塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化研究

許文聰

塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化研究

許文聰

(廈門松霖科技股份有限公司，福建 廈門 361026)

綠色環(huán)保理念的普及使綠色環(huán)保新型塑膠材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，新型塑膠件呈現(xiàn)出了諸多的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)塑膠產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成本優(yōu)化，能夠有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用成本，進(jìn)一步拓寬塑膠產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)力，優(yōu)化產(chǎn)品的性能，提升生產(chǎn)企業(yè)的盈利能力，進(jìn)而有效促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

塑膠產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)；成本；優(yōu)化設(shè)計(jì)

塑膠產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)所包含的內(nèi)容較為廣泛。在當(dāng)前的技術(shù)水平條件下，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化兩個(gè)方面展開分析，對(duì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配連接方式設(shè)計(jì)、力學(xué)和機(jī)械性能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過(guò)程、生產(chǎn)制造過(guò)程、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了論述并提出了相應(yīng)的成本優(yōu)化策略[1]。

1　塑膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1　塑膠產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

塑膠產(chǎn)品自身具有特定的空間幾何形狀，對(duì)塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、成本、功能等均產(chǎn)生了直接的影響。通常情況下，將塑膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)為某一空間幾何形狀，是為了滿足產(chǎn)品自身特定的使用功能要求。設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)對(duì)以下兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)塑膠產(chǎn)品各部位厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，確定塑膠產(chǎn)品各部位厚度的主要依據(jù)是該部位承受的外部應(yīng)力和塑膠材料的物理性質(zhì)。在滿足塑膠產(chǎn)品強(qiáng)度要求的前提下，減小塑膠產(chǎn)品各部位的厚度，能有效節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本。通過(guò)合理設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，可有效提升塑膠產(chǎn)品的強(qiáng)度；通過(guò)改進(jìn)幾何結(jié)構(gòu)提升塑膠產(chǎn)品的強(qiáng)度，使產(chǎn)品相應(yīng)部位的厚度能夠被進(jìn)一步減小。在確定塑膠產(chǎn)品各部位厚度之前，應(yīng)對(duì)塑膠產(chǎn)品在實(shí)際工作中所受的應(yīng)力進(jìn)行分析。以受力分析為依據(jù)，對(duì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，例如：采用中空結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)等[2]，可在提升產(chǎn)品機(jī)械性能的同時(shí)，適當(dāng)減小產(chǎn)品相關(guān)部位的厚度，以達(dá)到有效降低產(chǎn)品成本的目的。在確定塑膠產(chǎn)品各部位厚度時(shí)，應(yīng)充分考慮調(diào)整厚度所產(chǎn)生的相關(guān)影響：若厚度不足，則可能使塑膠產(chǎn)品自身的強(qiáng)度無(wú)法滿足力學(xué)性能要求，導(dǎo)致無(wú)法正常使用；若壁厚過(guò)大，則會(huì)提高生產(chǎn)成本，增大制造難度。在對(duì)塑膠產(chǎn)品各部位厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使塑膠產(chǎn)品各部位的厚度均勻，避免塑膠產(chǎn)品在加工完成之后存在較大的內(nèi)應(yīng)力[3]。當(dāng)塑膠產(chǎn)品相鄰部位之間存在厚度差時(shí)，應(yīng)使厚度漸變過(guò)渡，以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

(2)塑膠產(chǎn)品中圓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在塑膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將各部位的連接處設(shè)計(jì)為倒角、圓角結(jié)構(gòu)，以避免因出現(xiàn)銳邊、尖角而導(dǎo)致應(yīng)力集中。在設(shè)計(jì)圓角的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)塑膠產(chǎn)品的幾何尺寸選擇適宜的圓角大小，以便于塑膠產(chǎn)品的后續(xù)加工，降低后續(xù)加工的技術(shù)難度，提升加工效率。

