塑胶件设计什么最关键？塑胶材料选择最关键，同时也最难

关于作者：钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。2020年即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。

导读

塑胶件已经广泛应用在日常生活工作中的每一个产品中，包括手机、笔记本电脑、汽车、冰箱和空调等。对于工程师来说，学会塑胶件的设计是一个必须具备掌握的技能。不少工程师认为，塑胶件设计的关键在于如何设计塑胶件的壁厚来满足强度要求、以及如何设计塑胶件来满足模具要求等。但是，在我看来，塑胶件材料选择才是最关键的，同时也是最难的。

1 塑胶材料选择的重要性

在设计塑胶件时，最重要的的事情莫过于选择最合适的塑胶材料了，因为塑胶材料关系到塑胶件的质量、性能、可靠性和成本等。一旦材料选择失误，很有可能造成整个产品开发的失败。

一旦塑胶材料选择失误，很有可能造成整个产品开发的失败。

这是一个N年前我中途参与的塑胶材料选择失败的案例-太阳能零部件，至今让我记忆犹新。

▲ 太阳能零部件示意图

在前几代产品中外壳使用的是PPO塑料，一直都没有出现质量问题。在新产品开发中，依然决定使用PPO塑料。但是，当模具开好后，进入到测试阶段发现，有一个模拟使用过程的测试出现了大问题：塑胶件严重变形，测试失败。

后续尝试了无数种方法：通过修改塑胶件提高强度、以及修改模具调整熔接痕位置和提高熔接痕等等，前前后后模具修改了十几次、试模了十几次、测试了十几次，均解决不了问题。

那么根本原因在哪里呢？根本原因在于塑胶材料的选择错误。

前几代产品使用PPO材料，当时产品内部的发热零件通过间接的方式固定在塑胶件外壳上，在测试的时候尽管发热会达到200度以上，但是因为离外壳比较远，不会造成外壳变形。

而当前的产品中，发热零件是通过嵌件注塑的方式直接固定在塑胶件外壳上，热量会直接传递到外壳上；而PPO塑料的热变形温度为120度左右，显然不管怎么设计优化，都无法避免外壳的变形。

那么，是不是更换为高温塑胶材料可以解决问题呢？

更换为可以承受高温的PBT材料，确实可以解决测试的外壳变形问题。但是，新问题又来了，PPO和PBT的收缩率不一样，同样一个模具，PBT加工出来的产品尺寸与原来PPO的不一样，另外更关键的一点是PBT的外壳变形很严重，产品内凹。

▲ 外壳严重变形内凹

为什么会变形内凹，请阅读：

最全面的塑胶件翘曲变形解决方案

麻烦的是变形处刚好是防水密封面，与上盖和密封圈配合完成IPX6的防水要求。再继续调整注塑工艺参数、甚至模具增加反补偿，以减小变形内凹，反反复复试了几次，均达不到防水要求。

此时，模具已经改得千疮百孔，改模费用远远超过了当初新开模具费用的。要解决使用PBT变形内凹的问题，只有重新再开一副新的模具。

而当前的市场环境也在发生变化，由于反反复复的设计修改，造成产品上市日期的一再推迟，给客户的承诺无法达到，客户转而选择竞争对手的产品。

这完完全全可以说是：塑胶件材料的选择造成了产品开发的失败，给公司带来了每年几千万人民币的收入损失。

这个项目尽管我是中途参与，参与了后续的很多设计修改，塑胶材料选择在我参与时就已经确定。但是，这个教训依然深刻的印在我的脑海中，以致于在后来的产品开发中选择塑胶材料时，我每次都小心翼翼、诚惶诚恐，不错过每一个选择细节，生怕再出现当初的错误。

2. 塑胶材料选择的困难性

塑胶材料选择的困难在于两点：第一是塑胶材料的种类和牌号太多，第二是塑胶材料的性能参数很复杂。

塑胶材料的种类和牌号太多

塑胶材料有45种，可以分为两大类：热塑性塑料和热固性塑料，而在市面上商用化的塑胶材料约有85000个牌号。

▲ 塑胶材料种类众多

不同种类的塑料，性能完全不同。而同一种塑料，不同公司的牌号，其性能也存在差异。而即使同一个公司的同一种塑料，牌号不同，其性能也不同。而塑胶材料性能上的一些微小差异就足以关系到塑胶件的质量和可靠性等。

可以想象，要从茫茫的塑胶材料海洋中，要选择一款最合适的塑胶材料选择是一件非常困难的事情。

对于塑胶件材料选择，我见过最多的情况是沿用上一代产品，上一代产品用什么那现在就用什么，不求有功，但求无过。但是，真的无过吗？上面的案例就是一个沿用上一代材料而造成产品开发失败的案例。产品结构已经发生了变化，再沿用上一代材料就已经不适用。

当然，有的工程师可能会说：只选性能最好的，不选对的；选择那些机械强度高、耐高温、耐UV和耐化学性等性能优异的塑料，只要产品在产品未来使用过程中肯定不会出现质量问题，作为工程师的任务就算完美完成了。

这样的工程师可能就严重没有成本意识了。这样会使得整个产品成本高，那么在市场竞争激烈的环境下，产品售价是由市场觉得的，企业可能无法获得应该的利润，甚至亏损。这样的产品开发，即使质量再好、可靠性再高，企业无法盈利，那也是一个失败的产品开发。

塑胶材料的性能参数很复杂

塑胶材料的性能参数包括：

物理性能

机械性能

热性能

环境性能

阻燃性

UL746

室外实用性

电性能

可以看出，塑胶材料的性能参数很多很复杂；仅仅认识这些参数的名字就不是一件容伤脑筋的事情，更何况需要清楚掌握每一个参数背后的实际意义、及其对塑胶件实际应用过程中的质量、可靠性和性能的影响。

不过，过分的是并不是所有的塑胶材料都有一个详细的性能参数表，特别是对于那些低成本小品牌的塑胶材料，甚至有些性能参数他们都没有，特别塑胶材料的一些耐化学性。例如，工程师问塑胶材料供应商：产品应用环境中会存在XX化学物质，这款塑胶件材料可以使用吗？那得到的回答多数都是：我们没有测试过。

还有，更过分的即使是同一个性能参数还有不同的测试方法：ISO和ASTM；还有不同的单位：公制和英制。这让在对比塑胶材料性能时变得更加困难。

如何选择塑胶件材料，请关注头条号“降本设计”后续文章。

参考书籍：《面向制造和装配的产品设计指南》钟元著机械工业出版社

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