Erfarne produktdesignere har en dyb forståelse af sprøjtestøbningsprocessen og overvejer adskillige faktorer i design af plastdele. Denne artikel fokuserer på nøgleelementer i design af støbte plastdele, såsom vægtykkelse, trækvinkel, ribber, huller, naver,-snappasninger, prespasninger og tolerancer.
Vægtykkelse i plastdeldesign
Det er afgørende at bestemme den passende vægtykkelse. Andre funktioner, såsom ribber og radier, er relateret til vægtykkelse. Vægtykkelsen af et plastprodukt afhænger af forskellige faktorer, herunder ydre kræfter, det skal modstå, støtte til andre komponenter, plastmaterialets egenskaber, vægt, elektrisk ydeevne, dimensionsnøjagtighed, stabilitet og monteringskrav.
Typisk varierer vægtykkelsen for termoplastiske materialer fra 1 til 6 mm, hvor 2 til 3 mm er den mest almindelige. For større-dele kan vægtykkelsen overstige 6 mm. Tabel 1 viser anbefalede vægtykkelsesværdier for forskellige termoplastiske materialer.
Ensartethed af vægtykkelse
Ensartet vægtykkelse er et nøgleprincip i design af plastdele. Ikke-ensartet vægtykkelse fører til inkonsekvent smelteflow og kølesvind, hvilket resulterer i defekter som synkemærker, hulrum, skævheder og endda revner. Derudover kan det forårsage krympemærker, indre spændinger, deformation, farveforskelle eller gennemsigtighedsvariationer. For tynde vægge kan reducere delens styrke og stivhed under brug og montering. Fra et økonomisk perspektiv øger alt for tykke dele materialeomkostninger og produktionstid. Tykkere plastikområder afkøles langsommere og er tilbøjelige til at synke mærker. Figur 1 illustrerer ensartet vægtykkelsesdesign.
Hvis en overgang fra en tykkere til en tyndere sektion er uundgåelig, skal den være gradvis, idet der opretholdes et maksimalt vægtykkelsesforhold på 3:1, som vist i figur 2.
I mange tilfælde kan designere bruge ribber til at ændre vægtykkelsen. Dette sparer ikke kun materiale, reducerer produktionsomkostningerne, men forkorter også køletiden. Køletiden er nogenlunde proportional med vægtykkelsen.
Desuden skal designere også overveje strømningsvejens længde, som er den afstand, smeltet materiale rejser fra porten til forskellige dele af hulrummet. Typisk er strømningsvejens længde proportional med vægtykkelsen. Jo større vægtykkelse, jo længere strømningsvej. Hvis forholdet mellem strømningsvejens længde og vægtykkelsen er for højt, kan utilstrækkeligt materiale eller ufuldstændig fyldning forekomme langt fra porten. Derfor kan det i nogle tilfælde være nødvendigt at øge vægtykkelsen.
Skarpe hjørner
Skarpe hjørner fører ofte til deldefekter og stresskoncentration. Disse områder er tilbøjelige til materialeopbygning under efter-behandling, såsom galvanisering eller maling. Stresskoncentration kan få delen til at brække under belastning eller stød. Derfor bør skarpe hjørner undgås i designet. Figur 3 viser et eksempel på et skarpt hjørnedesign.
Overvejelser for indflyvningsvinkel og udstødningsretning
Udkastningsretning og skillelinje
I begyndelsen af injektionsproduktdesignet er det afgørende at bestemme udstødningsretningen og skillelinjen. Dette minimerer behovet for side-handlingsmekanismer og reducerer skillelinjens indflydelse på udseendet. Når udkastningsretningen er bestemt, skal strukturer såsom ribber,-snappasninger og fremspring rettes ind efter den for at undgå side-handlinger, reducere strikkelinjer og forlænge formens levetid. Efterfølgende kan en passende skillelinje vælges for at forbedre produktets udseende og ydeevne.
Når en del fjernes fra formen, skal den overvinde udstødningskraft og åbningskraft. Åbningskraft refererer til processen med at delen adskilles fra hulrummet. Når delen afkøles i formen, krymper den, hvilket får hulvægge til at gribe tæt om kernen. Friktion mellem delen og kernen, vakuumadhæsion i bunden af huller og andre faktorer gør udstødningskraften meget større end åbningskraften. For stor udstødningskraft kan forårsage deformation af dele, blegning, rynker og overfladeslid.
