(高等教育)產品結構設計準則--壁厚篇

產品結構設計準則-壁厚篇基本設計守則壁厚的大小取決於產品需要承受的外力、是否作為其他零件的支撐、承接柱位的數(shù)量、伸出部份的多少以及選用的塑膠材料而定。一般的熱塑性塑料壁厚設計應以4mm為限。從經濟角度來看，過厚的產品不但增加物料成本，延長生產周期”冷卻時間，增加生產成本。從產品設計角度來看，過厚的產品增加引致產生空穴”氣孔的可能性，大大削弱產品的剛性及強度。最理想的壁厚分布無疑是切面在任何一個地方都是均一的厚度，但為滿足功能上的需求以致壁厚有所改變總是無可避免的。在此情形，由厚膠料的地方過渡到薄膠料的地方應盡可能順滑。太突然的壁厚過渡轉變會導致因冷卻速度不同和產生亂流而造成尺寸不穩(wěn)定和表面問題。對一般熱塑性塑料來說，當收縮率”Shrinkage Factor低於0.01mm/mm時，產品可容許厚度的改變達 ；但當收縮率高於0.01mm/mm時，產品壁厚的改變則不應超過 。對一般熱固性塑料來說，太薄的產品厚度往往引致操作時產品過熱，形成廢件。此外，纖維填充的熱固性塑料於過薄的位置往往形成不夠填充物的情況發(fā)生。不過，一些容易流動的熱固性塑料如環(huán)氧樹脂”Epoxies等，如厚薄均勻，最低的厚度可達0.25mm。此外，采用固化成型的生產方法時，流道、澆口和部件的設計應使塑料由厚膠料的地方流向薄膠料的地方。這樣使模腔內有適當?shù)膲毫σ詼p少在厚膠料的地方出現(xiàn)縮水及避免模腔不能完全充填的現(xiàn)象。若塑料的流動方向是從薄膠料的地方流向厚膠料的地方，則應采用結構性發(fā)泡的生產方法來減低模腔壓力。平面準則在大部份熱融過程操作，包括擠壓和固化成型，均一的壁厚是非常的重要的。厚膠的地方比旁邊薄膠的地方冷卻得比較慢，并且在相接的地方表面在澆口凝固後出現(xiàn)收縮痕。更甚者引致產生縮水印、熱內應力、撓曲部份歪曲、顏色不同或不同透明度。若厚膠的地方漸變成薄膠的是無可避免的話，應盡量設計成漸次的改變，并且在不超過壁厚3:1的比例下。下圖可供叁考。轉角準則壁厚均一的要訣在轉角的地方也同樣需要，以免冷卻時間不一致。冷卻時間長的地方就會有收縮現(xiàn)象，因而發(fā)生部件變形和撓曲。此外，尖銳的圓角位通常會導致部件有缺陷及應力集中，尖角的位置亦常在電鍍過程後引起不希望的物料聚積。集中應力的地方會在受負載或撞擊的時候破裂。較大的圓角提供了這種缺點的解決方法，不但減低應力集中的因素，且令流動的塑料流得更暢順和成品脫模時更容易。下圖可供叁考之用。轉角位的設計準則亦適用於懸梁式扣位。因這種扣緊方式是需要將懸梁臂彎曲嵌入，轉角位置的設計圖說明如果轉角弧位R太小時會引致其應力集中系數(shù)(Stress Concentration Factor)過大，因此，產品彎曲時容易折斷，弧位R太大的話則容易出現(xiàn)收縮紋和空洞。因此，圓弧位和壁厚是有一定的比例。一般介乎0.2至0.6之間，理想數(shù)值是在0.5左右。壁厚限制不同的塑膠物料有不同的流動性。膠位過厚的地方會有收縮現(xiàn)象，膠位過薄的地方塑料不易流過。以下是一些建議的膠料厚度可供叁考。熱塑性塑料的膠厚設計叁考表熱固性塑料的膠厚設計叁考其實大部份厚膠的設計可從使用加強筋及改變橫切面形狀取締之。除了可減省物料以致減省生產成本外，取締後的設計更可保留和原來設計相若的剛性、強度及功用。