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产品结构设计·医疗设备塑胶件设计指南

 材料的选择 

塑胶材料的种类繁多,对不同类型的产品有不同要求,对于医疗设备的产品外壳,设计时应与相应的法规人员讨论,要满足法规提出的防火或生物兼容性要求。

对于监护便携式产品、手提 B 超:推荐使用防火级 V2 以上的 PC 料或 ABS+PC (C2950、C6600)料。

对于台式或推车式产品:推荐使用防火级 V2 以上 ABS 料。(ANC120 台化,PA-765A 奇美) 。

 壁厚的选择 

塑胶零件的壁厚对零件的质量影响很大,壁厚过小时成型的流动阻力大,大形复杂的零件就很难充满型腔,塑胶壁厚的最小尺寸应满足以下几个方面的要求:

  • 足够的强度和刚度;

  • 脱模时能经受脱模机构的冲击与震动;

  • 装配时能承受足够的紧固力。

塑胶零件规定有最小壁厚值,它随塑胶品种牌号和零件大小不同有不同,对于医疗设备的机器外壳零件,推荐如下壁厚:

  • ABS,PC+ABS,PC, 透明 PC,透明 ABS,壁厚为:2.0-3.5mm

  • 一些小的外观零件(如按键帽,灯罩,旋钮)可以做到 1.2-2.0mm

同一个塑胶零件的壁厚尽可能一致,否则可能会由于壁厚不均而产生壁厚处缩水。

 拔模斜度的设计 

在塑胶零件的内表面和外表面,沿脱模方向均应设计足够的拔模斜度,否则会难以脱模,或顶出时拉伤,擦坏塑胶零件。还有一点,拔模斜度小就蚀纹浅,会造成外观件易脏。

对于公司的产品,推荐如下拔模斜度:(设计斜度比纹路要求斜度大 0.5 度)

  • 对于监护仪器的后壳,如需要出行位:行位一侧前模推荐 0-0.5 度,后模推荐 0.5-1 度。

    前壳推荐的拔模斜度为:据纹的粗细前后模分别为 2-3 度。

  • 对于超声产品的大件,如主机外壳,键盘外壳,显示器前后壳,血球产品面壳推荐前后模都为 3 度,对于超声产品的旋钮等小件推荐前模拔模 1-2 度。

  • 对于侧面外形由曲面构成时,要保证在分模处曲面的切线方向与拔模方向的夹角不小于拔模角,否则会在产品的 P.L.面附近出现拉伤。

 柱位的设计 

  • 柱位的功能:

    通常塑胶件柱位用来支撑 PCBA,固定 PCBA 或胶件本身,固定电子元器件,或联接产品的前后壳,它有一个最大的好处就是高度容易调整。所以,一般情况下,我们要尽量用柱子端面形成的平面作为支撑面。避面用几条筋位形成的平面作为支撑面。

  • 柱子的拔模及高度:

    柱子高度大于 10mm 时,通常都用司筒顶出,所以其拔模斜度可以取得很小或 0 度。可以把内孔取为 0 度,外表面取为 0.25 度。柱子高度小于 10mm时,模具上可能用镶件,拔模斜度可以把内孔取 0.5 度,外表面取 1 度。如希望能调整高度,请在图上标明,要求模具加工时,考虑调整高。一般清况下,M3 自攻螺钉柱的高度不要大于 30mm,太高了柱子的司筒针容易被胶流冲弯变形。

  • 柱子的大小尺寸:由于高度大于 10mm 的柱位通常是用司筒顶出,柱子的外径和内径就有限制。

常用的司筒的外径系列为:4.0、4.5、5、6、6.5、7、8、10、12

常用的司筒针系列为:1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0

其对应的关系如下表格:

柱位的内径是由司筒针磨小而得到的,由上表可以看出,我们不要设计壁厚小于 1.0mm 的柱子,也最好不设计外径不是标准值的柱位。

当采用无尖自攻螺钉去固定 PCBA 或其它零件到塑胶件上时,塑胶柱尺寸按螺纹紧固

件选用指南(MR/G08-04-03)进行设计。同时为了好拧螺钉,常要在柱子的端部作

一倒角或小台阶。

  • 柱子根部的处理:

