塑膠件制造的案例
塑膠件通用結構設計
塑膠件通用結構設計
塑膠件的結構設計：倒角篇
對于像這樣的底邊（凹圓角），對使用 CNC 機器制造尤其具有挑戰性，因為它們需要球頭立銑刀等專用工具，同時球頭立銑刀很脆弱并且在較慢的切削速度下進行切削，這會增加制造成本，因此，最好取消底邊的圓角，如必須要有圓角，應考慮把圓角盡量做大。
2、涂層覆蓋
圓角比斜角更容易被涂層覆蓋。這是因為圓角與相鄰面緩慢過渡并相切連接，與斜角的棱邊相比，圓角提高零件粘附更厚、更均勻的涂層。
4、應力集中
如果設計目標是為了降低應力集中，則圓角是更好的選擇，這是因為同一尺寸的圓角比斜角具有更大的表面分擔應力。
5、孔或銷
無論是螺孔、定位孔、定位銷，孔或銷的邊緣倒斜角是一個更好的選擇。
二、對于塑膠件
由于塑膠件的成型方式與機加件不同，塑膠件的倒角設計更多的是以圓角為主，斜角為輔（斜角更多的是為了造型需要以及有些結構起到導向作用，還有壁厚漸變過渡），圓角的設計有以下好處：
1、流動性
塑膠件在注塑成型過程中，熔融樹脂的流動性很重要，圓角提供更小的流動阻力，圓角越大，越有利于充填。
在原始設計中，尖角很容易在注塑過程中因渦流造成空氣滯留，導致局部高溫使得零件尖角處燒焦，造成外觀缺陷。優化后增加半徑以保證塑料熔體的流動。
2、塑膠件的強度
熔融聚合物流過和流過鋒利的邊緣會引起剪切，進而導致聚合物鏈斷裂。這些較短的聚合物鏈導致塑膠件的平均分子量較低；因此塑膠件的強度和性能可能會降低。添加圓角半徑，即使是很小的半徑，也將有助于流動并有助于防止這種剪切現象。
3、應力集中
疲勞破壞是由裂紋擴展引起的，而裂紋的形成主要在應力集中部位和構件表面。在截面尺寸突然改變處，如轉角處，要采用半徑足夠大的過渡圓角。從相關曲線可知，隨R的增大，有效應力集中系數迅速減小。圓角有助于將應力分布在更大的表面上，防止受力部分快速變形甚至開裂。
展開 塑膠件的結構設計：止口篇
03 止口的作用
理想的外殼是不需要拆件的，但在現實中，需要考慮到制造工藝以及裝配工藝（DFMA），外殼需要拆分成若干零件，相鄰兩個互相配合的零件之間就會存在結合縫隙，那零件結合處為什么需要設計止口？
首先通過以下三個生活中的例子，你就很容易理解止口結構所起到的作用。
圖1：門縫的尷尬
圖二：冬天洗澡，寒風從門縫吹進來
圖三：酒店門邊的卡片“無縫不入”
以上現象是因為門與門框之間沒有形成嚴密的止口結構，對于產品設計來說，是不希望產品出現這樣的情況，因而目前不少公司都在致力于無縫隙（少縫隙）的拆件結構，即一體化結構設計，這方面尤其以蘋果公司產品為代表。
比如以下蘋果的某款電源設配器，常規的設配器采用的是上下殼，然后通過超聲波焊接，但是上下殼之間會存在接縫，如下圖左邊兩款；下圖右邊款采用的是塑膠Unibody工藝，外殼一體注塑成型，中間的夾線通過后期打磨去除，幾乎看不到痕跡。
有關于塑膠一體化設計的更多相關介紹，可以點擊這篇文章查閱：Unibody一體成型工藝（塑膠篇）。
雖然塑膠一體化設計好處多多，但是成本高（包括設計成本、模具成本、后處理成本等），對于普通的產品來說，采用上下殼拆件的方式還是目前主流，但是兩個互相配合的零件之間需要設計止口，止口所能起到的作用如下：
1、起到遮蔽的作用，兩個相互配合的殼體本身是存在一條縫，對于容易變形的塑膠件，如果沒有止口結構，由于縫隙不均勻，即使是功能沒問題，但從外觀上看就讓人感覺低端，質量差，縫隙大點的話甚至可以看到里面的零部件。
2、起限位作用，防止或減小兩個相互配合的殼體裝配時產生偏位或段差。
展開 塑膠件的結構設計：卡扣篇（中）
接上篇：塑膠件的結構設計：卡扣篇（上）。
卡扣設計的原則
卡扣設計的最終目標是要實現兩個零件之間的成功連接固定，要達到連接固定的效果，卡扣設計時需要從以下幾方面進行考慮：連接可靠性、約束完整性和裝配協調性，它們是卡扣連接成功的關鍵要求，其他要求還應該包括制造工藝的可行性、成本的高低等。
