第2讲 第二章塑料制品研发程序

第二章塑料制品的研发程序 2 1并行工程和逆向工程2 2设计程序2 3设计实例 2 1并行工程和逆向工程 一 并行工程 塑料制品开发包括 市场需求分析产品造型设计模具方案设计和模具结构设计模具工程分析模具制造装配制品生产产品检验 如何实现 传统的方式是按串行的产品开发模式进行 如 整个开发过程信息单向流动 下游结果不能及时反馈给上游进行评价和修改 制品设计和模具设计脱节 制品设计的质量靠最终生产来检验 往往要多次修模 不易控制各环节质量 各阶段按顺序进行导致产品开发周期长 其缺点 显然 建立一个内部可以交互操作的支持环境是实现并行工程的先决条件 图中可以看出 并行工程是在多项新的关键技术开发的基础上发展起来的 如塑料模的CAD CAM CAE技术 实体造型技术 快速成型技术 信息管理技术 产品的力学分析软件等 并行工程是对产品设计过程 制造过程 模具设计与制造 和支持过程 制品实体模型制造 试模 进行并行考虑 并行开发模式 相互影响的各个环节通过数据交换平台及时进行信息交换 其优点在于 制品开发的各个环节可及时接受其他环节的分析和反馈 并立即进行修改 提高了设计质量和可靠性 充分利用了各个环节的时域交叉性 几个环节同时进行 大大缩短了模具产品的开发周期性 不构成修改的大循环 降低了总的开发成本 二 逆向工程 新产品的开发多是在同类产品丰富知识积累的基础上产生的 采用模拟和改进的办法更新产品 现在采用三坐标测量机 将模拟信息转化为数字化的模型 这种通过样件开发产品的过程称为逆向工程 对现实世界的模仿和改造 开发模式如图 逆向工程所涉及的关键技术 用三坐标测量机作三维实体几何模型形状数据的采集 即曲面的数字化 规则或大量离散数据的处理 三维实体模型的重建 通过CAM软件进行NC加工 逆向工程在开发具有复杂型面的塑料产品时能大大缩短开发周期 保证了产品质量 2 2塑料制品设计程序 一 设计思想 1 详细了解塑料制品的功能 环境条件和载荷条件2 选定塑料品种3 制定初步设计方案 绘制制品草图4 样品制造 进行模拟试验或实际使用条件的试验5 制品最终设计 绘制正规制品图纸6 编制文件 包括塑料制品设计说明书和技术条件等 二 塑料制品设计的一般程序 1 详细了解塑料制品的功能 环境条件和载荷条件 预定的结构要求 包括载荷大小及持续时间 交变载荷性质及其率 冲击力大小及性质 有无振动或抗疲劳要求 可预见的误用情况分析 预定的环境条件 通常有 工作温度及其允许的极限温度 工作介质 空气 水 油 溶剂 光照 是否要防气候老化遵循的准则或标准 包括 国家标准GB 部颁标准 企业标准 国际标准要求的成本限制 要有经济效应 产品的成本应是多少 预定年产量是多少 从经济上考虑 采用何种成型方法有利 竞争的材料价格是多少 期望的使用寿命多长 更换期限 2 选定塑料品种 产品数学设计用性能数据比例极限值 模量与温度关系 表观模量 疲劳极限 泊松比 断裂强度 热膨胀系 密度成型收缩率通过试验才能获得的性能数据硬度 冲击强度 断裂伸长率 易燃性 热变形温度 电性能 屈服强度 3 制定初步设计方案 绘制制品草图 初步确定形状 尺寸 壁厚 加强筋 孔的位置等 明确 规定的尺寸和可改变的尺寸 设计的哪些部分是灵活的 哪些是用来获得所要求的结构性能水平的 目的 验证产品的可靠程度对产品的初步性能有所了解鉴别可能存在的问题 分析方法如下 应变仪分析热循环试验用环境室人工气候老化箱仿真应用条件 如重复载荷 下寿命试验特定性能专门试验 4 样品制造 进行模拟试验或实际使用条件的试验 一个塑料制品 若按常规生产 要经历模具设计 模具制造 注塑成型等几道工序 周期较长 如想要尽快得到样品 以对其进行性能检验或评价结构合理性或与其他零件组装后来考察其性能 或以样品进入市场来检验新产品的市场认可度 这时 并不需要有大量的产品 只需要1 2件塑件样品 关于产品制样 原型 和快速原型技术 要求课后查相关资料 5 制品设计 绘制正规制品图纸通过修改设计 反映出 选用塑料特定品种的综合性能成型加工及过程的限制装配方法 特别提示 要取得成功的设计 下列四点值得重视 对产品最终用途的要求 要做认真分析要与成品尽量相似 