1.2　塑膠產(chǎn)品裝配連接優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品相關(guān)零件的裝配連接時(shí)，主要采用膠合連接、卡扣連接、螺釘連接等連接方式，也可將三種連接方式結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免采用連接工藝，以減少塑膠產(chǎn)品的加工工序。只有在單一零件確實(shí)無(wú)法滿足產(chǎn)品相關(guān)的功能要求時(shí)，方可考慮采用連接工藝將多個(gè)零件連接起來(lái)。各種連接方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境、操作的難易程度、制造成本等諸多因素[4]。采用膠合連接的方式，能夠使兩個(gè)部件較好的組合成一個(gè)整體，使連接部位的力學(xué)特性與被連接的兩個(gè)部件基本保持一致。在實(shí)踐中，采用膠合連接的缺點(diǎn)是操作的復(fù)雜度較高，對(duì)操作人員有著較高的專業(yè)技術(shù)要求[2]?？圻B接的優(yōu)點(diǎn)是連接效率高，但在同一產(chǎn)品中使用卡扣數(shù)量過(guò)多會(huì)提升產(chǎn)品的制造成本和故障率，降低產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。由于采用螺釘連接會(huì)改變連接部位的受力特性，對(duì)塑膠產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程之中要盡可能減少這一連接方式的應(yīng)用[5]。

1.3　塑膠產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)塑膠產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面：一是產(chǎn)品承受外力的情況；二是產(chǎn)品自身的內(nèi)應(yīng)力情況。在進(jìn)行塑膠產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)功能需要對(duì)塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在提升其外力承受能力的同時(shí)減少其內(nèi)應(yīng)力。具體的優(yōu)化策略有以下幾點(diǎn)：一是根據(jù)產(chǎn)品所受外力的特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)能夠增加塑膠件強(qiáng)度和剛性的的結(jié)構(gòu)，例如在承受較大外力的部位布置適宜的加強(qiáng)筋或者肋板；二是從整體上對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)產(chǎn)品整體的穩(wěn)定性；三是對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)，以減小內(nèi)應(yīng)力并有效提升塑膠產(chǎn)品承受外力的能力；四是合理設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)在滿足產(chǎn)品功能需求的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免塑膠產(chǎn)品的各幾何參數(shù)之間存在過(guò)大的差異[6]。

強(qiáng)度是塑膠產(chǎn)品機(jī)械特性中最主要的一個(gè)指標(biāo)。若塑膠產(chǎn)品是單一零件，則只需要對(duì)該零件的強(qiáng)度進(jìn)行分析和優(yōu)化；若塑膠產(chǎn)品由多個(gè)零部件組成，則需要在分析各零部件強(qiáng)度的基礎(chǔ)上考慮連接部位的強(qiáng)度。在塑膠產(chǎn)品中，通常單個(gè)零件的強(qiáng)度主要由零件自身的整體結(jié)構(gòu)、壁厚、內(nèi)壁結(jié)構(gòu)、材料決定。對(duì)單一零件的機(jī)械特性進(jìn)行優(yōu)化的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)適宜的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)和壁厚[1]。連接部位的強(qiáng)度則由連接方式、兩個(gè)零部件連接后的結(jié)構(gòu)形式等因素決定，其中連接方式是最為核心的因素。在設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)使用環(huán)境和產(chǎn)品功能判斷塑膠產(chǎn)品能滿足的最低強(qiáng)度要求，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壁厚確定、材料選型等一系列的設(shè)計(jì)工作，以保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠有效地滿足實(shí)際使用的要求。

2　塑膠產(chǎn)品成本優(yōu)化

塑膠產(chǎn)品的成本包括設(shè)計(jì)、制造、銷售等過(guò)程中所發(fā)生的各項(xiàng)費(fèi)用。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、生產(chǎn)制造過(guò)程并提升標(biāo)準(zhǔn)化水平，能有效實(shí)現(xiàn)塑膠產(chǎn)品的成本優(yōu)化。

2.1　設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種類型的軟件在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品的過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)引入和應(yīng)用先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑膠產(chǎn)品成本的有效優(yōu)化。例如，在設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品的過(guò)程中引入三維制圖軟件，通過(guò)利用軟件繪制塑膠產(chǎn)品的三維模型圖并根據(jù)產(chǎn)品的使用功能進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加科學(xué)合理，既能滿足產(chǎn)品使用要求又能有效控制成本；在對(duì)重要結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可利用Ansys軟件對(duì)關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行全面分析，使結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有更強(qiáng)的針對(duì)性。由于新技術(shù)的發(fā)展為塑膠產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化提供了全新的路徑選擇，因此在設(shè)計(jì)塑膠產(chǎn)品時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合實(shí)際需要，引入和應(yīng)用新技術(shù)并借助新技術(shù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑膠產(chǎn)品成本的有效優(yōu)化。

2.2　生產(chǎn)制造過(guò)程優(yōu)化

由于在生產(chǎn)塑膠產(chǎn)品的過(guò)程中使用了大量的注塑成型技術(shù)，因此塑膠產(chǎn)品的外部結(jié)構(gòu)造型受到了模具的制約。在塑膠產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中，應(yīng)加大模具的研發(fā)和投入力度，盡可能使塑膠產(chǎn)品一次成型，以有效減少塑膠產(chǎn)品的加工工序，提升加工效率，降低加工成本。