連接可靠性，是卡扣設計中最重要的一個設計指標，一般會從以下幾個方面去考慮：
l
連接符合功能預期；
l 連接強度；
l 在用戶使用過程中不發生分離、松動、破損、噪聲；
l 能夠適應使用過程中因環境因素引起的產品變形或蠕變；
l 保證維修拆卸的功能與設計預期一致。
實際上，在產品設計過程中，會根據產品的定位、部件的功能以及成本去選擇需要滿足的連接可靠性要求，并不是每個設計都需要完全滿足以上要求，比如有些設計不需要經常拆卸或維修，那么設計符合前三點就可以，如果需要經常拆卸，那么就需要考慮拆后卡扣的功能與設計預期一致，此時卡扣設計的類型選擇或具體設計參數上就會有所改變，比如下圖中同樣是電池蓋，但是應用在充電寶和遙控器上卡扣的設計就會不同。
下面針對懸臂梁卡扣的連接強度計算進行分析介紹：
一、常見的懸臂梁卡扣的主要有以下參數：
1、梁根部的厚度Tb
T
b
一般為壁厚T
w
的50%~60%，太小可能會存在充模和流動問題，太大可能會存在冷卻問題，進而會導致大的殘余應力、縮孔和縮痕。當梁是從壁面延伸出來時，T
b
可等于T
w
。
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塑膠件的結構設計：卡扣篇（下）
采用以下這種增強件結構，可以在Y值不變的情況下增強卡扣的保持強度，同時，通過一定的優化設計，可以兼容裝配的方便性。
使用這種結構，卡扣裝配后頭部的保持元件被限位彈片（增強件）抵住，卡扣不易松脫，保持強度很高，穩定性好。
通過以上優化后，使其裝配性更好，同時保持強度不會降低很多，缺點是如果卡扣在產品內部，拆卸性差，為了能夠實現拆卸，必要的情況下可以在卡扣上方設計拆卸口，如下圖，通過工具實現拆卸。
卡扣的卡合量（Y值）在裝配后確定一個相對不變的值，但是在使用的過程中，外殼變形導致Y值減小而導致卡扣易松脫，以下這種限位筋（反插骨）對Y值起到一定的保持作用，限位筋離卡扣越近，卡扣的保持強度就越強，同時，限位筋應成對設計，才能有更好的效果。
但是為了兼顧裝拆性能，限位筋與卡扣之間一般保持一定的距離。
對于一些特殊結構，也可以通過插入鎖銷填充卡扣背面的空間，防止卡扣偏斜導致卡合量Y值減小而脫開。
2. 約束完整性
卡扣在裝配或拆卸的過程中，實際上是裝配件相對于基體件的運動，裝配件如果沒有約束，其最終狀態是不確定的，也是不穩定的；約束，就是裝配件相對于基體件的運動控制。
約束的完整性包括定位和鎖緊，如果說鎖緊是卡扣連接的最終目標，那么約束就是實現最終目標最基本的關鍵要求。
常見的鎖緊件包括鉤爪、卡爪、環套、扭桿和止逆等，鎖緊件與配合件組合形成鎖緊副。
常見的定位件包括：銷、錐銷、導軌、楔、卡爪、表面、邊緣、凸耳、凸臺、槽、孔和活鉸鏈等，定位件與配合件組合形成定位副。
展開 塑膠件的結構設計：卡扣篇（上）
五、卡扣設計的原則
卡扣設計的最終目標是要實現兩個零件之間的成功連接固定，要達到連接固定的效果，卡扣設計時需要從以下幾方面進行考慮：連接可靠性、約束完整性和裝配協調性，它們是卡扣連接成功的關鍵要求，其他要求還應該包括制造工藝的可行性、成本的高低等。
由于篇幅過長，此部分內容放到下篇介紹，本篇就介紹到此處，感謝查閱。
塑膠件的結構設計：分型面（線）篇
01 分型面（線）的含義
所謂分型，即把塑件件成型部分的模仁分出若干個模塊，模塊與模塊之間的接觸面叫做分型面，也加分模面，狹義上的分型面，指的是塑件件外形最大輪廓處的分型面，即分出型腔和型芯，或者前模和后模。廣義上的分型面，還包括塑件件局部的分型面（孔的分型面），以及所有參與成型的模塊的分型面（如滑塊、斜頂、鑲件、頂針等的分型面）。