特别在临界的或估算的性能方面发展仿真应用或仿真贮存的试验方法在产品投放市场之前 按要求进行测试 6 编制文件 包括塑料制品设计说明书和技术条件等 2 3塑料制品设计实例 MP3为例 一 外观造型的确定 前提 外观的设计涉及到了市场 美学 制做工艺等的专业知识 是要综合考虑的 要熟悉市场上的相关产品 对现有的制做工艺要了如指掌 调查 市场上采购样机 设计上的细节可参考他们的产品 考察模具厂 了解制造工艺 将外观设计 模具制做和产品制做紧密的配合了起来 设计思想 外观造型的设计要时尚 精美 让消费者爱不释手 但考虑到生命周期 最后产品使用的设计思路 造型采用中性 不要太另类 涉及功能的外观设计 按键有开机 停机 前进 后退 音量大小 录音 复读 模式 删除键共10个按键 在产品上要排布妥当是很难的 正面 1 录音键2 删除键3 停止键4 音效键5 复读键6 播放键13 液晶显示屏侧面 7 音量减小键8 音量增大键顶部 9 耳机插孔10 键盘锁11 快进键12 快退键其它的分别是 14 话筒录音口15 SMC卡退键16 USB连接口17 SMC卡槽18 电池仓 协调后的设计 正面 有LCD液晶显示 开关机按键和一些操作复杂的按键 如将录音 复读 模式 删除键放到正面 前进 后退按键放到了顶部 水平排布 向前进曲目就按顶部的右按键 音量 按键放到了右侧 上下排布 想增大音量就按右侧上部的按键 考虑了使用者的使用惯性并综合了功能的性质进行设计的 考虑到这几个键在使用中按动不是很频繁 使用者不是很熟悉它们的功能 使用过程中很长一段时间内要靠说明书来完成操作 所以我们就是要让消费者好找好记 如果把它们排到别的地方 消费者就是看着说明书也要找半天按键的位置 这一遍会用了 下一遍可能又不会了 二 结构设计 用三维软件来配合工作 软件给出3维的造型 各个部件用计算机进行模拟装配 以检验设计部件的可能性 设计期间 电路设计工程师与结构设计工程师要配合 两者要协调 在结构设计期内的同时 电路设计方要完成电路板的设计工作 三 快速成型 结构设计完成后 要进行关键的激光快速成型 可以在很短的时间内给出一个和设计一样的外壳 四 最终产品结构的确定 根据快速成型样品进行协调 评价 确定最终产品结构 在设计期间内基本上需 外观造型结构设计工程师2 3人 电路设计工程师2人 软件设计工程师1人 还要完成说明书 包装的设计 所有外协厂家的确定 制定 企业标准 等等 经过紧张的设计 试生产周期 进入到平稳的生产期 五 编制相关文件 产品生产前生产部门要编制 生产作业指导书 生产工艺与品质验收标准 等等生产用文件 第三章塑料制品材料的各种特性 要正确设计塑料制品 必须掌握塑料材料特性 知其优缺点 扬长避短 发挥材料独特性能 因此设计塑料制品应考虑塑料材料的如下性能 材料的使用性能材料的成型性能材料的经济性 一 塑料制品的使用特性 1 力学性能 模量 拉伸模量 杨氏模量 E 剪切模量G 体积模量B 模量愈高材料发生单位形变所需施加应力愈大 即材料刚性愈大 泊松比 材料在拉伸试验中试样的横向尺寸收缩率与纵向长度增加率之比 强度 材料发生屈服变形或断裂破坏时所承受的应力 拉伸强度 拉伸时发生屈服形变或断裂破坏时的应力 前者叫拉伸屈服强度 后者叫拉伸断裂强度 压缩强度 在压缩时的压缩屈服强度和压缩断裂强度 剪切强度 材料达到剪切破坏时的剪切应力 冲击强度 长条形标准试样被冲断时单位截面或单位宽度所吸收的能量 即冲击摆锤所损耗的功 弯曲强度 长条形标准试样在受三点式弯曲时发生弯曲断裂或达到规定挠度时试样中点最大的弯应力 疲劳强度 在循环载荷作用下 若应力过大材料会发生疲劳断裂 在循环次数达到107 108 试样尚有50 不破坏时的应力叫试样的疲劳强度 长期静力作用下的蠕变特性即静态粘弹性 如蠕变 交变应力下的动态粘弹性 如图 断裂生长率 材料发生拉伸断裂瞬间试样变形长度与原长度之比 断裂功 材料发生断裂时外力所作的功 粘弹性 高聚物具有粘弹性 2 电学特性 1 电导率 衡量材料导电性大小 即电阻率的倒数体积电阻率 电流通过电极之间塑料本体时的阻力 表面电阻率 电流通过试样表面时沿试样表面电流方向的直流电场强度与单位长度表面传导电流之比 