塑料产品设计

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1、塑料产品设计导论产品设计是利用材料，经设计成为新创的外形或结构，以制成指定作用或目的的产品。其所须具备之条件为：1. 在功能上：要能符合使用者的需求。2. 在使用操作上：要能符合使用者的习惯与身份。3. 在外型上：要能合乎简单的制造原则并满足使用者的喜好。4. 材料应用与加工方法上：要合乎经济与合理的原则，并能求得最适化而降低成本。 即任何一新产品，从构思到生产，对一公司而言，其考量前题为以下所列各项： 将来性：公司未来发展领域的配合，成长性。 技术性：与该公司现有技术之关系，原料设备获得之难易及技术上成功的可能性。 领先性：是否可申请或抵触专利及制品是否具独特性。 销售可能性：产品的展望，推

2、出市场之难易，销售网的建立及有无商品特征等可能性。 经济性：研究经费人员的多寡，开发期间的长短，设备投资额之获得及获利率的大小。 其它如材料之选择、加工方式、模具的设计、二次加工方式及安全规范、法令等，皆须详加 考虑。通常塑料新制品产生的方式可分为三种：1. 再设计 (redesign) ：就是将现有产品的部分，做一些改变或修饰，使成为更具价值与流 行的新产品。现今市场上约莫80，属于此类。2. 组合 (combination) ：结合两种以上不同功能，发展而成之新制品。例如 PC 制成的潜水 镜再贴上防雾膜，而成为价值更高的新产品。此类新产品约占10。3. 创新 (innovation) ：

3、剩下的 10即为发明前所未有之新制品，此类产品由于须花费较长 的时间在宣传及消费者的接受性上，所以通常这方面之设计比例较低。塑料产品设计者与其它设计者最大的不同是， 前者必须详加考虑塑料之各种物性， 尤其是环 境变化对物性之影响及在长时间负载下对产品之影响。通常，塑料之物性数据是在实验室的环境下，依照美国标准测试方法(ASTM)而测得。而所设计的塑料产品并不会正如测试样品在同样条件下成形或被加应力。其它如： 肉厚及形状。 所加负载之速率及时间长短。 玻纤之排列方向。 缝合线。 表面缺陷。 成形参数。 以上这些；都会影响到塑料产品之强度及韧性。 设计者亦须考虑到温度，湿度，阳光(紫外线)，化学药

4、剂等之影响。所以了解其产品的最终目的而探讨相关的物性是非常重要的。下表2-1 为一标准的设计检查表 (design checklist) 。设tt鞍査叢產品名, 占司代號摩品功能操fF縣件正當最大最少備作過屢壽命（小時）恶 R 籍）_負載時間 開始 描鬼 _其他学厦境因索化愛品 澳氣 揺滦撫作之周遥温度 曰如討 ，俺法直时乩設計嫌件妄全園黑堤大型折量尺寸公差趣方法宪咸酸飾 代理翻碼檢驶E,功龍泪U詼 化其他（任何有鹹了粹產品之甫息貳章豆】2-2 原型之设计为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化，我们通常是建一原型而加以测试并修正。最好的方法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式相近。大部份的

5、工程塑料产 品是由射出成型所制出，所以原模必须为一单模穴原型模具所制得。以下将讨论各种 制造原型之方法及其优缺点。2-2-1 机械加工圆杆或平板、块法（machi ning from rod or slab stock）此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形状非常简单的时候， 我们可将其经机械加工而得。这样不仅能帮助发展至固定的设计，亦能做为有限度的 测试结果条件；但千万不能将其做为最后商品化的标准，其原因如下：2其物性如强度，韧性及伸长量可能会小于真正的成形品，因为机械加工会在原模上留下痕迹。2强度及韧性可能会高于成形品，因为圆杆或平板块具较高的结晶度。2若是加了玻纤的产品

6、，则玻纤的方向性影响会误导了结果。2成形品的特性如顶出针痕，浇口痕及不定形的表面结构将不会出现在原型上。2无法探讨缝合线及接合线之影响。2由于内应力之不同，尺寸稳定性会被误导。2在圆杆或平板，块的中间常有包气现象，以致减少了其强度。同理在成形品的较厚肉处亦有此现象，而无法做一致的评估。2只有少数的圆杆或平板，块材料可供选择。2-2-2 铸模法 (die casting tool)通常我们能够修正射出成形的原型，如果具有铸模模具的话。利用此铸模模具可减少 对制造原型工具的须要及以低成本提供所须的前测试。然而，此法也许也无甚助益， 因为原来的模具可能是为金属铸模而设，而非塑料。所以，外壁及肋将不会

7、最适化； 浇口通常会过大及位置不合；并且无 法有效的冷却塑料产品，造成质量具甚大的相异性。2-2-3 原型模具法 (protoype tool)特别是对塑料产品设计而言，利用便宜的铝，黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的 方法。因为基本的讯息如收缩度，玻纤方向性及浇口位置皆可得之。但由于此模具只 能承受有限度的射压，所以无法正确的估算出成形周期(cycle time) ，而且模具冷却性被限制，甚至不存在。可是，在另一方面而言，其好处为此形式能够有效的提供样品做最终的目的测试及快速的修正外 形尺寸。2-2-4 生产试模法 (preproduction tool)对设计的未来发展及产品的准确性而言，