分型面與塑膠件表面相交的分界線，叫做分型線，英文為：Parting Line，因此分型面在業內一般簡稱PL面。由于成型模塊之間接觸不可能做到毫無間隙，塑膠件成型后，這條間隙復制到塑膠件上便形成一條類似批鋒的殘膠痕跡，因看起來像一條線，所以稱為分型線，也叫夾線。
如果說，分型面主要是針對模具而談，那么分型線就是分型面在塑膠件上的體現，分型線的粗細會影響塑膠件的外觀、功能。因此，在塑膠件的結構設計時，需要特別注意。
02 分型面的種類
我們一般把塑件件外形最大輪廓處的分型面稱為主分型面，其他的為輔助分型面。
分型面的形式
1、平面分型面：平面分型面是比較常見的、簡單的，它是一個垂直于開模方向的平面，如下圖所示。
2、階梯分型面：根據一些塑件的具體情況，將分型面做成階梯狀，如下圖所示。
對于階梯分型線，由于型腔一側受力較大，在型腔兩側產生注射偏心力，造成定半模和動半模之間存在相對滑動傾向，其滑動方向如下圖所示。所以應首先選擇階梯面淺（垂直投影面積較大的一側）的分型面，如下右圖。
在排模時，將兩個模腔對稱排列，如下圖所示。使模體兩側承受的注射力平衡，使模具結構緊湊。
如果階梯分型面階梯落差太大，可考慮設計枕位，局部做階梯分型面。
展開 超聲波塑膠件結構設計注意事項
超聲波塑膠件結構設計注意事項
塑膠件的結構設計：拔模斜度篇（上）
04 為什么需要設計拔模斜度
拔模斜度是一種工藝結構，如果不是造型需要，理論上產品結構是不需要設計拔模斜度的，但是由于成型工藝的限制，比如注塑，塑膠產品成型冷卻后需要從模具中取出來，如果沒有設計拔模斜度，塑膠零件將很難從模具中取出。回憶一下，你一定遇到過很難分離被疊在一起的塑膠凳子的情形，那已經是有設計斜度的凳子，更何況是沒有設計拔模斜度的塑膠零件需要從模具中取出來。
1、為什么沒有設計拔模斜度，塑膠件就很難從模具中取出來？
在注塑成型中，熔融樹脂流入閉合模具并填充前模和后模之間形成的腔體，由于熱塑性塑料在冷卻時會收縮，塑料有向模具型芯收縮的趨勢，收縮后的塑膠件會緊緊地吸附在模具的型芯上。除此之外，一些塑料可能會從模具型腔壁上拉開（微觀層面），但大部分仍與型腔壁接觸。
在模具打開過程中，不管塑膠件外側表面與型腔壁接觸，還是塑膠件內側表面與型芯接觸，塑膠件都會受到一個與塑膠件脫離模具方向相反的摩擦阻力（靜摩擦力）。由摩擦力公式：f=μ×Fn，可知，摩擦力的大小與接觸面的粗糙度（μ）、收縮應力（Fn）有關；收縮應力（Fn）與拔模斜度有關。
設計拔模斜度后，f=μ×Fn×cosα，在出模方向上摩擦力f，隨著拔模角度α的增大而減小，一般情況下，拔模斜度都不是很大，顯然靠拔模斜度來減小靜摩擦力是有限的。
拔模斜度的主要作用在于，塑膠件一旦與模具脫開便分離，不再與模具形成接觸，摩擦力消除；而沒有設計拔模斜度，塑膠件與模具脫開后轉為滑動摩擦，同時，對于高光的外觀面，前模型腔還有可能形成真空，真空吸力會導致塑膠件難以從前模完全分離，最壞的結果是粘前模，以及塑膠件后模部分結構被拉變形。
2、拔模斜度的好處：
很多時候，拔模斜度可能會產生利益沖突。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
圖：超聲波焊接機的結構簡圖
然后，焊頭將接收到的高頻振動傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區域即兩個焊接的交界面處由于振動引起摩擦，因此會產生局部高溫，由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，當溫度達到此塑膠件本身的熔點時，兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，熔化的塑膠填充于接口間的空隙，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，形成牢固的結合。