Udkastvinkel
Trækvinklen er kritisk til at bestemme størrelsen af udstødningskraften. Da sprøjtestøbte dele ofte klæber til kernen (handelen) efter afkøling og krympning, sikrer anvendelse af samme trækvinkel på både hulrummet og kernen ensartet vægtykkelse og forhindrer delen i at klæbe til det varmere hulrum efter udkastning. I særlige tilfælde, hvis det er nødvendigt, at delen klæber til hulrummet efter udkastning, kan trækvinklen på det tilstødende hulrum reduceres, eller der kan tilføjes et bevidst underskæring i hulrummet.
Der er ingen fast værdi for trækvinklen; det bestemmes normalt empirisk. En trækvinkel så lille som 1/8 eller 1/4 grad kan bruges på højpolerede ydervægge. For dybere dele eller dele med teksturer bør trækvinklen øges tilsvarende. Typisk skal trækvinklen øges med 1 grad for hver 0,025 mm teksturdybde.
Desuden, selvom større trækvinkler generelt letter udtagning af dele, er opretholdelse af dimensionsnøjagtighed altafgørende. Dimensionsfejl forårsaget af trækvinklen skal holdes inden for præcisionstolerancen. For dele med høj krympning eller komplekse former bør en større trækvinkel overvejes.
Ribber i plastdeldesign
Styrken af en plastdel er ikke udelukkende afhængig af stigende vægtykkelse. Faktisk fører stigende vægtykkelse til større krympning, hvilket resulterer i indre spændinger, der faktisk reducerer styrken. Nøglen til at forbedre styrken af en plastdel ligger i dens stivhed. Dette opnås ofte ved at kombinere en tynd-vægstruktur med strategisk placerede ribber for at øge sektionsmodulet.
Overvejelser for Rib Design
Men tilføjelse af ribber øger tykkelsen ved krydset med hovedvæggen. Denne tykkelse er typisk bestemt af diameteren af den største indskrevne cirkel, som igen bestemmes af ribbens tykkelse og rodradius. For en grundvægtykkelse på 4 mm ændres diameteren af den største indskrevne cirkel ved at variere ribbetykkelsen og rodradius. Figur 4 viser, hvordan øget lokal vægtykkelse kan føre til synkemærker på den modsatte overflade, hvilket påvirker udseendet. Et rationelt design kan reducere sandsynligheden for overfladenedtrykning og derved forbedre delens kvalitet.
Analyse viser, at tykkelsen af en ribbe bør minimeres så meget som muligt inden for et bestemt område. Hvis ribben er for tynd, skal dens højde øges for at bevare stivheden. Men alt for tynde ribben kan føre til knæk under injektion, vanskeligheder med at fylde formen og klæbe til formen. Radius ved bunden af ribben bør ikke være for lille for at undgå stresskoncentration.
Typisk skal en ribbes rodradius være mindst 40 % af ribbens tykkelse. Ribbens tykkelse skal være 50 % til 75 % af basisvægtykkelsen, med højere procenter kun gældende for materialer med lavt krympning. Ribhøjden skal være mindre end fem gange bundens tykkelse. Ribberne skal have en trækvinkel, og deres orientering skal være på linje med udstødningsretningen, ellers kan bevægelige formkomponenter bruges. Afstanden mellem ribberne skal være mere end det dobbelte af bundens tykkelse.
For at opnå ensartet stivhed i alle retninger er den enkleste metode at tilføje ribber både på langs og på tværs, hvor ribberne krydser hinanden vinkelret. Dette øger dog vægtykkelsen i krydset, hvilket fører til større svind. En almindelig løsning er at tilføje et cirkulært hul ved krydset for at danne en ensartet vægtykkelse, som vist i figur 5.
Designovervejelser for huller i plastikdele
1. Hulplacering og styrke
Det er almindelig praksis at inkorporere huller i plastdele for at lette monteringen eller funktionelle formål. Ideelt set bør størrelsen og placeringen af disse huller ikke kompromittere produktets styrke eller øge fremstillingskompleksiteten. Nøgleovervejelser:
Afstanden mellem tilstødende huller, eller afstanden fra et hul til den nærmeste kant, skal mindst være lig med hullets diameter. Dette er især vigtigt for huller nær kanter for at forhindre brud. For gevindhuller er afstanden fra hullet til produktkanten typisk større end tre gange huldiameteren.
