塑胶产品设计规范

塑膠產品設計規范

塑膠制品設計特點﹕

塑膠產品的設計與其他材料如鋼,銅,鋁,木材等的設計有些是類似的;但是,由於塑膠材料組成的多樣性,結構﹑形狀的多變性,使得它比起其他材料有更理想的設計特性;特別是它的形狀設計,材料選擇,制造方法選擇,更是其他大部分材料無可比擬的.因為其他的大部分材料,其設計者在外形或制造上,都受到相當的限制,有些材料只能利用彎曲﹑熔接等方式來成形.當然,塑膠材料選擇的多樣性,也使得設計工作變得更為困難,如我們所知,目前已經有一萬種以上的不同塑膠被應用過,雖然其中只有數百種被廣泛應用,但是,塑膠材料的形成並不是由單一材料所構成,而由一群材料族所組合而成的,其中每一種材料又有其特性,這使得材料的選擇,應用更為困難.

塑膠制品設計原則﹕

1. 依成品所要求的機能決定其形狀﹐尺寸﹐外觀﹐材料

2. 設計的成品必須符合模塑原則﹐既模具制作容易﹐成形及后加工容易﹐但仍保持成品的機能

塑膠制品設計程序:

為了確保所設計的產品能夠合理而經濟,在產品設計的初期,在外觀設計者﹐機構工程師,制圖員,模具制造者,成形廠以及材料供應廠之間的緊密合作是必須的,因為沒有一個設計者,能夠同時擁有如此廣泛的知識和經驗,而從不同的事業觀點所獲得的建議,將是使產品合理化的基本前提;除此之外, 一個合理的設計考慮程序也是必須的;以下將就設計的一般程序作出說明:

一.  確定產品的功能需求,外觀.

在產品設計的初始階段,設計者必須列出對該產品的目標使用條件和功能要求;然后根據實際的考量,決定設計因數的范圍,以避免在稍后的產品發展階段造成可能的時間和費用的漏失.下表為產品設計的核對表,它將有助於確認各種的設計因數.

產品設計的核對表

一般資料:

1.      產品的功能?

2.      產品的組合操作方式?

3.      產品的組合是否是可以靠著塑膠的應用來簡化?

4.      在制造和組合上是否可能更為經濟有效?

5.      所需要的公差?

6.      空間限制的考慮?

7.      界定產品使用壽命?

8.      產品重量的考慮?

9.      有否承認的規格?

10.  是否已經有相類似的應用存在?

結構考慮:

1.      使用負載的狀態?

2.      使用負載的大小?

3.      使用負載的期限?

4.      變形的容許量?

環境:

1.      使用在什麼溫度環境?

2.      化學物品或溶劑的使用或接觸?

3.      溫度環境?

4.      在該種環境的使用期限?

外觀:

1.      外形

2.      顏色

3.      表面加工如咬花,噴漆、印刷等.

經濟因素:

1.      產品預估價格?

2.      目前所設計產品的價格?

3.      降低成本的可能性?

二.  繪制預備性的設計圖:

當產品的功能需求,外觀被確定以后,設計者可以根據選定的塑膠材料性質,開始繪制預備性的產品圖,以作為先期估價,檢討以及原型模型的制作.

三.制作原型模型:

原型模型讓設計者有機會看到所設計的產品的實體,並且實際的核對其工程設計.原型模型的制作一般有兩種方式,第一種就是利用板狀或棒狀材料依圖加工再接合成一完整的模型,這種方式制作的模型,經濟快速,但是,缺點是量少,而且較難作結構測試;另一種方式,是利用暫用模具,可作少量生產,需花費較高的模具費用,而且所費的時間較長,但是,所制作的產品較類似於真正量產的產品(需要特殊模具機構的部分,可能成形后再以機械加工成形),可做一般的工程測試,而且建立的模具,成形經驗,將有助於產品針對實際模具制作,成形需要而作正確的修正或評估.

四.產品測試

每一個設計都必須在原型階段,接受一些測試,以核對設計時的計算和假想和實體之間的差異.

產品在使用時所需要做的一些測試,大部分都可以籍著原型做有效的測試;此時,核對了所有設計的功能要求,並且能夠達成一個完整的設計評估.