圖：塑膠焊接結合的過程
超聲波焊接的優缺點：
在實際應用中使用超聲波焊接工藝有幾個吸引人的好處；但是，在使用超聲波焊接工藝之前必須了解這項技術的優缺點。
1、優點：
1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在幾秒之內完成；
2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時省去了大量夾具、粘合劑或者機械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經濟的塑膠件裝配方式；
3)強度高。超聲波焊接幾乎可以達到塑膠件本體強度的80%以上，在一些應用上甚至可以與注塑成型相媲美；
4）不改變塑料狀態，超聲波塑料焊接是一種固態工藝，可以通過精確控制，振動產生的高溫只會熔化塑膠而不會過度加熱導致降解，停止工作后會迅速冷卻固化，有助于保持塑料在連接前表現出的原始材料特性。
5)合理的塑膠件結構設計可以使得超聲波焊接達到一定程度的水密或氣密效果；
6)表面質量好，焊點美觀，可以實現無縫焊接；
7)工序簡潔，操作簡單，可以實現自動化焊接；
8)品質穩定，產品質量穩定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產；
9)超聲波焊接過程清潔，無需其他粘合劑，能源和材料效率高。
展開 塑膠件實現類似金屬拉絲效果的工藝方法
上述三種都能表現塑膠件帶金屬拉絲效果，具體應用要根據實際情況選擇，比如產品的需求、應用環境、設計要求等綜合考慮。
塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（中）
最好的做法是，具有吸水性的塑膠件應該在注塑完成后馬上進行超聲波焊接。如果不能馬上進行焊接，應該以裝有干燥劑的PE袋進行密封包裝；沒有密封包裝的吸水塑膠件，在焊接之前應該進行烘干。
7、除此之外，還有許多其它因素會影響焊接強度：
焊接區域面積。焊線越長，熔融塑料越多，焊接強度越大。但實際上，受注塑精度和治具等因素影響，焊接區域面積會比設計預想的要小很多。
注塑件尺寸精度和質量。注塑缺陷如空隙，會吸收超聲振動，影響能量傳遞。可能會導致零件表面燙傷和內部裂紋，以及較低的焊接強度。
二、塑膠件超聲結構的設計
1、超聲結構
通過超聲產生的能量是瞬時的，接縫面積越大，能量分散越嚴重，焊接效果越差，甚至無法焊接。另外超聲波是縱向傳波的，能量損失同距離成正比，遠距離焊接應控制在6cm以內。焊接線應控制在0.3~0.8mm之間為宜，工件的壁厚不能太小，否則不能良好熔接，特別是要求氣密的產品。等等以上這些限制條件說明要達到良好的焊接效果，必須要設計合理的超聲結構。
1）超聲線的含義
超聲線，叫法很多，也可以叫焊接線，超聲筋，焊接筋，導熔線，導能線，能量導向器等等。超聲線的主要特征是在其中一個配合表面上模制出一個 90° 或 60° 的小三角形筋。該小三角形筋將初始接觸限制在非常小的區域，并將超聲波能量集中在三角形的頂點。在焊接過程中，集中的超聲波能量使三角形筋首先熔化，熔化的塑料在焊縫區域流動，在壓力的作用下將零件粘合在一起。
2）為什么需要設計超聲線？
a）縮短焊接時間，當超聲能量一定時，有超聲線的設計需要熔化的體積小且能集中能量，比無超聲線的設計熔化時間要少，同時，焊接時間的縮短有助于避免塑膠件長時間焊接而引起的過焊問題，也避免焊頭與塑件件接觸處損傷問題。
展開 塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（下）
三、金屬螺紋嵌件
如果您需要制造具有更牢固連接和可重復使用螺紋的塑料部件，金屬螺紋嵌件是您的
