浅谈塑胶产品的结构设计

曹文省

广州广电运通金融电子股份有限公司 广东 广州 510663

引言

注塑类的塑胶产品发展历史虽然较短,但是发展迅速。在我们日常生活中,随处都可见塑胶类的产品。无论是家电类产品、日用品、还是电子消费品,都是塑胶类的产品或者是以塑胶零件为主的产品。塑胶产品有其自身的特性,在结构设计上也需遵循一定的规范。结构设计不仅需要考虑产品的使用功能、质量性能、外观造型、成型工艺,还需考虑零部件装配简单,生产制造成本低。以上这些影响结构设计的因素,有时候又是相互矛盾的,不可能同时达到最优化。在设计过程中,需将各方面综合考虑。从整个产品的设计制造过程来看,结构设计的前端有产品功能需求定义、外观造型确定、外购零件选型,后端有模具设计及制造、注塑生产、零件表面处理、产品组装测试等。结构设计是将整个产品设计制造过程串接起来,实现产品从无到有的一个重要环节。

1 塑胶制品的成型

构成塑胶产品的塑胶零件,称之为塑胶制品。注塑类的塑胶制品,是将塑料原材料通过模具在注塑机上注射而成。

1.1 塑胶材料 塑胶材料的品种很多,按塑料性能和用途,可分为通用塑料和工程塑料。

通用塑料产量大、用途广、价格低。注塑塑胶件比较常用的有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等。聚苯乙烯成型性能优良,制品尺寸稳定,但是质脆、耐冲击性差。通常用在一些要求不高的电器外壳上。聚乙烯和聚丙烯质优价廉,在日用品上应用广泛。聚丙烯由于有良好的耐热性,在电热水壶的外壳、水杯、餐盒餐具上有大量的应用。

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是应用最广泛的一种工程塑料,其制品尺寸稳定,具有较好的耐冲击性和耐磨性。在家用电器、消费电子、仪器仪表、玩具行业等都有大量应用,可用作外壳和内部结构零件。聚碳酸酯综合力学性能较好,耐热性高,在一些要求较高的电子电器上会用到。由于其无毒且耐热高,可用来制造医疗器械、高档餐具、奶瓶等。聚碳酸酯透明性好,在电子产品中也通常用来制作显示屏的镜片。聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃,是一种理想的镜片材料。聚酰胺和聚甲醛由于具有自润滑性,在具有运动特性的零部件中应用比较多。

1.2 塑胶模具 从模具结构上看,注塑模具由模具型腔、顶出系统、流道系统、冷却系统、排气系统、导向机构、支撑安装结构等组成。注塑模具通过注射机,将熔融塑料注入到模具型腔中,冷却后打开模具,取出制品,完成一个塑胶制品的生产。塑胶模具是产品最终得以体现的重要一环,是结构设计工作的延伸。模具设计和产品结构设计相辅相成,良好的结构设计也需模具设计与制造的配合,才能生产出合格的塑胶制品。

1.3 成型工艺 成型工艺指的是注塑生产时相关一些的参数,包括模具温度、熔融塑料温度、注射压力、注射速度、注射时间及塑料原材料注塑前的预处理等等。这些工艺参数和塑胶材料的成型性能相关。如聚乙烯、聚丙烯,熔融状态流动性比较好,注射压力就不宜过大,否则分型面上容易起毛边。再如聚碳酸酯,它的熔融塑料温度比较高,流动性差,所以成型时模具温度要高一些。

2 塑胶产品的外观造型

外观造型是产品的外在表现,反映产品的功能需求、应用场景。结构是功能和外形的载体。任何外观造型最终都需通过结构设计表达出来,结构设计也必须在外观造型的基础上进行零部件布局设计。结构设计需评估外观造型的结构工艺、模具制造工艺、产品成型工艺、表面处理工艺、产品组装工艺。一个良好的外观设计,不仅需满足产品的功能需求、具有良好的创意构思及审美形态,而且还需使产品的内部结构简单、零部件容易成型、生产组装效率高。外观造型表达的是一个产品的整体概念,结构设计需将这个整体拆分成若干个可加工制造的零件,并将实现产品功能的各个模块包容进去,最后将这些零件和模块进行各种组合、连接和固定,使之成为一个完整的产品。

3 塑胶产品的设计要点

塑胶产品的结构设计和钢、铜、铝等金属材料的设计相类似,但由于塑胶材料种类繁多,塑胶产品外形变化多端,所以会比其它材料有许多不同的设计特性。

3.1 模具工艺简单 结构设计应当使模具设计与制造简单,模具在注塑生产中稳定可靠。零件的拆分尽量将分型面设计成在同一个平面上,并位于不影响外观的位置上,同时避免不必要的侧向抽芯分型。

3.2 塑胶制品工艺要求 塑胶制品的工艺要求主要有壁厚、拔模、加强筋、螺柱、孔及圆角、尺寸公差。在结构设计时,应做到壁厚均匀,设置拔模斜度,为了防止变形和起到加固作用,要设计加强筋。在转角部位,应倒圆角过渡。塑胶螺柱的高度一般不超过其直径的两倍,孔与孔之间边缘的距离,至少是孔径的2 倍。塑胶制品的尺寸公差跟塑胶的种类、模具制造误差、成型条件、拔模斜度等相关。相对来说,收缩率小的塑料,制品尺寸稳定,尺寸误差小,如ABS、PC。

3.3 塑胶零件的装配 结构设计要做到零部件装配简单,工序少。相似的零件要进行防呆设计。防呆也即防错,就是即使人为疏忽或外行人来做也不会出错。塑胶零件间的配合间隙一般在0.1mm 至0.2mm。要尽量减少物料的使用,比如控制螺丝种类,以利于集中采购,减少物料库存。

4 结束语

现代产品更新换代快,产品生命周期短,对结构设计的要求越来越高。塑胶产品的结构设计应当充分了解塑胶材料、成型模具、成型方法及塑胶零件的工艺性,在遵守结构设计原则的基础上,利用塑胶自身特性,创新思路,力求突破,取得更好的设计效果。