塑膠產品的結構設計和成本優化研究

許文聰

塑膠產品的結構設計和成本優化研究

許文聰

(廈門松霖科技股份有限公司，福建 廈門 361026)

綠色環保理念的普及使綠色環保新型塑膠材料的應用越來越廣泛。在實際應用的過程中，新型塑膠件呈現出了諸多的優點。對塑膠產品進行結構設計、成本優化，能夠有效降低產品的生產和使用成本，進一步拓寬塑膠產品的應用領域，提高產品自身的競爭力，優化產品的性能，提升生產企業的盈利能力，進而有效促進整個行業的發展。

塑膠產品；結構；成本；優化設計

塑膠產品優化設計所包含的內容較為廣泛。在當前的技術水平條件下，從結構設計和成本優化兩個方面展開分析，對塑膠產品的幾何結構設計、裝配連接方式設計、力學和機械性能設計、設計過程、生產制造過程、生產標準化進行了論述并提出了相應的成本優化策略[1]。

1　塑膠產品結構優化設計

1.1　塑膠產品幾何結構優化設計

塑膠產品自身具有特定的空間幾何形狀，對塑膠產品的結構、成本、功能等均產生了直接的影響。通常情況下，將塑膠產品設計為某一空間幾何形狀，是為了滿足產品自身特定的使用功能要求。設計塑膠產品的幾何結構，主要應對以下兩個參數進行優化。

(1)塑膠產品各部位厚度的優化設計。在設計過程中，確定塑膠產品各部位厚度的主要依據是該部位承受的外部應力和塑膠材料的物理性質。在滿足塑膠產品強度要求的前提下，減小塑膠產品各部位的厚度，能有效節約原材料，降低生產成本。通過合理設計塑膠產品的幾何結構，可有效提升塑膠產品的強度；通過改進幾何結構提升塑膠產品的強度，使產品相應部位的厚度能夠被進一步減小。在確定塑膠產品各部位厚度之前，應對塑膠產品在實際工作中所受的應力進行分析。以受力分析為依據，對塑膠產品的幾何結構進行合理設計，例如：采用中空結構、蜂窩狀結構等[2]，可在提升產品機械性能的同時，適當減小產品相關部位的厚度，以達到有效降低產品成本的目的。在確定塑膠產品各部位厚度時，應充分考慮調整厚度所產生的相關影響：若厚度不足，則可能使塑膠產品自身的強度無法滿足力學性能要求，導致無法正常使用；若壁厚過大，則會提高生產成本，增大制造難度。在對塑膠產品各部位厚度進行優化設計時，應盡量使塑膠產品各部位的厚度均勻，避免塑膠產品在加工完成之后存在較大的內應力[3]。當塑膠產品相鄰部位之間存在厚度差時，應使厚度漸變過渡，以避免出現應力集中。

(2)塑膠產品中圓角的優化設計。在塑膠產品設計過程中，應將各部位的連接處設計為倒角、圓角結構，以避免因出現銳邊、尖角而導致應力集中。在設計圓角的過程中，應根據塑膠產品的幾何尺寸選擇適宜的圓角大小，以便于塑膠產品的后續加工，降低后續加工的技術難度，提升加工效率。

1.2　塑膠產品裝配連接優化設計

在設計塑膠產品相關零件的裝配連接時，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合起來應用。在設計時應盡可能避免采用連接工藝，以減少塑膠產品的加工工序。只有在單一零件確實無法滿足產品相關的功能要求時，方可考慮采用連接工藝將多個零件連接起來。各種連接方式各有優缺點，在實際應用時應綜合考慮產品的使用環境、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，能夠使兩個部件較好的組合成一個整體，使連接部位的力學特性與被連接的兩個部件基本保持一致。在實踐中，采用膠合連接的缺點是操作的復雜度較高，對操作人員有著較高的專業技術要求[2]?？圻B接的優點是連接效率高，但在同一產品中使用卡扣數量過多會提升產品的制造成本和故障率，降低產品的使用壽命和可靠性。由于采用螺釘連接會改變連接部位的受力特性，對塑膠產品整體結構造成一定的破壞，因此在實際的設計過程之中要盡可能減少這一連接方式的應用[5]。

1.3　塑膠產品力學性能優化設計

針對塑膠產品的力學性能進行優化設計，主要應考慮兩個方面：一是產品承受外力的情況；二是產品自身的內應力情況。在進行塑膠產品力學性能優化設計時，應根據功能需要對塑膠產品的結構進行優化，在提升其外力承受能力的同時減少其內應力。具體的優化策略有以下幾點：一是根據產品所受外力的特點合理設計能夠增加塑膠件強度和剛性的的結構，例如在承受較大外力的部位布置適宜的加強筋或者肋板；二是從整體上對各個結構進行優化設計，增強產品整體的穩定性；三是對內部結構進行優化，用新的內部結構取代傳統的實心結構，以減小內應力并有效提升塑膠產品承受外力的能力；四是合理設計塑膠產品的幾何結構，應在滿足產品功能需求的基礎上盡可能簡化產品的幾何結構，且在設計過程中應避免塑膠產品的各幾何參數之間存在過大的差異[6]。

