Процесс конструирования изделий из пластмасс
Процесс конструирования изделий из пластмассы лучше всего осуществлять по методу параллельного проектирования, но тем не менее этот процесс делится на логически связанные последовательные этапы. Для наглядности рассмотрим основные этапы проектирования изделий:
Этап 1: Определение конечных требований к изделию.
Этап 2: Создание предварительного эскиза.
Этап 3: Предварительный выбор материала.
Этап 4: Конструирование изделия в соответствии со свойствами материала.
Этап 5: Окончательный выбор материала.
Этап 6: Изменение конструкции с учетом требований производства.
Этап 7: Прототипирование.
Этап 8: Конструирование и изготовление формующего инструмента.
Этап 9: Производство.
Большая часть работ, связанных с проектированием и разработкой изделий на каждом из этих этапов происходит параллельно, но для удобства мы будем рассматривать каждый из них отдельно.
Этап 1 – Определение конечных требований к изделию
Разработка изделия из пластмассы начинается с тщательного определения технических характеристик и требований, предъявляемых потребителем. Поскольку это первый этап разработки, он является самым важным, так как конструкторы и инженеры будут разрабатывать изделие на основе именно этих технических характеристик. Если заданы не все технические характеристики или они заданы неверно, изделие не будет соответствовать условиям эксплуатации. Технические характеристики — это фундамент конструкторских разработок. Очень важно, чтобы требования потребителя к изделию были бы описаны количественно, а не качественно. Такие определения, как «прочный» или «прозрачный», могут быть истолкованы слишком свободно. Намного лучше сказать, что изделие должно выдерживать удар при падении на бетонный пол с высоты одного метра при температуре окружающего воздуха -20 °С, а его прозрачность должна сохраняться на уровне более 88 % в течение 5 лет, чем просто указать, что изделие должно быть прочным и прозрачным. К сожалению, не всегда удается заранее определить и количественно выразить все требования к изделию, особенно, если существует возможность неправильной его эксплуатации. Когда пластмассовая деталь изготавливается для замены уже существующей, например, металлической, можно использовать опыт, накопленный при ее использовании, но это невозможно при разработке совершенно нового продукта. Обычно следует учитывать механические воздействия, условия окружающей среды, требования к размерам, соответствие стандартам и запросы рынка.
Предварительное рассмотрение факторов, связанных со строением и с возможным нагружением.
Виды нагрузки, их уровень, длительность пребывания в нагруженном состоянии, частота механических воздействий и т. п. следует зафиксировать в технических требованиях. Необходимо учесть, что изделие может подвергаться нагрузке в процессе сборки, транспортировки, во время хранения и в процессе эксплуатации. Разработка упаковки для защиты изделия в процессе транспортировки и хранения обычно происходят параллельно с конструированием самого изделия. Конструкторы изделий должны предусмотреть различные случаи – от средних значений нагрузок до самых неблагоприятных условий. Возможно, к наиболее трудным решениям относятся те, которые должны соблюсти баланс между надежностью в случае наиболее неблагоприятного сценария и статически средними нагрузками, причем с учетом последствий и потерь в случае аварий. Изделия, сконструированные с полной гарантией, что они не выйдут из строя в случае их непрерывного использования, по всей вероятности, будут очень дорогими; хотя те, которые разработаны без учета ошибок при эксплуатации, могут потребовать высоких затрат на обслуживание. Конструктор должен уделить значительную часть своего внимания надежности, особенно, когда выход изделия из строя может угрожать здоровью и жизни человека.
Предварительный учет факторов, связанных с воздействиями окружающей среды
Поскольку пластмасса очень чувствительна к условиям окружающей среды, важно определить все те условия, в которых будет находиться изделие в процессе эксплуатации: диапазон температур, относительную влажность, химическую агрессивность окружающей среды. Следует учитывать и те условия окружающей среды, которые присутствуют в процессе сборки и хранения. Высокие температуры при эксплуатации изделия могут стать причиной возникновения проблем, связанных с ползучестью и окислением, а низкие температуры могут привести к снижению противоударных свойств. Все требования к используемым реактивам (даже к очистителям бытового назначения и т. п.) должны быть четко определены вместе с возможным воздействием ультрафиолетового облучения (например, при использовании вне помещений). Проблема состоит в том, чтобы точно определить границы наиболее вероятных ошибок при эксплуатации.
Требования к размерам
Соблюдение размеров деталей из пластмасс имеет особенно большое значение, когда они используются в качестве компонентов при сборке изделия. Критические размеры, качество обработки поверхности, плоскостность и аналогичные им параметры должны быть указаны вместе с реальными значениями допусков.
Следует учитывать, что стоимость изготовления оснастки и затраты на производство пресс-форм во многом зависят от требований к допускам на размеры.
Соответствие техническим условиям/стандартам
Изделия из пластмассы могут использоваться в условиях, параметры которых строго регулируются. За качеством в этом случае следят специальные организации, которые могут быть созданы как торгово-промышленными ассоциациями, так и государством. Стандартами определяются совершенно разные параметры готового изделия: от свойств материала (марка, горючесть и т.п.) до размеров (фитинги, фиксаторы и т.п.) и эксплуатационных характеристик (например, способность ослаблять электромагнитное излучение). Прототипы изделий часто проходят испытания в соответствующей организации по стандартизации.
