塑胶产品的结构设计和成本优化研究

许文聪

塑胶产品的结构设计和成本优化研究

许文聪

(厦门松霖科技股份有限公司，福建 厦门 361026)

绿色环保理念的普及使绿色环保新型塑胶材料的应用越来越广泛。在实际应用的过程中，新型塑胶件呈现出了诸多的优点。对塑胶产品进行结构设计、成本优化，能够有效降低产品的生产和使用成本，进一步拓宽塑胶产品的应用领域，提高产品自身的竞争力，优化产品的性能，提升生产企业的盈利能力，进而有效促进整个行业的发展。

塑胶产品；结构；成本；优化设计

塑胶产品优化设计所包含的内容较为广泛。在当前的技术水平条件下，从结构设计和成本优化两个方面展开分析，对塑胶产品的几何结构设计、装配连接方式设计、力学和机械性能设计、设计过程、生产制造过程、生产标准化进行了论述并提出了相应的成本优化策略[1]。

1　塑胶产品结构优化设计

1.1　塑胶产品几何结构优化设计

塑胶产品自身具有特定的空间几何形状，对塑胶产品的结构、成本、功能等均产生了直接的影响。通常情况下，将塑胶产品设计为某一空间几何形状，是为了满足产品自身特定的使用功能要求。设计塑胶产品的几何结构，主要应对以下两个参数进行优化。

(1)塑胶产品各部位厚度的优化设计。在设计过程中，确定塑胶产品各部位厚度的主要依据是该部位承受的外部应力和塑胶材料的物理性质。在满足塑胶产品强度要求的前提下，减小塑胶产品各部位的厚度，能有效节约原材料，降低生产成本。通过合理设计塑胶产品的几何结构，可有效提升塑胶产品的强度；通过改进几何结构提升塑胶产品的强度，使产品相应部位的厚度能够被进一步减小。在确定塑胶产品各部位厚度之前，应对塑胶产品在实际工作中所受的应力进行分析。以受力分析为依据，对塑胶产品的几何结构进行合理设计，例如：采用中空结构、蜂窝状结构等[2]，可在提升产品机械性能的同时，适当减小产品相关部位的厚度，以达到有效降低产品成本的目的。在确定塑胶产品各部位厚度时，应充分考虑调整厚度所产生的相关影响：若厚度不足，则可能使塑胶产品自身的强度无法满足力学性能要求，导致无法正常使用；若壁厚过大，则会提高生产成本，增大制造难度。在对塑胶产品各部位厚度进行优化设计时，应尽量使塑胶产品各部位的厚度均匀，避免塑胶产品在加工完成之后存在较大的内应力[3]。当塑胶产品相邻部位之间存在厚度差时，应使厚度渐变过渡，以避免出现应力集中。

(2)塑胶产品中圆角的优化设计。在塑胶产品设计过程中，应将各部位的连接处设计为倒角、圆角结构，以避免因出现锐边、尖角而导致应力集中。在设计圆角的过程中，应根据塑胶产品的几何尺寸选择适宜的圆角大小，以便于塑胶产品的后续加工，降低后续加工的技术难度，提升加工效率。

1.2　塑胶产品装配连接优化设计

在设计塑胶产品相关零件的装配连接时，主要采用胶合连接、卡扣连接、螺钉连接等连接方式，也可将三种连接方式结合起来应用。在设计时应尽可能避免采用连接工艺，以减少塑胶产品的加工工序。只有在单一零件确实无法满足产品相关的功能要求时，方可考虑采用连接工艺将多个零件连接起来。各种连接方式各有优缺点，在实际应用时应综合考虑产品的使用环境、操作的难易程度、制造成本等诸多因素[4]。采用胶合连接的方式，能够使两个部件较好的组合成一个整体，使连接部位的力学特性与被连接的两个部件基本保持一致。在实践中，采用胶合连接的缺点是操作的复杂度较高，对操作人员有着较高的专业技术要求[2]。卡扣连接的优点是连接效率高，但在同一产品中使用卡扣数量过多会提升产品的制造成本和故障率，降低产品的使用寿命和可靠性。由于采用螺钉连接会改变连接部位的受力特性，对塑胶产品整体结构造成一定的破坏，因此在实际的设计过程之中要尽可能减少这一连接方式的应用[5]。

1.3　塑胶产品力学性能优化设计

针对塑胶产品的力学性能进行优化设计，主要应考虑两个方面：一是产品承受外力的情况；二是产品自身的内应力情况。在进行塑胶产品力学性能优化设计时，应根据功能需要对塑胶产品的结构进行优化，在提升其外力承受能力的同时减少其内应力。具体的优化策略有以下几点：一是根据产品所受外力的特点合理设计能够增加塑胶件强度和刚性的的结构，例如在承受较大外力的部位布置适宜的加强筋或者肋板；二是从整体上对各个结构进行优化设计，增强产品整体的稳定性；三是对内部结构进行优化，用新的内部结构取代传统的实心结构，以减小内应力并有效提升塑胶产品承受外力的能力；四是合理设计塑胶产品的几何结构，应在满足产品功能需求的基础上尽可能简化产品的几何结构，且在设计过程中应避免塑胶产品的各几何参数之间存在过大的差异[6]。