強度是塑膠產品機械特性中最主要的一個指標。若塑膠產品是單一零件，則只需要對該零件的強度進行分析和優化；若塑膠產品由多個零部件組成，則需要在分析各零部件強度的基礎上考慮連接部位的強度。在塑膠產品中，通常單個零件的強度主要由零件自身的整體結構、壁厚、內壁結構、材料決定。對單一零件的機械特性進行優化的關鍵是合理設計適宜的內壁結構和壁厚[1]。連接部位的強度則由連接方式、兩個零部件連接后的結構形式等因素決定，其中連接方式是最為核心的因素。在設計塑膠產品時，應首先根據使用環境和產品功能判斷塑膠產品能滿足的最低強度要求，再以此為基礎進行塑膠產品的結構設計、壁厚確定、材料選型等一系列的設計工作，以保證設計的產品能夠有效地滿足實際使用的要求。

2　塑膠產品成本優化

塑膠產品的成本包括設計、制造、銷售等過程中所發生的各項費用。通過優化設計過程、生產制造過程并提升標準化水平，能有效實現塑膠產品的成本優化。

2.1　設計過程優化

隨著計算機技術、軟件技術和互聯網技術的快速發展，各種類型的軟件在工業設計中得到了廣泛應用。在設計塑膠產品的過程中，應通過引入和應用先進的軟件設計技術，實現對塑膠產品成本的有效優化。例如，在設計塑膠產品的過程中引入三維制圖軟件，通過利用軟件繪制塑膠產品的三維模型圖并根據產品的使用功能進行仿真模擬試驗，使設計的產品更加科學合理，既能滿足產品使用要求又能有效控制成本；在對重要結構和參數進行優化設計時，可利用Ansys軟件對關鍵部位的受力情況進行全面分析，使結構的優化具有更強的針對性。由于新技術的發展為塑膠產品的結構設計和成本優化提供了全新的路徑選擇，因此在設計塑膠產品時應根據實際情況結合實際需要，引入和應用新技術并借助新技術創新結構設計，實現對塑膠產品成本的有效優化。

2.2　生產制造過程優化

由于在生產塑膠產品的過程中使用了大量的注塑成型技術，因此塑膠產品的外部結構造型受到了模具的制約。在塑膠產品的生產制造過程中，應加大模具的研發和投入力度，盡可能使塑膠產品一次成型，以有效減少塑膠產品的加工工序，提升加工效率，降低加工成本。

在塑膠產品的生產制造過程中，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生產加工帶來的不利影響，可通過生產試驗確定合理的工藝參數。

在對塑膠產品進行量產工藝設計時，需要注重產品結構的制造裝配工藝設計與創新，不僅要使產品外觀美觀、結構可靠，還要使產品易裝配、可量產，特別要注意把實現量產作為產品設計的重要目標。由于產品易生產、零件易加工、部件好組裝是體現成本優化設計水平的重要指標，因此在產品形狀、裝配方式、連接方式、制造工藝的設計以及成本控制等方面，均應做到細致入微。

2.3　提升標準化水平

在工業生產中，狹義的標準化是指對產品進行標準化、通用化、一體化的設計，以實現對后續裝配、維護的簡化，降低相關設備的維護難度和成本。對于塑膠企業而言，標準化則是指在企業內部就塑膠產品的設計與生產形成了一套完善、規范的標準流程，并能夠實現以最低的成本、最高的效率設計和生產出指定的符合要求的塑膠產品。企業提升標準化水平的關鍵，一是在于明確分工，依據自身的生產實際情況將塑膠產品的設計、生產環節進行有效劃分；二是在于遵循統一原則，即在設計、生產的各個環節中遵循的原則應一致；三是統一技術標準。應統一制定技術標準，使各種塑膠零部件的生產具有相同的技術標準，使產品中的部分結構或部分零部件能夠實現通用，避免同類產品的重復開發，降低企業生產成本，提高生產效率。

3　結語

從結構設計和成本優化兩個方面，對優化塑膠產品設計過程、生產過程的關鍵因素進行了分析和論述，并提出了相應對策與建議。通過對塑膠產品的幾何結構、連接方式、力學性能等設計進行優化，能夠有效降低塑膠產品的生產成本，提高生產效率和產品質量；通過應用計算機軟件設計新技術優化設計過程，能夠有效控制塑膠產品的設計成本和制造成本；通過改進模具結構和優化塑膠產品的工藝結構設計，能夠有效控制加工成本和裝配成本；通過提升塑膠產品生產的標準化水平，能夠提高產品的通用性和互換性，降低塑膠產品的生產成本和使用成本。

[1] 翁南根.基于CAD/CAE技術輔助的塑膠產品模具優化設計研究[J].南方農機,2020,51(8):145.

[2] 林華釗.汽車密封殼體精密雙色注塑模具的優化設計研究[D].廣州:華南理工大學,2017.

[3] 謝夢瑤.白色家用電器產品中的CMF設計方法研究[D].青島:青島大學,2020.

[4] 黃玉娥.小模數塑膠傳動齒輪箱的降噪優化設計研究[D].贛州:江西理工大學,2020.

[5] 孫康康.YT塑膠玩具公司商業模式優化研究[D].合肥:安徽財經大學,2019.

[6] 劉森林.基于CAD/CAE技術輔助塑膠產品模具優化設計[J].時代農機,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，大學本科，中級工程師，主要研究方向為塑膠產品結構設計。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