件上，可减少零件数量。

?运用低成本组装技术

卡扣，焊接装置，固定装置，双料注塑技术等。

?利用自润滑特性

减少对额外和持续润滑油的需要

?免却表面处理程序

塑料能着色、耐化学品和耐腐蚀、电器及热绝缘等性质。

?成核作用

同系列的原材料有不同的结晶周期，这是因为成核剂在熔融冷却阶段产生加速结晶效果。

成品设计影响成本

除了以上提到的，注意以下各点能够进一步节约成本。

?壁厚

优化壁厚分配可以影响原料成本，节省生产时间。

?模具

双面模具可以减少对开数量。

?公差

要求过高的公差会增大产品的不合格率和质量管理成本。

?原料

采用低变形聚合物来减少翘曲变形问题（如在玻纤材料中加入适量矿物），选择快定型或快固化原料可以减少成型周期和冷却时间，

见图1

按生产各步骤成本比较

当注塑零件从注射机中脱出时，应立即准备装配，不需要任何额外的处理。如果需要进行后处理，总体塑料成本则经常可会相等于金属成本。

四、浇口的位置

错误地选择浇口体系的类型，除了会引起加工问题，还会对塑料制品的质量产生一定的影响。因而，设计部门决不能低估浇口位置的重要性。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都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后果。

图1

制品在不同方向上的性能测定

在注射成型过程中，长链的塑料分子、纤维填料和增强材料的取向主要由熔融塑料的流动方向决定，这导致了部件性能对方向的相关性（各向异性）。例如，流动方向上的伸展性能比垂直方向上的伸展性能要好得多（见图1）。含有纤维增强材料的部件所受到的影响比不含纤维增强材料的部件要大得多。纤维的取向也引起部件在水平和垂直方向上的收缩差异，这将异致部件发生翘曲。

图2a

图2b

由于熔合线和空气存集引起部件质量下降

当模具中2条或更多的熔流会聚到一起时，就会产生熔合线。例如，在熔体需要流经嵌件，或制品同时在几点进行浇注时，就会出现熔合线（见图2a和2b）。而且，同一制品中不同的壁厚可能导致熔体前方分离，从而产生熔合线。当应从模具中排除的空气被熔体封闭在模具中无法溢出时，就会产生空气存集（出现气泡）。熔合线和空气存集通常被作为表面缺陷的表现。除了会使表面难看外，它们还会明显降低受影响区域的机械性能，特别是冲击强度（见图3和图4）。

图3 熔合线引起的强度降低

图4

浇口位置选择不当引起的不利后果

因为浇口常留下明显痕迹，因而不能设置在对外观表面要求高的区域。在任何一浇口区域都会产生高压力（剪切），将明显降低塑料树脂的性能（图5）。不含增强材料的塑料的熔合线质量明显高于含增强材料塑料的熔合线质量。熔合线区域的质量衰减因子与填料和增强材料的类型和含量有很大关系，加工助剂、阻燃剂等添加剂都对熔合线质量有不利的影响。因而，很难评估这些因子对部件的最终强度的影响有多大。而且，熔合线区域在力下有高的承载能力并不意味着它的耐冲击能力或耐疲劳能力好。

图5

由于含有纤维增强材料，熔合线区域的纤维的排列方向与流动方向垂直。这将明显降低部件在这一点的机械性能（见图6）。

图6

正确的浇口位置

复杂的模具不可能没有熔合线。如果不能减少熔合线的数目，就应根据表面质量和机械强度考虑

将它们设置在模具不重要的位置。这可以通过改变浇口位置或增大/降低部件的壁厚来实现。基本设计原则：

?不要将浇口置于高压力区域

?尽量避免或减少熔合线

?尽量使熔合线远离高压力区域

?对于增强型塑料，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

五、基本装配技术

最佳装配技术－第一部分

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节约生产成本。

装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。以下各项归入集成装配工艺。

?焊接

?固定

?粘接

?嵌入技术

?90度角卡扣

分离装配包括：

?小于90度角卡扣

?螺扣装配

?中心装配

?压机装配

卡扣装配设计

卡扣装配的最大优势是不需要增加额外装配部件。

塑料加工中最通用的卡扣类型有：

?倒钩型卡扣

?圆柱形卡扣

?球座型卡扣

在所有这些卡扣设计中，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。

见图1

基本设计原理

卡扣装配的设计取决于使用的材料容许的变形。举个例子，由于聚酰胺在干燥状态下比常规状态下能容许的变形更低，有必要加倍注意这种材料的应用，玻璃纤维含量对材料的所允许变形也有很大的影响，因此对倒钩允许的倾斜度也有影响。（见图1）

见图2

在倒钩型卡扣装配中，尖的倒钩尖端可以减小倒钩变形时的应力（见图2），这种设计能够使应力在整个倒钩弯杆部分均匀分散。倒钩基部的应力集中相对减小。装配压力也有相当程度的减少。忽略了倒钩底部与构件主体之间连接处的曲率半径应该是足够大的问题，通常导致出现脆弱点。原则上说，应该提供足够大的曲率半径来避免压力集中。经常将圆柱或球孔型卡扣装配系统开槽，使其装配起来更加方便，因此，槽尾不得设计成尖状的边缘。

见图3

压件装配

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。例如对卡扣装配来说，由于应力松弛，高压装配的拉力强度随着时间的流逝而减少（见图3）。设计计算必须把它考虑进去。另外，必须作使用温度周期变化的试验，以保证设计的可行性。

螺纹装配

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。材料的挠曲模量给螺件的合理装配提供了指导。例如，带螺纹的螺丝的弯曲模量可以达到2800Mpa。如果需要使用公制的螺丝，或者螺纹装配需要多次来完成，这就需要采用金属的细纹嵌件。

见图4

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（见图4）。螺件制造商可在这方面提出不少建议。

见图5

由于产生的压力会使螺母口开，原则上应避免塑料装配中使用带有锥形埋头钉的螺丝（见图5）。这种额外的压力带来一种可能的后果，就是螺母的熔接痕处容易开裂。

六、材料选择

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。

图1

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）。

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。

图4

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）。