产品结构设计准则壁厚篇
黄鹂-
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产品结构设计准则
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壁厚篇
基本设计守则
壁厚的大小取决於产品
需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑胶材料而定。
一般的热塑性塑料壁厚设计应以
4mm
为限。
从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料成本，延长生产周期”冷却时间〔，增加生产成
本。从产品设计角度来看，过厚的产品增加引致产生空穴”气孔〔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。
最理想的壁
厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。在
此情
形，由厚胶料的地方过渡到薄胶料的地方应尽可能顺滑。太突然的壁厚过渡转变会导
致因冷却速度不同和产生乱流而造成尺寸不稳定和
表面问题。
对一般热塑性塑料来说，
当收缩率”Shrinkage
Factor
〔低於
0.01mm/mm<
/p>
时，
产品可容许厚度的改变达
；
但当收缩率高於
0.01mm/mm
时，产品壁厚的改变则不应超过
。对一般热固
性塑料来说，太薄的产品厚度往往引致操作时产品过热，形成废件。此外，纤维填充的热
固性塑料於过薄的位置往往形成不够填充物的情况发生。不过，一些容易流动的热固性塑料如环氧树脂”Epox
ies〔等，如厚薄均匀，最
低的厚度可达
0.25mm
。
此外，采用固化成型的生产方法时，流道、浇口和部件的设计应使塑料由厚胶料的地方流向薄胶料的 地方。这样使模腔有适当的压
力以减少在厚胶料的地方出现缩水及避免模腔不能完全充填
的现象。若塑料的流动方向是从薄胶料的地方流向厚胶料的地方，则应采用
结构性发泡的
生产方法来减低模腔压力。
平面准则
在大部份热融过程操作，包括挤压
和固化成型，均一的壁厚是非常的重要的。厚胶的地方比旁边薄胶的地方冷却得比较慢，并
且在相接的地方表面在浇口凝固後出现收缩痕。更甚者引致产生缩水印、热应力、挠曲部份歪曲、颜色不同或不
同透明度。若厚胶的地
方渐变成薄胶的是无可避免的话，应尽量设计成渐次的改变，并且
在不超过壁厚
3:1
的比例下。下图可供叁考。
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转角准则
壁厚均一的要诀在转角的地方也同
样需要，以免冷却时间不一致。冷却时间长的地方就会有收缩现象，因而发生部件变形和挠曲。
< br>此外，尖锐的圆角位通常会导致部件有缺陷及应力集中，尖角的位置亦常在电镀过程後引起不希望的物料聚 积。集中应力的地方会在受
负载或撞击的时候破裂。较大的圆角提供了这种缺点的解决方
法，不但减低应力集中的因素，且令流动的塑料流得更畅顺和成品脱模时
更容易。下图可
供叁考之用。
转角位的设计准则亦适用於悬梁式扣位。因这种扣紧方式是需
要将悬梁臂弯曲嵌入，转角位置的设计图说明如果转角弧位
R
太
小时
会引致其应力集中系数
(Stress
Concentration Factor)
过大，因此，产品弯曲时容易折断，弧位
R
太大的话则容易出现收缩纹和空洞。
因此，圆弧位和壁厚是有一定的比例。一般介乎
0.2
至
0.6
之间，理想数值是在
0.5
左右。
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壁厚限制
不同的塑胶物料有不同的流动性。胶位过厚的地方会有收缩现象，胶位过薄的地方塑料不
易流过。以下是一些建议的胶料厚度可供
叁考。
热塑性塑料的胶厚设计叁考表
热固性塑料的胶厚设计叁考
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其实大
部份厚胶的设计可从使用加强筋及改变横切面形状取缔之。除了可减省物料以致减省生产成本外，取缔後的设计更
可保留和
原来设计相若的刚性、强度及功用。下图的金属齿轮如改成使用塑胶物料，更改
後的设计理应如图一般。此塑胶齿轮设计相对原来金属
的设计不但减省材料，消取因厚薄
不均引致的应力增加及齿冠部份收缩引致整体齿轮变形的情况发生。
不同材料的设计要点
ABS
a)
壁厚
壁厚是产品设计最先被考虑，一般用於注塑成型的会在
1.5
mm (0.06 in)
至
4.5 mm (0.18
in)
。
壁厚比这围小的用於塑料流
程短
和细小部件。典型的壁厚约在
2.5mm
(0.1
in)
左右。一般来说，部
件愈大壁厚愈厚，这可增强部件强度和塑料充填。壁厚在
3.8mm
(0.15
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in)