在塑膠產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中，要充分考慮塑膠材料的伸縮性。在不同的工藝流程中，塑膠材料的伸縮性存在一定的差異。為有效避免塑膠材料的伸縮性對(duì)生產(chǎn)加工帶來(lái)的不利影響，可通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)確定合理的工藝參數(shù)。

在對(duì)塑膠產(chǎn)品進(jìn)行量產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的制造裝配工藝設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，不僅要使產(chǎn)品外觀美觀、結(jié)構(gòu)可靠，還要使產(chǎn)品易裝配、可量產(chǎn)，特別要注意把實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。由于產(chǎn)品易生產(chǎn)、零件易加工、部件好組裝是體現(xiàn)成本優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)，因此在產(chǎn)品形狀、裝配方式、連接方式、制造工藝的設(shè)計(jì)以及成本控制等方面，均應(yīng)做到細(xì)致入微。

2.3　提升標(biāo)準(zhǔn)化水平

在工業(yè)生產(chǎn)中，狹義的標(biāo)準(zhǔn)化是指對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、一體化的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)裝配、維護(hù)的簡(jiǎn)化，降低相關(guān)設(shè)備的維護(hù)難度和成本。對(duì)于塑膠企業(yè)而言，標(biāo)準(zhǔn)化則是指在企業(yè)內(nèi)部就塑膠產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)形成了一套完善、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)流程，并能夠?qū)崿F(xiàn)以最低的成本、最高的效率設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出指定的符合要求的塑膠產(chǎn)品。企業(yè)提升標(biāo)準(zhǔn)化水平的關(guān)鍵，一是在于明確分工，依據(jù)自身的生產(chǎn)實(shí)際情況將塑膠產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效劃分；二是在于遵循統(tǒng)一原則，即在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中遵循的原則應(yīng)一致；三是統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)統(tǒng)一制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使各種塑膠零部件的生產(chǎn)具有相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品中的部分結(jié)構(gòu)或部分零部件能夠?qū)崿F(xiàn)通用，避免同類產(chǎn)品的重復(fù)開發(fā)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

3　結(jié)語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化兩個(gè)方面，對(duì)優(yōu)化塑膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析和論述，并提出了相應(yīng)對(duì)策與建議。通過(guò)對(duì)塑膠產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)、連接方式、力學(xué)性能等設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效降低塑膠產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)新技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，能夠有效控制塑膠產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和制造成本；通過(guò)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)和優(yōu)化塑膠產(chǎn)品的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效控制加工成本和裝配成本；通過(guò)提升塑膠產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，能夠提高產(chǎn)品的通用性和互換性，降低塑膠產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用成本。

[1] 翁南根.基于CAD/CAE技術(shù)輔助的塑膠產(chǎn)品模具優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].南方農(nóng)機(jī),2020,51(8):145.

[2] 林華釗.汽車密封殼體精密雙色注塑模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2017.

[3] 謝夢(mèng)瑤.白色家用電器產(chǎn)品中的CMF設(shè)計(jì)方法研究[D].青島:青島大學(xué),2020.

[4] 黃玉娥.小模數(shù)塑膠傳動(dòng)齒輪箱的降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2020.

[5] 孫康康.YT塑膠玩具公司商業(yè)模式優(yōu)化研究[D].合肥:安徽財(cái)經(jīng)大學(xué),2019.

[6] 劉森林.基于CAD/CAE技術(shù)輔助塑膠產(chǎn)品模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2019,46(4):109-110.

Research on structure design and cost optimization of plastic products

XU Wencong

(Xiamen Songlin Technology Co., LTD, Xiamen, Fujian 361026, China)

The popularization of the concept of green environmental protection makes the application of green environmental protection new plastic materials more and more widespread. In the process of practical application, the new plastic parts have shown many advantages. The structural design and cost optimization of plastic products can effectively reduce the production and use cost of products. By broadening the application fields of plastic products, improving the competitiveness of the products themselves, and optimizing the performance of the products, the profitability of production enterprises can be improved. This research can effectively promote the development of the entire industry.

plastic products; structure; cost; optimization design

TQ315

A

2096–8736(2021)05–0049–03

許文聰(1986—)，男，福建漳浦人，大學(xué)本科，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗苣z產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