Ограничения, накладываемые требованиями рынка (маркетинг)
Существуют также требования, которые формируются потребностями рынка, а также возможностями производства. Все они должны быть сформулированы на начальном этапе разработки изделия. Должны быть указаны и такие параметры, как предполагаемое количество производимых изделий, срок службы (срок замены) и максимальная стоимость изделия. Получив всю информацию, команда разработчиков изделия должна создать конструкцию, которая бы обладала наилучшим соотношением цена/качество. К другим требованиям, которые диктует рынок, относятся эстетические: цвет, размер или форма. Они также должны быть четко определены, причем желательно в количественной форме. Для этой цели может быть полезным изготовление промежуточные моделей (нефункциональных прототипов) в качестве средства для обмена информацией между разработчиками, так как очень трудно количественно сформулировать требования к эстетическим параметрам изделия.
Этап 2 - Создание предварительного эскиза
Как только сформулированы требования к изделию, команда разработчиков изделия может начинать работать с конструкторами изделий по разработке эскизов, отражающих начальную концепцию изделия. Обычно эти эскизы представляют собой трехмерные виртуальные изображения (3D), получаемые с помощью CAD-систем. Части изделия, которым следует уделить особое внимание, помечены. и имеют отдельные увеличенные изображения. На этом этапе проектирования следует определить, какие параметры и размеры изделия будут оставаться неизменными, а какие можно изменять. К фиксированным параметрам относятся те, которые нельзя изменить с точки зрении конструктора (например, размеры, которые определяются стандартами, и т. п.), а к переменным относятся те, которые не были определены на начальных этапах конструирования. В качестве примера рассмотрим насадки для садовых шлангов (рис. 1).
 | Рис. 1 Пластмасса очень часто используется для замены какого-либо материала. Изделие в центре по своей форме очень близко к металлическому, которое показано слева от него, а насадка из пластмассы (справа) была разработана при очень незначительном влиянии конструкции из металла |
Задачей конструктора является изготовление насадки целиком из пластмассы. Если десяти конструкторам задать одинаковые характеристики изделия и попросить их независимо друг от друга сконструировать насадки, то, вероятно, будет представлены 10 различных конструкций. Однако некоторые элементы у каждой из них будут одинаковыми. Например, внутренние размеры в области, где находится резьба для крепления садового шланга, будут одинаковыми у всех вариантов, поскольку они определяются стандартами. Но другие параметры, к которым относится общая форма изделия или способ регулировки подачи воды, могут отличаться. Один из вариантов насадки из пластмассы, который показан на рис. 1, по виду очень похож на металлический образец (слева). Вероятно конструктор этого изделия из пластмассы находился под влиянием от существующей металлической насадки. С другой стороны, следующее изделие, представленное на рис. 1, выполняет ту же основную функцию, но в ней заложены другие принципы управления струей воды. Это изделие имеет совершенно иной внешний вид.
На практике для замены изделия из металла лучше ориентироваться только на технические характеристики изделия, а не копировать существующий аналог. Как только конструктор увидел и оценил функциональные возможности металлического изделия, ему будет сложно избежать искушения просто скопировать существующую конструкцию. Слишком большое внимание к уже существующей конструкции ограничивает творческий и инновационный потенциал разработчика. Кроме того, если перед началом проектирования изучаются конкурентоспособные изделия, возникает опасность нарушения патентов.
Этап 3 - Предварительный подбор материала
Как только были определены требования, предъявляемые к изделию потребителями. конструкторы могут начать поиск марок пластмасс. пригодных для производства. Выбор материала осуществляется путем сравнения свойств подбираемых материалов с комплексом свойств конечного изделия. Поскольку существуют буквально тысячи промышленных марок материалов, найти подходящий вариант для конкретного изделия вполне возможно. На начальном этапе рекомендуется выбрать несколько потенциально пригодных вариантов (возможно от 3 до 6 марок/составов материалов).
Из-за того, что число доступных марок материалов огромно, процесс подбора материала может затянуться. При отборе рекомендуется начинать процесс выбора материалов с тех его свойств, которые не могут быть улучшены за счет конструирования. К таким свойствам относятся: коэффициент термического расширения (КТР), прозрачность, химическая стойкость и температура размягчения. Например, ПЭВП не может быть использован для производства прозрачных упаковок, поскольку он полупрозрачен или вообще светонепроницаем, а ПК не может использоваться для изготовления бензиновых канистр из-за его неустойчивости к гидрокарбонатам.
Использование для отбора материалов перечисленных выше характеристик позволяет относительно легко устранить целые группы материалов, и значительно сократить число потенциально возможных. Процесс выбора материалов можно ускорить, если для изделия не исключается возможность нанесения покрытия на поверхность. Покрытия используются для повышения химической стойкости, износостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому облучению и улучшения внешнего вида изделия. При использовании покрытия становится возможным применять материал, который в другом случае был бы совершенно непригоден для данного изделия. Армирующие добавки также могут облегчить процесс выбора материала. Они позволяют изменять некоторые свойства пластмасс путем добавления их в расплав или при составлении смесей (компаундов).
В отличие от рассмотренных выше свойств большинство механических свойств изделий из полимерных материалов могут регулироваться при конструировании. При конструировании пластмассового аналога металлической детали упругость материала играет наиболее важную роль. Одна из проблем заключается в том, что сталь обладает высокой жесткостью и устойчивостью к ударам, а жесткие пластмассы весьма хрупки (армированные стеклопластики облачают высокой жесткостью, но являются хрупкими). Во многих случаях высокие эксплуатационные характеристики достигаются у мало армированных или неармированных марок промышленных полимеров. Такие материалы менее жесткие, некоторым присуща ползучесть. Но в ряде случаев они более ударостойки, и снижение жесткости может быть скомпенсировано за счет геометрии изделия (использование ребер и других элементов).