至
6.4mm (0.25
in)
围是可使用结构性发泡。
b)
圆角
建议的最小圆角半径是胶料厚度的
25%
，最适当的半径
胶料厚比例在
60%
。轻微的增加半径就能明显的减低应力。
PC
a)
壁厚
壁厚大部份是由负载要求
应力
几何形状
外型
塑料流量
可注塑性和经济性来决定。
PC
的建议最大壁厚为
9.5mm
(0.375
in)
。若要效果好，则壁厚应不过
3.1mm (0.125 in)
。在一些需要将壁厚增加使强度加强时，肋骨和一些补强结构可提供相同结果。
PC
大部份应用的最小壁厚在
0.75
mm(0.03
in)
左右，
再薄一些的地方是要取决於部件的几何和大小。
短的塑料流程是可以达
到
0.3
mm
(0.012
in)
壁厚。
壁厚由厚的过渡到薄的地方是要尽
量使其畅顺。所有情况塑料是从最厚的地方进入模腔，以避免缩水和应力。
均一的壁厚是要很重要的。不论在
平面转角位也是要达到这种要求，可减少成型後的变型问题。
LCP
a)
壁厚
由於液晶共聚物在高剪切情况下有高流动性，所以壁厚会比其
它的塑料薄。最薄可达
0.4mm
，一般厚度在
1.5mm
左右。
PS
a)
壁厚
一般的设计胶料的厚度应不超过
4mm
，太厚的话会导致延长了生产周期。因需要更长的冷却时间，且塑料收缩时有中空的现象，并
< br>减低部件的物理性质。均一的壁厚在设计上是最理想的，但有需要将厚度转变时，就要将过渡区的应力集中 除去。
如收缩率在
0.01
以
下则壁厚的转变可有
的变化。若收缩率在
0.01
以上则应只有
< br>
的改变。
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b)
圆角
<
/p>
在设计上直角是要避免。
直角的地方有如一个节点，
会引致应力集中使抗撞击强度降低。
圆角的半径应为壁厚的
< br>25%
至
75%
，
一般建
议在
50%
左右。<
/p>
PA
a)
壁厚
尼龙的塑胶零件设计应采用结构所需要的最小厚度。这种厚度
可使材料得到最经济的使用。壁厚尽量能一致以消除成型後变型。若
壁厚由厚过渡至薄胶
料则需要采用渐次变薄的方式。
b)
圆角
建议圆角
R
值最少
0.5mm
(0.02
in
)
，此一圆角一般佳可接受，在有可能的围，尽量使用较大的
R
值。因应力集中因素数值因为
R/T
之
比例由
0.1
增至
0.6
而减少了
50%
，即由
3
减至
1.5
。而最佳的圆角是为
R/T
在
0.6
之
间。
PSU
a)
壁厚
常用於大型和长流距的壁厚最小要在
2.3mm
(0.09in)
。
细小的部件可以最小要有
0.8
mm
(0.03in)
而流距应不可超过
76.2
mm
(3
in)
PBT
a)
壁厚
<
/p>
壁厚是产品成本的一个因素。
薄的壁厚要视乎每种塑料特性而定。
设计之前宜先了解所使用塑料的流动长度限制
来决定壁厚。负载
要求时常是决定壁厚的，而其它的如应力，部件几何形状，不均一化和外形等。典型的壁厚介乎在
0.76mm
至
3.2mm
(0.03
至
0.125in)
。
壁厚要求均一，若有厚薄胶料的地方，以比例
3:1
的锥巴渐次由厚的地方过渡
至薄的地方。
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b)
圆角
<
/p>
转角出现尖角所导致部件的破坏最常见的现象，
增加圆角是加强塑
胶部件结构的方法之一。
若将应力减少
5%
< br>(
由
3
减至
1.5)
则圆角与壁厚的比例由
0.1
< br>增加至
0.6
。而
0.6
是建议的最理想表现。
< br>产品结构设计准则
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出模角篇
基本设计守则
塑胶产品在设计上通常
会为了能够轻易的使产品由模具脱离出来而需要在边缘的侧和外侧各设有一个倾斜角”出模角〔。若然产品
附有垂直外壁并且与开模方向相同的话，则模具在塑料成型後需要很大的开模力才能打开，而且
，在模具开启後，产品脱离模具的过程
亦相信十分困难。要是该产品在产品设计的过程上
已预留出模角及所有接触产品的模具零件在加工过程当中经过高度抛光的话，脱模就
变成
轻而易举的事情。因此，出模角的考虑在产品设计的过程是不可或缺的
因注塑件冷却收缩後多附在凸模上
，为了使产品壁厚平均及防止产品在开模後附在较热的凹模上，出模角对应於凹模及凸模是应该
< br>相等的。不过，在特殊情况下若然要求产品於开模後附在凹模的话，可将相接凹模部份的出模角尽量减少， 或刻意在凹模加上适量的倒
扣位。
出模角的大小是没有一定的准则，多数是凭经验和依照产品的
深度来决定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的选择也在考虑之列。
一般来说，高度抛光
的外壁可使用
1/8
度或
1/4