2. Typer af huller
Huller findes i forskellige typer, såsom gennemgående huller, blinde huller og trinhuller. Set fra et montageperspektiv er gennemgående huller mere almindelige og lettere at bearbejde end blinde huller. Med hensyn til formdesign er strukturen til gennemgående huller enklere. De kan dannes ved at placere kerner på både den bevægelige og faste del af formen, eller ved at bruge en enkelt kerne i kun én del. Førstnævnte skaber to udkragede bjælker under påvirkning af smeltet plast, men på grund af de korte bjælgelængder er deformationen minimal. Sidstnævnte danner typisk en enkelt understøttet bjælke med også minimal deformation. Når der bruges to kerner, bør deres diametre være en smule forskellige for at forhindre fejljustering og sikre en glat, parringsoverflade. Blindhuller dannet af udkragede kernestifter er mere tilbøjelige til at bøje under påvirkning af smeltet plast, hvilket fører til uregelmæssige hulformer. Typisk bør dybden af et blindt hul ikke overstige det dobbelte af diameteren. For blinde huller med en diameter på 1,5 mm eller mindre, bør dybden ikke overstige diameteren. Vægtykkelsen i bunden af et blindt hul skal være mindst en-sjettedel af huldiameteren for at undgå krympning.
3. Sidehuller
Sidehuller er typisk dannet ved hjælp af sidekerner, hvilket øger formomkostningerne og vedligeholdelsen, især når sidekernen er lang og tilbøjelig til at gå i stykker. Hvis det er muligt, kan designet forbedres som vist i figur 6 for at afbøde disse problemer.
Bosser i plastdeldesign
Bosser rager typisk ud fra hovedvægtykkelsen og bruges til produktsamling, afstand mellem genstande og understøttelse af andre komponenter. Hule nasser kan rumme indsatser eller skruer. Disse applikationer kræver, at bosserne har tilstrækkelig styrke til at modstå tryk uden at revne. Bosser er normalt cylindriske, da denne form er lettere at forme og giver bedre mekaniske egenskaber.
Integration med struktur
Ideelt set bør en knast ikke være udformet som en isoleret cylinder, men skal forbindes til ydervæggen eller bruges i forbindelse med ribber. Denne tilgang øger chefens styrke og hjælper med den jævne strøm af plastmateriale. Forbindelsen til ydervæggen skal være en tynd-vægforbindelse for at undgå synkemærker.
Filetradius ved bunden, hvor fremspringet forbinder til underlaget, skal være 0,4 til 0,6 gange underlagets tykkelse. Navets vægtykkelse skal være 0,5 til 0,75 gange underlagets tykkelse. Toppen af navet skal være affaset for at lette skruemontering. Bosser skal også have en trækvinkel. Disse designkrav svarer til dem for ribben, så en boss kan betragtes som en variation af en ribbe. Se figur 7 og 8 for disse sammenhænge.
Gevindskruer til selvskærende-skruer
Mange bosser bruges til at tilslutte selv-skruer. De indvendige gevind på disse fremspring er dannet af en kold-flowstøbningsproces, som former plasten gennem deformation i stedet for skæring. Dimensionerne af gevindknaster skal være tilstrækkelige til at modstå skrueindføringskræfter og de belastninger, de bærer. Boringsdiameteren på fremspringet skal sikre, at skruen forbliver sikker under specificerede drejningsmoment- og vibrationsforhold.
Den ydre diameter af navet skal modstå de periferiske kræfter, der genereres under skruetilspænding uden at gå i stykker. For at lette skrueindsættelse er der sædvanligvis forsynet en forsænkning øverst på navet med en diameter lidt større end den nominelle skruediameter. Beregning af bossdimensioner kan være kompleks.
En forenklet estimeringsmetode, foreslået på udenlandske hjemmesider og baseret på den nominelle skruediameter, anbefales. Bestem først skruens materiale, og ud fra den tilsvarende koefficient i tabellen erstattes koefficienten med den nominelle skruediameter for at bestemme den passende størrelse.
Snap-Tilpas tilslutninger i plastdeldesign
Snap-fit-samling er en praktisk, økonomisk og miljøvenlig forbindelsesmetode. Snap-komponenter støbes samtidigt med produktet, hvilket eliminerer behovet for yderligere fastgørelsesanordninger som skruer. Montering indebærer blot at snappe de tilsvarende dele sammen.
Princippet om en snap-tilslutning involverer at skubbe en udragende del af en komponent hen over en forhindring på en anden. Denne proces involverer elastisk deformation; når forhindringen er ryddet, klikker delen tilbage til sin oprindelige form og låses på plads, som vist i figur 9. Snap-forbindelser kan være permanente eller aftagelige.
Strukturelt kan snappasninger-klassificeres i cantilever, ringformede og sfæriske typer, som vist i figur 10.
Nøglevinkler og beregninger
Kritiske vinkler
De to nøglevinkler i snap-fit-design er returvinklen (eller fastholdelsesvinklen) og ledningen-i vinklen. Generelt favoriserer en større returvinkel en mere sikker pasform. Når returvinklen nærmer sig 90 grader, bliver snap-tilslutningen permanent, som vist i figur 11.