模擬使用測試通常在模型產品階段就必須開始,這種型態的測試價值,取決於使用狀態被模擬的程度而定.

機械和化學性質的加速化測試通常被視為模型產品評估的重要項目.

五.設計的再核對與修正

對設計的檢討將有助於回答一些根本的問題:所設計的產品是否達到預期的效果?價格是否合理?甚至於在此時,許多產品為了生產的經濟性或是為了重要的功能和外形的改變,必須被發掘並改善,當然,設計上的重大改變,可能需要做完整的重新評估;假若所有的設計都經過這種仔細檢討,則能夠在這個階建立產品的細節和規格.

六.制定重要規格

規格的目的在於消除生產時任何的偏差,以使產品符合外觀,功能和經濟的要求,規格上必須明確說明產品所必須符合的要求,它應該包括:制造方法,尺寸公差,表面加工,分模面位置,毛邊,變形,顏色以及測試規格等.

七.開模生產

當規格被謹慎而實際的訂定之后,模具就可以開始被設計和制作,模具的設計必須謹慎並咨詢專家的意思,因為不適當的模具設計和制造,將會使得生產費用提高,效率降低,並用可能造成品質的問題.

八. 品質的控制

對照一個已知的標准,訂定對生產產品的規律檢測是良好的檢測作法,而檢測表應該列出所有應該被檢查的項目,另外,相關人員,如品管者或設計者也應與成形廠聯合訂定一個品質管制的程序,以利於在生產的產品能夠符合規格的要求.

產品設計細節確定:

一．分模線之選定

1.    不得位于明顯影響外觀的位置

2.    開模時不形成死角(undercut)的位置

3.    位于模具易加工的位置

4.    位于成品后加工容易的位置

5.    位于不影響尺寸精度的位置(尺寸關系重要的部分盡量放在模具的同一邊)

二．脫模斜度

脫模斜度是為了便于產品從模具中脫出而設置的。

脫模斜度一采用1~2度﹐最小不小于0.5度。具體數值視成品形狀﹐成形材料的類別﹐模具結構﹐表面精度﹐以及加工方等會有所不同。在不影響產品品質的前提下﹐脫模斜度愈大愈好。

三．產品外形及肉厚

產品外形盡量采用流線外形﹐避免突然的變化﹐以免在成形時因塑膠在此處流動不順引起氣泡等缺陷﹔并且此處模具易產生磨損。

決定肉厚的主要因素﹕

1.    結構強度是否足夠

2.    能否抵脫模力

3.    能否均勻分散所受的沖擊力

4.    有埋入件時﹐能否防止破裂﹐如產生熔合線是否會影響強度

5.    成形孔部位的熔合線是否會影響強度

6.    盡可能肉厚均勻﹐以防止產生縮水

7.    棱角及肉厚較薄部分是否會阻礙材料流動﹐從而引起充填不足

肉厚不均對成形性的影響﹕

1. 成形品之冷卻時間取決于肉厚較厚的部分﹐使成形周期延長﹐生產性能降低

2. 肉厚不均則成品冷卻后收縮不均﹐造成縮水﹐產生內應力﹐變形﹐破裂等

我們經常用的材料有:PC,ABS,PMMA等幾種,它們的標准肉厚如下:

PC:1.5-5.0  ABS:1.2-3.5 PMMA:1.5-5.0

四．加強與防止變形方法﹕

1.    轉角部位加R

塑膠產品的尖銳轉角常常是造成產品破壞的最大因素.消除產品尖銳的轉角,不但可以降低該處的應力集中,提高產品的結構強度,也可以使得塑膠材料成形時有流線型的流路,以及成品更易於頂出.另外,從模具的觀點,園角也是有益於模具加工和模具強度.

產品所有的內側和外側的周邊轉角園弧都必須盡可能的大,以消除應力集中;但是,太大的園弧可能造成縮水,特別是在肋或突柱根部轉角園弧.原則上,最小的轉角園弧為0.020到0.030inch（即0.5~0.8mm）.

綜上所述,園角對於成形品的設計會有以下的一些優點:

(1) 園角使得成形品提高強度以及降低應力.