度的出模角。深入或附有织纹的产品要求出模角作相应的增加，习惯上每
0.025mm
深的
织纹，便需要额外
1
度的出模角。出模角度与单边间隙和边位深度之关系表，列出出模角度与单边间隙的
关系，可作为叁考之用。此外，
当产品需要长而深的肋骨及较小的出模角时，顶针的设计
须有特别的处理，见对深而长加强筋的顶针设计图。
出模角度与单边间隙和边位深度之关系表
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不同材料的设计要点
ABS
一般应用边
0.5°至
1°就足够。有时因为抛光纹路与出模方向相同，出模角可接近至零。有纹路的侧面需每深
0.025mm
（
0.001
< br>in
）增加
1°出模角。正确的出模角可向蚀纹供应商取
得。
LCP
因为液
晶共聚物有高的模数和低的延展性，
倒扣的设计应要避免。在所有的肋骨、
壁边、支柱等凸出膠位以上的地方均要有最小
0.2-
0.5°的出模角。若壁边比较深或没有磨光表面和有蚀纹等则有需要加额外的
0.5
-
1.5°以上。
PBT
若部件表面光洁度好，需要
1/2°最小的脱模角。经蚀纹处理过的
表面，每增加
0.03mm
（
0.00
1
in
）深度就需要加大
1°脱模角
。
PC
脱模角是在部件的任何一边或凸起
的地方要有的，包括上模和下模的地方。一般光华的表面
1.5°至
2°已很足够，然而有蚀纹
的表面是要求额外的脱模角，以每深
0.25mm
（
0.001
in
）增加
1°脱模角。
PET
塑胶成品的肋骨，支柱边壁、流道壁等，如其脱模角能够达到
0.5°就已经足够。
PS
0.5°的脱模角是极细的，1°的脱模角是标准方法，太小的脱模角会使部件难于脱离模腔
。无论如何，任何
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的脱模角总比无角度为佳。若部件有蚀纹的话，如皮革纹的深
度，每深
0.025mm
就多加
1°脱
模角。
产品结构设计准则
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洞孔
(Hole)
在塑胶件上开孔使其和其它部件相接合或增加产品功能上的组合是常用的
手法，洞孔的大小及位置应尽量不会对产品的强度构成影响或
增加生产的复杂性，以下是
在设计洞孔时须要考虑的几个因素。
相连洞
孔的距离或洞孔与相邻产品直边之间的距离不可少於洞孔的直径，
如孔离边位或壁边之要
点图。
与此同时，
洞孔的壁厚理
应尽量
大，否则穿孔位置容易产生断裂的情况。要是洞孔附有螺纹，设计上的要求即变得复杂，因为螺纹的位置容易形成
应力集中的地
方。从经验所得，要使螺孔边缘的应力集中系数减低至一安全的水平，螺孔
边缘与产品边缘的距离必须大於螺孔直径的三倍。
孔离边位或壁边之要点
穿孔
从装配的角度来看，
穿孔的应用远较盲孔为多，
而且较盲孔容易生产。
从
模具设计的角度来看，
穿孔的设计在结构上亦较为优胜，
因为用
来穿孔成型的边钉的两端均可受到支撑。穿孔的做法可以是靠单一边钉两端同时固定在模具上、或两枝边钉相接而
各有一端固定
在模具上。一般来说，第一种方法被认为是较好的；应用第二种方法时，两
条边钉的直径应稍有不同以避免因为两条边钉轴心稍有偏差
而引致产品出现倒扣的情况，
而且相接的两个端面必须磨平。
盲孔
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盲孔是靠模具上的哥针形成，
而哥针的设计只能单边支撑在模具上，
因此很容易被溶融的塑料使其弯曲变形，
形成盲孔出现椭圆
的形状，所以哥针的长度不能过长。一般来说，盲孔的深度只限於直径的两倍。要是盲孔的直
径只有或於
1.5mm
，盲孔的深度更不应大
< br>於直径的尺寸。
盲孔的设计要点
钻孔
大部份情况下，
< br>额外的钻孔工序应尽量被免，
应尽量考虑设计孔穴可单从模具一次成型，
减低生产成本。但当需要成型的孔穴是
长而窄时”即孔穴的长度比深度为
大〔，因更换折断或弯曲的哥针构成的额外成本可能较辅助的後钻孔工序为高，此时，应考虑加上後
钻孔工序。钻孔工序应配合使用钻孔夹具加快生产及提高品质，亦可减少因断钻咀或经常番磨钻咀的额
外成本及时间；另一做法是在塑
胶成品上加上细而浅的定位孔以代替使用钻孔夹具。
侧孔
侧孔往
往增加模具设计上的困难，
特别是当侧孔的方向与开模的方向成一直角时，
因为侧孔容易形成塑胶产品上的倒扣部份。
一
般的方
法是使用角针”Angle Pin〔及活动侧模”Split Mould〔，或使用油压抽哥。留意哥针在胶
料填充时会否受压变形或折断，此情
况常见於长而直径小的哥针上。因模具的结构较为复
杂，模具的制造成本比教高，此外，生产时间亦因模具必须抽走哥针才可脱模而相
应增加
。
其他设计考虑
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有关孔穴在产品设计上的考虑，尚有下列各点：
1.
