热塑性工程塑料设计基本原理

 

热塑性工程塑料设计基本原理.
以下是今天将谈到的内容:
产品壁厚
等量刚度
加强结构
装配
工艺考虑

以上的讨论都是基于传统的注塑工艺

我们先讨论壁厚设计.首先是一些定义.

我们定义传统的壁厚比例为100比 1. 比如一个产品 254mm 长 2.54 厚则为传统设计.

薄壁设计的比例为 100 到 150之间.一个成功的例子是手机的设计. 其壁厚是 0.8mm, 流动长度在 76 至 102mm 之间.超薄设计意味着更薄的壁厚和更长的流动距离.这要求高剪切率的材料,快的注射速度和高的注射压力, 需要特别的机器. 笔记本电脑的设计便是其中一例.

现在我们讨论今天讲座的重点.
均匀一致的壁厚.

1) 从工艺考虑 - 较少的材料意味着少的成型周期
2) 从外观考虑 - 出现缩印的机会减少
3) 从产品性能考虑 - 壁厚过度导致内应力
均匀一致的壁厚始终是最佳的.
另一个考虑因素是壁厚的过度.

我们通常希望过度区是高度的三倍, 底部带有圆弧.

对进浇口的讨论我们将采用同样的产品模型. 浇口一定要放在靠近壁厚过度处

第一个方案我们采用从薄壁处进浇, 直觉告诉我们薄壁处将首先凝固. 如果厚壁处在这之
后继续冷却将产生以下缺陷:
1) 将会产生缩印或气泡
2) 甚至会产生变形
总是从厚壁处注射.

考虑的另一个因素是角落设计.

这张图展示了垂直角落截面.如不采用半径过度,局部壁厚增加.不均匀的壁厚会导致侧壁的变形.
半径过度的另一个好处是较低的内应力..

可看出添加一个小小的半径过度就能起到减少应力集中的作用.比如添加约等于壁厚 30% 的半径, 应力集中将大大降低.
如果在设计中我们考虑了缺口或应力集中的影响, 我们则可以选择缺口敏感性较高的材料.这可以降低成本.这是一个非常重要的概念.有可能的话就加上半径.

我们将讨论缩印和产品几何形状的关系. 这个产品薄壁处将比厚壁处较快冷却. 当厚壁处
冷却时将产生比薄壁处更大的收缩, 导致内应力.要注意的是产品最终的机械性能可能和设计的性能不同.

如果在某一区域有厚的截面,这将产生缩印如果产品的表层已经凝固,芯部则可能产生气泡
这是一个有气泡缺陷的轴承零件, 是疲劳失效的例子.在这种情形下, 气泡如同尖角一样会产生应力集中.这些应力集中将导致产品过早失效.

现在我们简短地谈一下由于壁厚不均匀产生产品变形.上图产品厚壁处收缩较大产生香焦形变形.以下方法可以减少内应力:

1) 允许耳朵和水平截面部分有
不同收缩.

2) 应力平衡.

3) 底部也需做到应力平衡. 通过
增加加强筋来提高刚度.

我们现在来看几个成功的例子.

一个是手机. 壁厚少于 3/4mm,
流动长度是几英寸.

拖拉机罩子壁厚大约是 4mm, 流
动 长度大约 915 - 990mm.

 

如果你可以使用多于一个的浇
口, 你可以减少壁厚因为流动
长度缩短了

记住注射压力是流动长度和壁
厚的函数.

在我们的网站设计中心上有一
个基本的流动分析工具供你使
用.

需要注意的是使用多点进浇将
增加熔接线的数量.

接下来讨论结构刚度.
这是一个商用设备面板的反面 -十分复杂

首先是一些刚度计算的公式.

一个是塑料本身的弹性模量

另一个是产品的惯性矩

两者的乘积体现出产品的整体
刚度.

先关注一下材料的性能.

通过加入添加剂比如玻璃纤维
或碳纤维可以提高材料的弹性模量。Lexan® SP7750 就是加入了碳纤维.

从产品形状的角度, 我们可以采用一些方案, 比如截面壁厚.可以是实体或结构发泡结构. 结构发泡降低了产品的密度. 而表面仍保持原先的密度.另一个方法是添加加强筋. 同样可以是实体或结构发泡, 或气体辅助设计.
如何定量计算惯性矩?
这是一个矩形截面的惯性矩计算公式.
可以看出影响最大的是高度因为是三次方.增加 h 可以大大提高惯性矩.

较复杂的截面也可以计算惯性矩.可以看到 C1 和 C2 是三次方的.通过增加加强筋可以提高刚度而壁厚却不用增加.

正如前面所述, 产品的结构刚度是材料性能和几何形状的函数.你可以用高弹性模量的钢设计产品而使用较低的惯性矩.你也可以用底弹性模量的材料比如 Lexan®, 设计较大的惯性矩来达到同等的刚度.
一个典型的例子是汽车保险杠系统的设计.这个部件用的是 Xenoy® PC/PBT合金材料.右边是传统的镀铬设计.两者都有着同样的结构刚度.

最后讨论的是平板件的比较.

你可看到通过增加壁厚和添加加强筋可以设计出和钢一样的刚度.但值得一提的是塑料的重量要远远小于钢.
现在我们讨论加强结构.