(2) 尖銳轉角的消除,自動地降低了龜裂的可能性,就是提高對突然的震動或沖擊的抵抗能力.

(3) 塑膠的流動狀態將被重大的改善,園形的轉角,使得塑膠能夠均勻,沒有滯留現象以及較少應力的流入模穴內所有的斷面,並且改善成形品斷面的密度之均勻性.

(4) 模具強度獲得改善,以避免模具內尖銳的轉角,造成應力集中,導致龜裂,特別是對於需要熱處理或受力較高的部分,園弧轉角更為重要.

園角加大,應力集中減少.

內圓角R<0.3T —-應力劇增

內圓角R>0.8T —-几乎無應力集中

2.    增設加強肋

肋根部厚度約為(0.5~0.7)T

肋間間距>4T

肋高L<3T

3.    利用變化肉厚及形狀

1)    側壁加強

既可防止變形﹐也可改善流動性

2)    邊緣加強

用變化的邊緣形狀來加強﹐防止變形

3)    周邊加強

較大的平面易發生翹曲變形﹐用周邊凹凸或波浪形來防止變形

4)    底部加強

箱形件底部﹐為加強及防變形常采用如下方法﹕

五．BOSS之設計

1.    BOSS的長度一般不超過本身直徑的兩倍﹐否則必須加加強肋。(長度太長時會引起氣孔﹐燒焦﹐充填不足等)

2.    BOSS的位置不能太接近轉角或側壁

3.    BOSS的形狀以圓形為主﹐設計在底部時取3個 (其它形狀則加工不易﹐且流動性也不好)

4.    BOSS周圍可用除去部分肉厚(即开火山口)來防收縮下陷  （如下右图）

六．孔及凹陷之設計

孔的形狀和位置的選擇,必須避免造成產品的脆弱性以及生產上的復雜性.

在成形孔的一般方法中,塑料被射出模穴,然后沿著心梢的周邊流動而形成孔,因此,當塑料在心梢一端會合時,會形成接合線,這些接合線位置就成為成品本身的潛在脆弱性.

1.    孔與孔之間距離為孔徑2倍以上

2.    孔與成品邊緣之間距離為孔徑3倍以上

3.    孔與側壁之間距離為孔徑3/4倍以上

4.    孔周邊的肉厚宜加強(尤其針對有裝配性﹐受力的孔)﹐切開的孔周邊也宜加強

5.    垂直于材料流動方向的盲孔﹐孔徑在1.5mm以下時﹐孔深不得超過孔徑的2倍(只有一端支撐的模仁梢比起兩端都有支撐的模仁梢會高出48倍的變形量)

6.    孔徑不同的通孔不宜設計為兩邊對合成形﹐會產生偏心﹐可將任一邊的孔徑加大﹐或設計為不用對合成形的孔

孔的形狀設計比較﹕

七．成形螺紋及輥紋設計

成形螺紋設計注意事項﹕

1.    避免使用32牙/inch(螺距0.75mm)以下的螺紋﹐最大螺距可采用5mm

2.    長螺紋會因收縮的關系使螺距失真﹐應避免使用﹐如結構需要時可采用自攻螺絲鎖緊

3.    螺紋公差小于成形材料收縮量時應避免使用

4.    螺紋不得延長至成品末端﹐因如此產生的尖銳部會使模具及螺紋的端面崩裂﹑壽命降低﹐所以至少要留0.8mm的平坦部分

5.    螺紋需有2~4度的拔模角

輥紋通常是平行于脫模方向的溝槽﹐輥紋間距通常為3.0mm,最小為1.5mm。為防模具崩裂及使后加工容易﹐輥紋與分模面間至少留0.8mm的平坦部分。

八．埋入件設計

埋入件舉例﹕

埋入件需注意點﹕

1.    由于流動性的關系﹐會在埋入件的周圍產生熔接痕﹔由于塑膠與金屬的收縮率不一樣﹐成形后易產生開裂

2.    使用埋入件成形時﹐會使周期延長

3.    埋入件高出成形品少許﹐可避免在裝配時被拉動而松脫

成形品設計要點改善:

(1)外觀的改善:

A.    原肋為表面形成收縮下陷之原因盡量減薄,肋厚=0.5-0.6T

B.    光澤表面可施行一些如放電,噴砂,腐蝕加工等防止收縮下陷及保持表面無痕跡

C.    盡可能地使分模面變得容易,可使模具加工容易及毛邊,澆口切除容易

D.    肉厚均一,可防收縮下陷

E.    內部肉厚去除,使肉厚均一,防止收縮下陷

F.    凸彀周圍,除去部分肉厚,防止收縮下陷

G.    凸彀之設置在同樣強度下,可以多數以小凸彀代替,可防止收縮下陷

H.    格子連接凸彀之場合,可防收縮下陷,並可使強度顯著增加

(2)強度的改善

A.    肉厚較薄之孔,把孔邊肉厚增加及高度增高以補強

B.    切離之孔周邊肉厚宜增加

C.    曲面的設置,可使強度增強

D.    脫模時,心型銷受收縮力,使成形品頂出時造成破裂,可設置凸彀承受頂出力量

E.    角隅設R ,可改善強度,防止應力集中,變形破裂

F.    加設補強肋及角隅部設R,增強凸彀之強度

G.    孔與孔之間距,孔與邊緣之距離,應有適當之距離,可防止破裂之發生

(3)模具及成形品的改善

A.    銳角薄內部分,易使材料充填不足

B.    透明成形品,肩角部設充分之脫模斜度,頂出時不被刮痕,才不致於影響透明性

C.    斜向凸彀,使模具構造變為復雜,改善凸彀方向的形狀,使成直角向之分模

D.    將側面之孔癖開,可消除UNDERCUT 而不用側向心型

E.    上下對合,可免除使用側向心型,使模具構造簡化

F.    上對對合之孔,恐有偏心之處,宜將另一方孔擴大

G.    外緣波紋之成形品,后加工(毛邊去除,澆口切離)不易，可改為直線邊緣,使變為容易

H.    手扭止滑部,凸形場合模具之切削加工容易

I.    分模線為階斷形,模具制作困難,毛邊修整不易,宜改為直線形式曲線形.

J.       底部設置凸緣,可使分模線單純,后加工容易

K.    切削時左右對稱形狀加工容易,非對稱者加工困難

L.    車削加工比銑削加工速度快且廉價,成形品應盡量設計為圓形

M.    成形品加飾,宜設計凸出,模具加工時為下凹,雕削容易

N.    模具成形加工,在成形品之孔,一般以心型銷來成形.所以在模具構造上,宜避免上部內厚過薄

O.    薄內部位,易造成充填不足

P.    成形品凸出文字,於模具加工時,反為凹入文字,雕削加工容易

Q.    內部托架上開孔,模具成本增加,且易發生故障,可改在成形后,鉆孔加工

R.    深凹穴,應盡量為於成形品之同一側(頂出,成形需要)

改變模具固定側之心型形狀,使減少與成形品之接觸面積(有利脫模)

S.    斷面內厚較厚時,可改為補強肋,但內厚應與其它內厚均一

T.    深入之補強肋,盡量使用最大之脫模斜度,以利脫模,波形面之谷底,宜避免銳角形成.銳角部會阻礙材料流動,使模具強度減弱,成形品產生應力集中.

其它:

a.    成形品與組合件,組合時宜在任何一方角部設置間隙

b.    埋入件螺紋部至成形品頂面留一平坦部避免成形時材料進入螺紋部

c.    兩件成形品熔接,給予t之間隙,使熔接毛邊進入

d.    螺紋埋入件制作成本高,成形時使成形周期延長,應盡量避免使用,成形品可預留攻絲用孔再與攻螺絲配合使用

e.    埋入件高出成形品少许,固定時可避免被拉取而松脫

f.    凸殼之預留攻絲用孔,前端,宜予倒角,以便于自攻螺絲導入

g.    貫穿孔使模具加工變為困難,可預留鉆孔定位孔,待成形后,再次加工.

h.    心型銷之分割面,位於埋入件之端面,埋入件受抵壓,於成形時能確保固定

i. 鉸鏈成形品﹐宜設兩段圓弧﹐使用效果更佳