8、最好的方法是制造钢铁试模。它可以为单模 穴模具或以多模穴模具为体的单模穴模具。此模穴已经机械加工完成，只是未做硬化 处理，所以仍可做一些修正。其好处为它具有与生产模具相同之冷却效果，收缩与翘 曲可被探得；还有因为具有适当的顶出鞘，模具能够如生产线般的循环，于是能够探得其周期。当然，最重要的是这些样 品能够如最终产品般的做强度，抗冲击，磨耗及其它物性等之测试。以上各法都是为了能在正式大量商品化前，做最低成本及最有效的预估分析。当然， 我们不能本末倒置，忘记了最终产品的真正须求。最好是写下一标准产品所须表，如 功能，外观，可容许的公差等，做个最完美的设计者。2-3 产品设计虽然塑料之产品设计非常复

9、杂，但总有一些基本之原理方法来减少一些成形上及产品 功能上所发生的问题。以下所探讨的是在设计上所须注意的基本细节，俾能在未来更 复杂的产品设计上有所助益。2-3-1 壁厚 (wall thickness)通常产品必须具均匀的壁厚，如果变化不可避免，则利用转换区的方法来防止突然的 遽变如图 2-1 ，且浇口位于较厚处以防止充填不满。刖用轉廉N的方眩宋强书张廉肋23飙段ft僅a不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。如果产品须要较高的强度，从成 本的观点上来看，用肋(ribs)比增加壁厚要好的多。但如果产品须要好的外观表面时,则因凹陷痕(sink marks)会在表面上产生，故须避免之。若非

10、得用肋不可时：则应尽 量让凹陷痕出现在肋的另一面或较不显眼处。图2-2与2-3为使壁厚均匀的一些方法图2-2乃利用肋及浮凸物(boss)，图2-3则为利用铸空法(cornig)使设计更好。表2-2为一般总之，一般的原则就是能够利用最少的壁厚，完成最终产品所须具备的功能。热塑性树脂制品之厚度表，表2-3则为热固性塑料制品之厚度表。表2Y 熱塑性劉腰品障度之建谯（M :英年】熱邂性齊關POMD5ABS0.030厘克力0.025樹推索樹脂0*0鮎轍弗龍0.0Q尼龍PC0.040LDKE0.024HOPE0.035EVA0.020PP0,015PSO0.040PPO/PS0心。PS0*030SAN0,

11、030pvc （硬覧）omovu0心$SURLYN0.025（瞬子聚合踱110,062a. izs,0,Q900 1?0.G3So.soo0.0620*2S0.0930.3750.0620.2500.0620.2500.062o.oso0 JOOOU 000.3750. OAO0.3750, 0620,2$00,062氛2$00.0930-3750. $00u$oo0.0620.7509E 2-3然闔烘趙藉餐品尺厦之燻31 ( Vtt :英对)小帮件那厦-0科屢大番件廉廉大夙嗖0.0500.0620.125QU87 1.00Q0.0620U2S0.1870.170.3750.1250,1250

12、U370.2001.0000.0400.0930.1250-18? 0*5000.0400- I2S0U670-187 0-357尿索及烫*明樹阿玻理摒充0.0500. 1250.125U.1250.1870* 0400.0930-1870.187 0.3752-3-2 半径（radii）切莫将产品设计成具尖锐的边角，因为其刻痕(notch)状会造成应力集中，以致减少了产品之抗冲击力。为了保证设计在安全的应力范围内，我们须计算每个边角的应力集中因子。女口图2-4为悬桁(cantilever)的情形下，应力集中因子对半径/壁厚之图。为了增加边角的强度及增进充模的能力，半径必须在壁厚的25%到75

13、%之间，通常为50%,如图2-5所示。2-5 垮的出列半餐設計2-3-3 倾斜角(draft angle)为了使产品能够轻易的从模具内顶出，外壁必须设计成具倾斜的斜角，如图2-6所示。通常每一英寸，0.5度的倾斜角是达成有效结果所能容许之最小值。一般而言每一英寸1度是标准的做法。如果产品的深度须要增加，通常每增加0.001英寸之深度，须要增加1度额外之倾斜角。2-3-4 肋及角板(gussets)肋及角板能够有效的增加产品之刚性与强度。适当的利用肋与角板不仅能够节省材料，减轻重量及减短成形周期，更能消除如厚横切面所造成的成形问题。设计肋及角板时，我们有一些基本之原则必须遵守，如图 2-7与图2

14、-8。坟U壁厚b Q.6 0*75c -3a (着铀良拓之鰹廈+則上福外的助)/- O,25o ( 4TS )/工毎暹1(少号“时角M2-7 *rj 肋般 Std 2e 0*60.7a/=* 2aW2-8 標嚼的雳板段it与壁厚比较，如果肋或角板太厚的话，则可预期的会产生凹陷痕，包气、翘曲、缝合线(造成内应力)及较长的成形周期。肋之形状最好设计成如图2-2所示，乃因用窄形之肋骨以代替大而厚之肋骨，可减少塑料之消耗。并且肋及角板必须被置于能够方便流动的位置，如此才能够帮助产品的充填犹如内流道之作用。否则，常会造成最后产品有烧焦之痕迹及包气等问题。注：角板乃是用作于边缘的支架，以提高强度。2-3-5 浮凸物(bosses)浮凸物之目的是用来连接组合螺丝钉、导销、栓或迫紧(force-fits)等作用。设计