根据电阻率不同 将材料分为超导体 导体 半导体 绝缘体四类 绝大多数塑料属于绝缘体 2 耐电击穿性 用介电强度表示当电压达到击穿点后出现电流突然增大 聚合物丧失电绝缘性 材料发生熔化 烧焦甚至燃烧 在继续不断升压情况下会发生电击穿 击穿电压与材料厚度之比叫介电强度 3 介电性聚合物按结构单元偶极矩的大小分为非极性 弱极性和极性几大类 介电常数愈大 绝缘越好 介电损耗 电介质在交变电场中由于发热而消耗部分电能的现象 解决静电办法 塑料原料加入导电性物质以降低体积电阻率 如炭黑 石墨 金属粉末等 加抗静电剂 制品表面离子化 相互抵消法 静电的应用 复印机利用静电印刷 静电喷涂等 4 聚合物的静电现象 3 光学特性包括对光的吸收 反射 折射 散射和透射性能 1 塑料对光的吸收和透过 模具的表面粗糙度 树脂中杂质和水分含量都会影响制品的透明度和表面光泽 在纯聚合物中加入填料粒子或发泡成泡沫塑料时 塑料成为两相或多相结构 即使填入的粒子或泡孔是透明的 但当光线遇到相界面时会发生漫反射 使产品透明度下降 如若两相的折光指数相近 则能增加制品的透明性 聚合物有透明 半透明与不透明 控制结晶聚合物的结晶度及晶粒尺寸的大小 可以得到所需制品 2 折射 制造透镜 车灯等光学制品时要考虑折光指数低 透明性好 PMMA透明性优于PS PC 3 反射 粗糙的表面会形成漫反射 即没有规律地向四面八方反射 使表面粗糙度提高 结晶聚合物体内的球晶粒子会产生漫反射 使反射光消失 因而光泽性差 向聚合物中加入粉状填料会形成凸凹不平的表面 并消除内表面反射 形成无光制品 向PET PA中加入0 3 0 8 的二氧化钛可制成消光纤维 PE PP ABS PVC等塑件常加入二氧化钛细粉来消光着色 塑料光纤也是利用高聚物的反射特性 4 热学特性 1 聚合物力学状态与温度 2 聚合物耐热性 耐热性是重要指标 特别是高温使用的塑料制品 聚合物受热过程发生物理及化学变化 聚合物耐热性受环境影响 还与使用时间有关 故温度 时间 环境 性能四个方面应同时加以考虑 确定加工温度 确定使用温度 提高熔点或玻璃化温度可采用 1 合成时能生成高刚性分子链的原料 2 增加聚合物结晶度 3 进行交联 4 增强复合 3 几种重要热性能的定义及测试方法 1 差热分析法 2 热变形温度测定法 3 塑料马丁耐热试验 4 维卡软化点测试 5 阻隔特性 1 影响透气性的主要因素 1 相容性影响根据极性原则 极性气体易溶入极性聚合物 非极性气体易溶入非极性聚合物 PVA 聚氨酯及硅橡胶对水蒸汽 极性 天然橡胶 PS对氮气和氧气 非极性 体系的透过系数高 而极性的PVA AS PVC对非极性的氧 氮气透过率极低 2 透过气体的分子大小分子体积愈小越容易扩散 如氢气高于氧气 3 聚合物的结构分子链的刚性 极性 对称性 结晶 交联等因素增加时 会降低连段运动能力或增加堆砌密度 因而阻碍气体分子的溶解和扩散 降低透气性 LDPE透气高于HDPE 4 增塑增塑剂加入 气体容易扩散 5 聚合物两相体系介于两相之间 2 聚合物阻隔性的应用 1 包装材料防潮 一般选用PE PP PVC和橡胶等极性和中等极性的聚合物材料 防氧保鲜 鱼肉 粮食 糖果和糕点要防氧和水分作用 常用的PE PP对氧透过率高 包装的食品储存的周期短 PET PA和聚偏二氯乙烯性能好 但价格贵 两者组成复合薄膜 2 选择性透过如聚硅酮薄膜不透过氮气 很容易透过氧气 可以从空气中制取氧气 3 逆渗透淡化水和制盐海水透过PP 醋酸纤维等中空纤维获得可直接饮用淡水 6 塑件减摩 耐磨特性 塑料具有优异的减摩 耐磨特性 耐磨 减摩塑料件 轴承 齿轮 活塞环 机械密封 机床导轨 丝杆螺母 滚动轴承保持驾 固体粒子风送管道 滑槽等 PTFE用于轴承 机床导轨 PA POM齿轮可用注射成型 制造成本大大降低 且尺寸公差和行位公差可以降低要求 二 成型性能 1 热稳定性热塑性塑料在高温下抗化学分解的稳定性可以用热稳定性来表征 指其开始发生明显化学变化的温度 2 流变性能 复习 3 收缩特性塑料产生收缩值大且收缩不稳定及发生后收缩现象 收缩率与制品结构和模具结构有关 4 可加工性 可模性 评定方法 一般用能生产合格制品的速率和难易度