这是一些经验指南:

1）在转角处加过度半径, 至少0.5mm. 可以减少内应力和但要注意缩印
2）加强筋的底部应该是壁厚的60% 左右.
3）再有是考虑到产品的脱模,至少需要 0.5 到 1.5 的斜度.

加强筋的高度应小于壁厚的三倍.这和材料也有关系. 比如Cycolac® ABS, 高度可以大于三倍.如果你需要刚度, 可以采用两个加强筋来达到.在加强筋交汇点要注意壁厚增加产生的后果.

如果由于产品包装空间的限制或其它设计的考虑如功能、外观等, 不能使用加强筋,
我们则可以通过改变产品形状来提高刚度.比如在产品外壳上添加一个标记, 这即可以以三次方的效果来提高刚度.
同样 V 型凹槽也可大大提高刚度. 如在开口处有受力的话, 我们可以加一个撑板来解决这一问题.
现在我们来看一下凸台设计.凸台可起到的作用有对准和连接部件等

这是一些经念数据.

首先外径是内径的两倍.其次凸台的高度应是壁厚的 2 到 5 倍.W 的尺寸不可以超过壁厚的60%.最后在过度处加上壁厚25% 的半径.
有一个减少缩印的技巧是把芯部壁厚减薄.使尺寸t约为壁厚的 50% 至 70% 之间.

角撑板也可增加凸台和交叉处的刚度. 如前面提到的其壁厚约为产品壁厚的 60%.

尽管加强筋、凸台、角撑板的壁厚的经念数据为产品壁厚的60%. 但随着薄壁设计的流行, 也可以做到和产品壁厚一样.

装配部分我们只讨论其中非常重要的一项- 零部件集成.
工程塑料的一大优势是减少紧固件数量.
方法之一是使用搭扣设计. 这减少了二次加工比如粘接、焊接等.这能帮助你降低成本, 提高质量.
这些公式供你参考. 在我们的网站上有更多的内容及其它相关技术.

这里只是提一下应变的公式. 首先要了解的是该搭扣是一次性使用还是多次使用. 这将决
定泥对应变的要求。
对于多次使用的搭扣，我们要使应变较低. 它取决于搭扣的使用次数.一旦你有了应变的数据, 转换成应力, 然后看疲劳曲线.环形和扭转搭扣是两个很好的例子.

这是一个扭转搭扣设计工作方式示意图.

在我们设计产品时一定要考虑模具制造工艺.

图示的搭扣设计看上去很优秀.但如考虑到注塑会遇到问题.如右图所示产品脱模有困难。如果我们不得不这样设计产品, 我们将采用内抽芯机构来成型和脱模.

另一种方法是采用外部搭扣使模具成本降低, 减少磨损.
模具制造厂会喜欢这一方案.如果你需要内部的搭扣, 你可以加一个开口.这有助于降低模具成本因为去掉了抽芯机构.产品也便于脱模.

我们也要考虑如何减少部件的自由度. 我们以鞋盒为例子,盒子本身结构非常弱. 但一旦我们盖上之后,刚度大大提高.部件整体的刚度比单个部件要大得多.手机和笔记本电脑就是用
这一方法来达到刚度要求的.
现在我们谈一下有关工艺的问题.我们前面已谈到过这个例子,但请记住, 熔接线所在处的强
度只有材料强度本身的 80%
在设计其它形状的产品时, 比如有开口的电脑机壳, 开口的取向对工艺有很大的影响.模流分析显示塑料流动前进受到阻碍. 你将看到前方塑料相汇产生熔接线.
如果我们仅仅把开口转向, 问题就解决了.
由于流动长度的缩短, 熔接线将减少和变短.流动长度缩短之后, 我们还可以减少产品壁厚. 降低成本.
接下来我们讨论脱模斜度. 因为在产品侧面加了脱模斜度, 所以材料收缩后不会包在型芯
上.
由于侧面有皮纹, 我们需要更大的斜度.
脱模斜度是指筋的顶部比底部要薄.
为了便于脱模我们需要脱模斜度. 通常大于一度.

 

 

 

热塑性工程塑料设计基本原理.
以下是今天将谈到的内容:
产品壁厚
等量刚度
加强结构
装配
工艺考虑

以上的讨论都是基于传统的注塑工艺

我们先讨论壁厚设计.首先是一些定义.

我们定义传统的壁厚比例为100比 1. 比如一个产品 254mm 长 2.54 厚则为传统设计.

薄壁设计的比例为 100 到 150之间.一个成功的例子是手机的设计. 其壁厚是 0.8mm, 流动长度在 76 至 102mm 之间.超薄设计意味着更薄的壁厚和更长的流动距离.这要求高剪切率的材料,快的注射速度和高的注射压力, 需要特别的机器. 笔记本电脑的设计便是其中一例.

现在我们讨论今天讲座的重点.
均匀一致的壁厚.

如果我正在设计如图部件,我将把芯部捞空. 因为:

1) 从工艺考虑 - 较少的材料意味着少的成型周期
2) 从外观考虑 - 出现缩印的机会减少
3) 从产品性能考虑 - 壁厚过度导致内应力
均匀一致的壁厚始终是最佳的.
另一个考虑因素是壁厚的过度.
我们通常希望过度区是高度的三倍, 底部带有圆弧.

对进浇口的讨论我们将采用同样的产品模型. 浇口一定要放在靠近壁厚过度处