多级”多个不同直径但相连的孔〔的孔可容许的深度比单一直径的孔长；此外，将模具件
部份孔位偷空，亦可将孔的深度缩
短，下图说明这两种方法的应用。
多级孔或将穿孔偷空的应用方法
2.
侧孔若使用角针、活动侧模或油压抽哥必会使模具的结构复杂及增加成本，此问题可从增加侧孔壁位的角度，或以
两级的孔
取代原来的侧孔得以消除侧孔引致的倒扣，消除侧孔倒扣的方法图说明这两种方
法的应用。
消除侧孔倒扣的方法
3.
洞孔的边缘应预留最少
0.4mm
的直身位，设计一个完整的倒
角或圆角於孔边在经济上或实践上都是不设实际的，可叁考洞孔
边缘的设计图。
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产品结构设计准则
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公差
( Tolerance )
基本设计守则
大部份的塑胶产品可以达到高精密配合的尺寸公差，而一些收
缩率高及一些软性材料则比较难於控制。因此在产品设计过程时是要
考虑到产品的使用环
境，塑胶材料，产品形状等来设定公差的严紧度。除着顾客的要求愈来愈高，以往的可以配合起来的观念慢慢的要
修正过来。配合、精密和美观是要同时的能在产品上发挥出来。
公差的精密度高，产品质素相对提
高，但随之而来的是增加了成本和因达到要求而花更多的时间。故此公差的设定可以跟随不同塑
< br>料来作一标准，以下是几种由塑料供应商提供的塑料公差设计要点。而设计的容许公差围是可在美国
SPI
规格找得到。
不同材料的设计要点
LCP
液晶共聚物成品容许公差随着设计的复杂程度和壁厚而定。薄壁的部份经常可以在液晶共
聚物的产品上可找得到。而且液晶共聚物
容许公差可是极小容许公差的
< br>50%
。
LCP
液晶高分子设计容许公差的指南
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PET
宝特龙
(PET)
的设计公差准则
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POM
精密公差的标准叁考表
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产品结构设计准则
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加强筋篇
基本设计守则
加强筋在塑胶部件上是不可或缺的
功能部份。加强筋有效地如『工』字铁般增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，
< br>但没有如『工』字铁般出现倒扣难於成型的形状问题，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适 用。此外，加强筋更可充当
部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大
的作用。
加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位
置亦受制於一些生
产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长
度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以
局部增加产品某部份的刚
性。要是加强筋没有接上产品外壁的话，末端部份亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而
减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。<
/p>
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加强筋一般的设计
加强筋最简单的形状是一条长方形的柱体附在产品的表面上，
不过为了满足一些生产上或结构上的考虑，加强筋的形状及尺寸须要
改变成如以下的图一
般。
长方形的加强筋必须改变形状使生产更容易
加强筋的两边必须加上出模角以减
低脱模顶出时的摩擦力，底部相接产品的位置必须加上圆角以消除应力集过份中的现象，圆角的
< br>设计亦给与流道渐变的形状使模腔充填更为流畅。此外，底部的宽度须较相连外壁的厚度为小，产品厚度与 加强筋尺寸的关系图
a
说明
这个要求。
图中加强筋尺寸的设计虽然已按合理的比例，
但当从加强筋底部
与外壁相连的位置作一圆圈
R1
时，
图
中可见此部份相对外壁
的厚度增加大约
50%
< br>，因此，此部份出现缩水纹的机会相当大。如果将加强筋底部的宽度相对产品厚度减少一半
(
产品厚度与加强筋尺寸
的关系图
b)
，相对位置厚度的增幅即减至大约
20%
，缩水纹出现的机会亦大为减少。由此引伸出使用两条或多条矮的加强筋比使用单一
< br>条高的加强筋较为优胜，但当使用多条加强筋时，加强筋之间的距离必须较相接外壁的厚度大。加强筋的形 状一般是细而长，加强筋一
般的设计图说明设计加强筋的基本原则。
留意过厚的加强筋设计容易产生缩水纹、空穴、
变形挠曲及夹水纹等问题，
亦会加长生产周期，
增加生产成本。
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