下圖的金屬齒輪如改成使用塑膠物料，更改後的設計理應如圖一般。此塑膠齒輪設計相對原來金屬的設計不但減省材料，消取因厚薄不均引致的內應力增加及齒冠部份收縮引致整體齒輪變形的情況發(fā)生。不同材料的設計要點ABSa) 壁厚壁厚是產品設計最先被考慮，一般用於注塑成型的會在1.5 mm (0.06 in) 至4.5 mm (0.18 in)。 壁厚比這范圍小的用於塑料流程短和細小部件。典型的壁厚約在2.5mm (0.1 in)左右。一般來說，部件愈大壁厚愈厚，這可增強部件強度和塑料充填。壁厚在3.8mm (0.15 in) 至6.4mm (0.25 in)范圍是可使用結構性發(fā)泡。b) 圓角建議的最小圓角半徑是膠料厚度的25%，最適當?shù)陌霃?膠料厚比例在60%。輕微的增加半徑就能明顯的減低應力。PCa) 壁厚壁厚大部份是由負載要求 內應力 幾何形狀 外型 塑料流量 可注塑性和經濟性來決定。PC的建議最大壁厚為9.5mm (0.375 in)。若要效果好，則壁厚應不過3.1mm (0.125 in)。在一些需要將壁厚增加使強度加強時，肋骨和一些補強結構可提供相同結果。PC大部份應用的最小壁厚在0.75 mm(0.03 in)左右，再薄一些的地方是要取決於部件的幾何和大小。短的塑料流程是可以達到0.3 mm (0.012 in) 壁厚。壁厚由厚的過渡到薄的地方是要盡量使其暢順。所有情況塑料是從最厚的地方進入模腔內，以避免縮水和內應力。均一的壁厚是要很重要的。不論在平面轉角位也是要達到這種要求，可減少成型後的變型問題。LCPa) 壁厚由於液晶共聚物在高剪切情況下有高流動性，所以壁厚會比其它的塑料薄。最薄可達0.4mm，一般厚度在1.5mm左右。PSa) 壁厚一般的設計膠料的厚度應不超過4mm ，太厚的話會導致延長了生產周期。因需要更長的冷卻時間，且塑料收縮時有中空的現(xiàn)象，并減低部件的物理性質。均一的壁厚在設計上是最理想的，但有需要將厚度轉變時，就要將過渡區(qū)內的應力集中除去。 如收縮率在0.01以下則壁厚的轉變可有 的變化。若收縮率在0.01以上則應只有 的改變。b) 圓角在設計上直角是要避免。直角的地方有如一個節(jié)點，會引致應力集中使抗撞擊強度降低。圓角的半徑應為壁厚的25%至75%，一般建議在50%左右。PAa) 壁厚尼龍的塑膠零件設計應采用結構所需要的最小厚度。這種厚度可使材料得到最經濟的使用。壁厚盡量能一致以消除成型後變型。若壁厚由厚過渡至薄膠料則需要采用漸次變薄的方式。b) 圓角建議圓角R值最少0.5mm (0.02 in)，此一圓角一般佳可接受，在有可能的范圍，盡量使用較大的R值。因應力集中因素數(shù)值因為R/T之比例由0.1增至0.6而減少了50% ，即由3減至1.5 。而最佳的圓角是為R/T在0.6之間。PSUa) 壁厚常用於大型和長流距的壁厚最小要在2.3mm (0.09in)。細小的部件可以最小要有0.8 mm (0.03in) 而流距應不可超過76.2 mm (3 in)PBTa) 壁厚壁厚是產品成本的一個因素。薄的壁厚要視乎每種塑料特性而定。設計之前宜先了解所使用塑料的流動長度限制來決定壁厚。負載要求時常是決定壁厚的，而其它的如內應力，部件幾何形狀，不均一化和外形等。典型的壁厚介乎在0.76mm至3.2mm (0.03至0.125i