新手不可不知:塑膠射出成型產品的 11 個基礎設計原則

將產品量產的方法有很多,如果產品是以塑膠製成時,可以使用的製程包括:

鑄造(Casting)
壓縮成形(Compression Molding)
擠型(Extrusion)
焊接(Fabrication)
發泡成型(Foaming)
射出成型(Injection Molding)
旋轉模製 (Rotational Molding)
熱壓成型(Thermoforming)

本文介紹塑膠射出成型的基本設計原則,以便日後可以節省時間與成本,希望對開發者有所幫助!

什麼是塑膠射出成型?

射出成型是將熔融塑料注射到金屬模具,以製造產品的技術。模具會拆為上下兩部分:A、B件,當塑料注入固化後將兩個部件分開、去除後,就可以得到下圖中黃色的塑膠零件。

由A、B件組成的模具剖面圖,黃色為零件(parts)

而有什麼是在射出成型時需要注意的事項?

拔模角度

模具設計時需要有拔模角度,才能讓零件從模具中順利抽出。如果沒有拔模角度,零件就會在拆模具時因為摩擦而產生阻力,甚至無法脫模。所以零件內、外部都需要設計拔模角。

綠色圖是正確的拔模角;紅色則是缺乏拔模角。

零件的模具越深的話,建議拔膜角度也要加大,基本原則是每英吋要有 1 度的拔模角,如果沒有足夠的拔模角度,會導致零件上有側面刮痕或是產生模具頂針留下的痕跡。

倒角

零件倒角具有許多功能,一來是更好脫模、二來是在塑膠射出成型時,塑料流動會更順暢,最重要的是它可以減少模具費用,且防止應力集中產生裂紋。

零件設計的倒角範例

注意事項:倒角處要保持相同肉厚。假設內部半徑為 1/2 厚度,則外部半徑就應該要為 3 倍的 1/2 厚。

紅色圖無倒角;綠色圖則為正確的倒角角度

脱模死角/倒勾

倒勾會讓模具無法順利脫模,其影響不亞於缺少脫磨角時的影響。它會因為設計而出現在任何位置,如果設計上必須設計凹、凸角,就必須透過模具設計與滑塊來配合生產。

外側的凸角可因為模具滑塊仍可以拔模,所以是可以生產的凸角。

需要注意的是模具設計與拆件上會為了解決倒勾問題而增加成本,所以應該在設計時盡量避免。

實心 VS 薄殼

塑膠在模具冷卻時會收縮,當零件是薄殼而非實心,有助於減少塑膠的收縮或變形,並且降低材料成本。薄殼方式有很多種,下面是一種維持球狀的方法:

實心設計(左)較適當的薄殼設計(右)更容易收縮和變形

縮痕

縮痕是塑膠表面的凸起或是下凹處,這些縮痕是由許多原因引起的:

  • 零件壁厚不一致(也可能導致氣泡)
  • 轉彎處的半徑差
  • 補強肋的肉厚
  • 尖角
  • 零件沒有脫殼
圖中標示出設計容易出現凹痕的地方

補強肋

紅色零件缺少支撐肋,反之綠色零件為正確示範。

補強肋的功用是讓零件有額外支撐,主要是用於以下兩種狀況:
1.零件有 90 度直角的相接處
2.零件太長、太大,導致壁厚有可能容易斷裂。
而支撐肋最好是沿著延伸的壁面做支撐,如下圖:

紅色零件為錯誤示範,綠色零件的方向才是正確的。

需要注意的是設計補強肋時,除了要考慮脫模角和主要壁厚以外,支撐肋也不能超過相連主結構的 1/3 厚度。

零件連接法

產品通常由兩個以上的零件組成,這些零件可以透過安裝凸轂、彈簧鉤、螺絲來接在一起。常見的方法是利用自攻螺絲和凸轂來鎖緊,或是對齊唇部及溝槽來接合。

上方零件利用唇部和溝槽;下方則是運用凸轂。

在設計零件接合時,要記得文章前面提到的原則,包含拔模角、薄殼零件和補強肋等等。

分模線

分模線是兩個模具相交的位置,而在零件成品上形成一條看得到、也摸得到的突起線,但如果當分模線是在成品邊緣時,它的存在感就可以降到最低。因此在設計零件時也要記得規劃分模線位置。

螺絲起子的分模線位置
剖面圖時的分模線(Part Lines)位置

頂針

頂針負責將成品零件從模具施加外力推出,但是它會在成品上留下痕跡,而且無法消除,所以設計時要審慎思考它的位置。

黃色箭頭指向的就是頂針留下的痕跡
因為灰色的頂針(Ejector pins)會施力將零件推出,因此藍色零件上就會產生圓形痕跡(Ejector pin marks)。

澆口位置和物料流動方向

除了頂針位置和分模線,澆口位置也很重要,澆口是熔融塑料進入模具時,零件腔體的地方。而零件冷卻後,澆口會留下痕跡,有些即使經過後加工處理也會有痕跡。

澆口的位置會考慮幾個因素:

  • 在成品上不明顯的位置;
  • 不會影響到其他零件的位置;
  • 物料能均勻地流過零件;
  • 或是綜合考量以上因素。
澆口的位置會有突出,所以要策略性設計。
澆口位置(Gate)如圖所示,它會將零件分開。

材料選擇和厚度考量

零件材料會根據產品功能、產品的使用環境以及設計者的偏好來選擇,有柔性、剛性、堅固和脆性,它會影響到使用者感覺、成品外觀和操作方式。不同材料會影響到設計,像是補強肋的數量、肉厚的厚薄度等。

肋狀結構有助於在不增加壁厚的情況下增強成型零件,此圖來自維基百科的示意圖。

建議肉厚

以上為塑膠射出成型時必須遵守的基本原則,也稱作 DFM (可製造設計),建議在整個產品設計過程中製作檢查表,以節省成本與時間。

本文作者為 jayconsystems,加點製造經授權同意轉載編譯,原文著作所屬 jayconsystems

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