强度是塑胶产品机械特性中最主要的一个指标。若塑胶产品是单一零件，则只需要对该零件的强度进行分析和优化；若塑胶产品由多个零部件组成，则需要在分析各零部件强度的基础上考虑连接部位的强度。在塑胶产品中，通常单个零件的强度主要由零件自身的整体结构、壁厚、内壁结构、材料决定。对单一零件的机械特性进行优化的关键是合理设计适宜的内壁结构和壁厚[1]。连接部位的强度则由连接方式、两个零部件连接后的结构形式等因素决定，其中连接方式是最为核心的因素。在设计塑胶产品时，应首先根据使用环境和产品功能判断塑胶产品能满足的最低强度要求，再以此为基础进行塑胶产品的结构设计、壁厚确定、材料选型等一系列的设计工作，以保证设计的产品能够有效地满足实际使用的要求。

2　塑胶产品成本优化

塑胶产品的成本包括设计、制造、销售等过程中所发生的各项费用。通过优化设计过程、生产制造过程并提升标准化水平，能有效实现塑胶产品的成本优化。

2.1　设计过程优化

随着计算机技术、软件技术和互联网技术的快速发展，各种类型的软件在工业设计中得到了广泛应用。在设计塑胶产品的过程中，应通过引入和应用先进的软件设计技术，实现对塑胶产品成本的有效优化。例如，在设计塑胶产品的过程中引入三维制图软件，通过利用软件绘制塑胶产品的三维模型图并根据产品的使用功能进行仿真模拟试验，使设计的产品更加科学合理，既能满足产品使用要求又能有效控制成本；在对重要结构和参数进行优化设计时，可利用Ansys软件对关键部位的受力情况进行全面分析，使结构的优化具有更强的针对性。由于新技术的发展为塑胶产品的结构设计和成本优化提供了全新的路径选择，因此在设计塑胶产品时应根据实际情况结合实际需要，引入和应用新技术并借助新技术创新结构设计，实现对塑胶产品成本的有效优化。

2.2　生产制造过程优化

由于在生产塑胶产品的过程中使用了大量的注塑成型技术，因此塑胶产品的外部结构造型受到了模具的制约。在塑胶产品的生产制造过程中，应加大模具的研发和投入力度，尽可能使塑胶产品一次成型，以有效减少塑胶产品的加工工序，提升加工效率，降低加工成本。

在塑胶产品的生产制造过程中，要充分考虑塑胶材料的伸缩性。在不同的工艺流程中，塑胶材料的伸缩性存在一定的差异。为有效避免塑胶材料的伸缩性对生产加工带来的不利影响，可通过生产试验确定合理的工艺参数。

在对塑胶产品进行量产工艺设计时，需要注重产品结构的制造装配工艺设计与创新，不仅要使产品外观美观、结构可靠，还要使产品易装配、可量产，特别要注意把实现量产作为产品设计的重要目标。由于产品易生产、零件易加工、部件好组装是体现成本优化设计水平的重要指标，因此在产品形状、装配方式、连接方式、制造工艺的设计以及成本控制等方面，均应做到细致入微。

2.3　提升标准化水平

在工业生产中，狭义的标准化是指对产品进行标准化、通用化、一体化的设计，以实现对后续装配、维护的简化，降低相关设备的维护难度和成本。对于塑胶企业而言，标准化则是指在企业内部就塑胶产品的设计与生产形成了一套完善、规范的标准流程，并能够实现以最低的成本、最高的效率设计和生产出指定的符合要求的塑胶产品。企业提升标准化水平的关键，一是在于明确分工，依据自身的生产实际情况将塑胶产品的设计、生产环节进行有效划分；二是在于遵循统一原则，即在设计、生产的各个环节中遵循的原则应一致；三是统一技术标准。应统一制定技术标准，使各种塑胶零部件的生产具有相同的技术标准，使产品中的部分结构或部分零部件能够实现通用，避免同类产品的重复开发，降低企业生产成本，提高生产效率。

3　结语

从结构设计和成本优化两个方面，对优化塑胶产品设计过程、生产过程的关键因素进行了分析和论述，并提出了相应对策与建议。通过对塑胶产品的几何结构、连接方式、力学性能等设计进行优化，能够有效降低塑胶产品的生产成本，提高生产效率和产品质量；通过应用计算机软件设计新技术优化设计过程，能够有效控制塑胶产品的设计成本和制造成本；通过改进模具结构和优化塑胶产品的工艺结构设计，能够有效控制加工成本和装配成本；通过提升塑胶产品生产的标准化水平，能够提高产品的通用性和互换性，降低塑胶产品的生产成本和使用成本。

[1] 翁南根.基于CAD/CAE技术辅助的塑胶产品模具优化设计研究[J].南方农机,2020,51(8):145.

[2] 林华钊.汽车密封壳体精密双色注塑模具的优化设计研究[D].广州:华南理工大学,2017.

[3] 谢梦瑶.白色家用电器产品中的CMF设计方法研究[D].青岛:青岛大学,2020.

[4] 黄玉娥.小模数塑胶传动齿轮箱的降噪优化设计研究[D].赣州:江西理工大学,2020.

[5] 孙康康.YT塑胶玩具公司商业模式优化研究[D].合肥:安徽财经大学,2019.

[6] 刘森林.基于CAD/CAE技术辅助塑胶产品模具优化设计[J].时代农机,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

许文聪(1986—)，男，福建漳浦人，大学本科，中级工程师，主要研究方向为塑胶产品结构设计。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军