塑膠產品設計開發超入門:6 個觀念提高生產良率

要打造成功的塑膠產品,主要的關鍵來自於好的產品設計。然而,在把「設計構想」轉化成可量產的過程中,必須先對塑膠生產的製程有基本的概念,如此一來,設計者便可以在產品的開發過程中,事先技巧性地簡化日後量產的難度,並大幅提高量產時的良率。

以下就列出塑膠產品開發前,開發者不得不知的六項塑膠基礎觀念。

一、材質特性

塑膠原料的種類相當多,設計者在產品設計初期,在決定產品的功能及需求後,就要先決定使用何種塑膠材料。決定好塑膠材質,再進行圖面繪製,這個順序真的很重要。較為妥當的設計流程應該是:

  1. 確認產品的功能
  2. 確認外觀的造型
  3. 決定塑膠材質
  4. 圖面繪製
  5. 模具開發
  6. 產品量產

由於某些塑膠材質間的物性差異很大,事後才決定材質,會很容易造成設計圖面有很多的矛盾與不可行的設計缺失。換句話說,相同的產品設計,搭配不同塑膠材質,所繪製出來的圖面是不一樣的,製作出來的模具也會有所差異。

廠商大多是依照圖面製造模具,如果設計者與廠商事前沒有充分的溝通,就會在產品量產時才發現問題,但為時已晚。

二、塑膠收縮率

先決定好塑膠材質的主要原因之一,是因為塑膠本身會有「收縮現象」,不同的塑膠材料,其收縮率也不同。而塑膠模具會根據該材料的收縮率來製作,假使日後要更換塑膠材質,但其收縮率的差異過大時,塑膠模具可能因為無法修改而必須報廢。

塑膠收縮率如下圖:可看見結晶性材料與非結晶性材料有很大的差異。

如果模具是以 ABS 的收縮率進行開模,後期要更換成 POM 材質,是不太可行的事。收縮率越大,射出成型時在尺寸控制上的難度就越高。因此業界也常有人選擇在原料中加入添加物,藉此讓純塑膠原料的收縮率降低。從圖表來看,當原料中加入30%的玻纖時,結晶性材料的收縮率便可以大幅降低。

三、肉厚設計

產品的肉厚可以分為「主結構的肉厚」及「補強肋的肉厚」,在進行產品的肉厚設計時,需注意三個重點:

  1. 避免競流效應

產生競流效應的主因就是肉厚不均,所以在進行產品設計時,要盡可能做到「肉厚均勻」。當成品的肉厚不均時,塑料會往容易流動的地方跑,所以肉厚處會跑比較快,而肉薄處便容易出現包封現象。

  1. 短射與真空泡

短射即在相當的壓力與注射量下,塑料未將模具填滿而產生不完整的塑件。真空泡則是塑件中有空隙,變成圓形或拉長的氣泡形式。

造成成品短射與真空泡的可能原因很多,但設計者可控的絕對因素在於肉厚的厚薄度。肉厚太薄容易短射,肉厚太厚容易有真空泡,常見合適的肉厚大約在 1.5 到 4.0 mm 之間,當肉厚小於 1.5 mm 甚至小於 1.0 mm,就必須請工廠協助,精算 L/T 比及機台的射出能力以評估是否可以順利成形。

(L/T ⽐即流動⽐,⾃澆⼝到填充末端最⻑的距離除以塑件平均厚度即可算出。當流動⽐⼤於150,則原料需要有較好的流動性。而常被拿來製作產品的 PP 材質,可適用於 L/T ⽐為160-280的產品設計。)

  1. 表面縮水痕

表面縮水痕來自於「成品肉厚」與「補強肋肉厚」的收縮方向不一致,導致兩者相互拉扯塑膠原料,讓成品表面產生輕微的凹痕。如果要避免產生縮水痕,補強肋的肉厚不能太厚,要盡可能小於成品肉厚的 1/2,如果超過,補強肋的收縮拉力容易影響到成品的外觀表面。

四、表面粗糙度

塑膠產品的粗糙度來自於模具表面的轉寫,而常見的模具表面的加工方式有「拋光」、「放電咬花」、「藥水咬花」以及「雷射咬花」。

凡是在產品上會被直接看到或接觸到的面都要定義它的粗糙度,如果是高光亮面的透明產品,就需要指定模面的拋光程度為 #3000番,模面便會如鏡子般平整;如果產品會長時間接觸桌面需要耐磨耐刮,則該面就適合用咬花面。越是粗糙的咬花面在產生細微刮痕時,越不容易被看出來。

五、拔模角度

成品在設計時都需要設計「拔模角」,角度越大就越容易脫模。若沒有拔模角,會容易在脫模時造成外觀拉痕,甚至無法脫模。而模具的粗糙面本身也是凹凸不平,當塑膠往內充填時,會造成細微的脱模倒鉤,為了解決倒鉤問題,也會需要一個角度讓倒鉤狀況消除。

針對模具粗糙面,業界常見的咬花規範是「MT咬花板」,以下是不同咬花的「深度」以及建議的「拔模角度」。當咬花越粗、深度越深,則拔模角度就該適當地加大。

六、公差設定

一個好的設計,在進行圖面繪製時,就需要具備基本的公差概念,尤其是有組裝需求的產品,更需要特別注意。

舉個簡單的範例,上蓋與下蓋在生產後需要組裝,如果 3D 圖上兩者的尺寸都是100mm,在量產後實際組裝時,就會發現有組裝干涉的問題。因為 3D 圖上的尺寸是絕對值,但實際量產的尺寸是範圍值,所以不太可能與 3D 圖的預設值完全一模一樣。

合理的公差設定是當圖面尺寸越大,應該要給予較大的容許公差,且只能等量放大與縮小。舉例來說,下圖1就是一個合理的公差設定,根據不同的大小尺寸,給與合適的公差範圍。

圖2就是一個比較不合理的設定,尺寸越大的地方,尺寸會越難控制,應該要給予較大的容許公差。

圖3的公差設定有矛盾,由於模具是根據「3D圖」及「收縮率」來進行加工,而塑膠射出的尺寸只能等量放大或縮小,當同一個零件的公差,同時出現正偏公差與負偏公差,是無法在射出成形過程中被控制的,僅能在模具上預先修正,但後續的爭議會比較多,最好的建議是回頭修改 3D 圖的原始尺寸。

最後,提供幾個簡易的設計範例,幫助各位能更加理解上述的觀念。
範例1:肉厚均勻時,可以防止外觀收縮下陷。

範例2:成品在拔模時,需要順著脫模方向拔模,因此,要盡可能給足拔模角。此外,也要留意「逆拔模」的狀況,以避免開模後才發現問題。

資料來源:Plastic 塑膠酷知識史迪克 龍成塑膠(本文經授權使用,僅編輯轉載,相關著作權為龍成塑膠所屬)

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對「塑膠產品設計開發超入門:6 個觀念提高生產良率」的一則回應

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  1. 問個專業問題…
    「當原料中加入30%的玻纖…..」 這會不會影響塑膠回收?

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