最佳選擇。
前兩篇主要介紹的是自攻螺絲柱的相關內容，機牙螺絲柱的結構由于大部分跟自攻螺絲柱結構類似，在這里我就不重復介紹了，區別的地方主要是金屬螺紋嵌件預埋，其相對應的螺絲柱結構有些變化。
塑膠件的結構設計：拔模斜度篇（下）
對于這類產品，如果外殼為金屬材質，可以通過鋁擠的方式，可以做到內外壁面0度拔模斜度，如果是塑膠件，內壁面還是需要拔模，外壁面通過左右滑塊出模，但這樣在外觀上就有滑塊夾線，如果需要從外觀上看不出夾線的痕跡，最終的解決方式是打磨后進行了噴油遮蓋。
Apple Pencil一代的0度拔模斜度：
Apple Pencil一代筆桿采用的是塑膠材質，有一長段內外壁面都是0度拔模斜度，度拔模斜度的外壁面的出模可采用上述提到的解決方案，難的是0度拔模斜度的內壁面的出模。
從蘋果公司申請的專利可以了解到具體實現的做法，實際上是使用了一個柔性的模芯，它由兩部分組成，一個柔性帶開口的金屬套筒（FIG. 3），以及一個金屬內芯 （FIG. 5），靠著這個柔性套筒在一定條件下具有彈性形變，讓其可以在 Apple Pencil 的圓柱腔體內抽出。
具體實現方法：金屬套筒使用低摩擦性的金屬做成，且對外表面拋光，減小與塑膠的摩擦力，套筒上設置有一整條槽，使得套筒能具有一定的彈性變形空間，與之相配的金屬內芯有一條凸起的鍵，套筒和內芯組成了模芯（FIG. 6）。
注塑過程就是先將模芯放到模具內，然后合上外模（FIG.9），完成注塑，注塑成型后先將金屬內芯抽出，金屬內芯抽出后，金屬套筒有了向內彈性變形的空間，金屬套筒會向內收縮（FIG. 12），金屬套筒外壁與塑膠件內壁形成一定程度的脫離，金屬套筒便很容易從塑膠件內壁抽出。（專利中用圖三棱柱舉例代替Apple Pencil的圓柱體塑膠筆桿）
END
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展開 塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（中）
接上篇：塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（上）
塑膠件螺紋連接結構的設計原則：
連接強度原則；
成型性原則；
一、連接強度原則
在上篇中提到，由于檢查緊固力的方法很復雜，我們通常通過扭矩值來確認施力情況，也就是說，緊固力的大小可以通過扭矩值來表征，如果擰緊扭矩越大，相對于的緊固力就越大,，連接強度就越大。
由公式：擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)可知，如果需要增大擰緊扭矩Tα，可以通過增大攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf來實現。
增大攻牙扭矩Tr
，這會導致前期攻牙階段的安裝扭矩變大，前期顯得很吃力，同時導致擰緊扭矩T
α
的范圍太窄，容易造成滑牙，這不是我們想要的結果。
增大滑牙扭矩Tf
，也就是增大了滑牙扭矩T
f
和攻牙扭矩T
r
之間的差值(T
f
-T
r
)，這樣的結果是擰緊扭矩T
α
增大了，同時使得擰緊扭矩Tα在一個較大的容差范圍內。
那么，如何增大滑牙扭矩Tf呢？
滑牙緊固力公式：
滑牙扭矩公式：
由以上公式可知，增大以下因素：σt（塑膠材料的拉伸屈服應力）；Dp（螺絲中徑）；L（螺紋旋合深度）；f1（螺紋與塑膠之間的摩擦系數）；f2（螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數）；p（螺絲的螺距）；都可以增大滑牙扭矩Tf。
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