    通常容易出现两种情况:缩水或阴影(或夹水纹),为了防止出现缩水,需要把柱子根部减胶,同时把司筒针加长,如已出现阴影(或夹水纹)需要把柱子根部加胶或把司筒针作短。所以对于壁厚为 3mm,柱子直径大于等于 6mm 时(拧M3 自攻螺订)为防缩水,在模具加工时先在柱子根部减胶。到试模时如出现阴影,再加胶。(柱子的根部注意要求,顶针面与火山口面不等高,减少应力)

  • 预埋螺柱的选择使用:

    对于公司的塑胶件,如果需要经常拆装,或需要维修 的地方,需要使用预埋(热压)螺柱,用普通螺钉来代替自攻螺钉, 具体的预埋和热压螺母的设计请参考《塑胶件植入螺母设计指南》。热压或预埋螺母后胶柱不得有开裂或溢胶现象。

  • 预埋螺柱与塑胶件联接的开裂问题:

    由于预埋螺柱冷确时的尺寸变化与塑胶件的收缩值相差太大,会使预埋螺柱的周围产生很大的内应力,而造成塑胶件开裂,对于高刚性的工程塑料更为严重。基于内应力比较大,PC正常情况下禁用预埋,PC+ABS也不推荐,特别对与预埋螺柱数量多于4时,还有螺柱不等高的,造成螺柱种类太多,容易出错;同时,还有因为放置时间过长,会造成注塑机料筒里材料由于高温时间过长而变质。

下面列出M2、M2.5、M3、M4自攻螺丝柱,M3、M4热压螺丝柱,M3、M4预埋螺丝

柱的设计尺寸:

 加强筋位的设计 

  • 加强筋的作用是增加塑胶零件的强度,和避免零件变形,如果单用增加壁厚的办法来提高塑胶零件的强度,常常是不合理的,其一是容易出现缩水,其二是提高了注塑成本,加强筋不要设计的过厚,否则容易在其根部出现缩水,也不要太薄,太薄了易出现走胶不齐。推荐的厚度为:模具加工为大水口时,零件加强筋根部厚度小于壁厚的 1/2(如监护仪的后壳,显示器后壳).筋的顶部厚度不要小于 1mm. 模具加工为小水口时,零件加强筋根部厚度小于壁厚的 2/5,筋的顶部厚度不要小于 0.8mm。

  • 关于加强筋的拔模斜度:对于通常的加强筋,其两侧的拔模斜度可按以上厚度要求取。对于高度有特别要求的加强筋,可取两侧 0.1-0.25 度,这时的加强筋就会要做镶件。如果可能的话,在加强筋上增加柱位,可以帮助出模。(如下图 1)

  • 柱位上的加强筋:胶柱在结构允许情况下必须设计加强筋。柱位上的加强筋由于是跟柱位一起顶出,可以比普通的加强筋高得多,其高度方向上比柱位端面低 1-3mm 就可以了。同时,柱位的加强筋尽量对称加工,以保证柱位变形尽量小。其形状如图 1,指示的斜度为 D=3-5 度。

 美工线、止口、叉骨、扣位的设计 

  • 装饰缝,止口与叉骨的设计

设计装饰缝是为了弥补塑胶件变形带来外观的缺陷,为了保证塑胶零件之间的外形相

互配合良好,装拆方便,需要在相互配合的地方设计止口与叉骨。对于我公司的产品,

建议监护仪前后壳装饰缝不要小于 0.8x0.8mm, 监护仪后壳与电池门之间装饰缝不要

小于 0.6x0.6mm,止口与叉骨的设计多种多样,对于迈瑞公司的产品,止口与叉骨的形

状推荐如图 2、图 3 所示。特别注意减胶要均匀,渐变,不要突变,否则外观面易形

成阴影

  • 止口设计经验

  • 止口形式1

从外观考虑,建议件 1 为前壳,件 2 为后壳,同时,若模具加工后,前后壳不齐平而需

修模时,建议前壳多加些,前壳比后壳大(D1>D2)从外观上胜过后壳比前壳大(D2>D1)。

建议设计时前壳 D1 标正公差,后壳 D2 标负公差。

此种止口特点:外观漂亮,装饰缝大,适合较大型零件,外壳削薄零件外观有阴影,密

封性稍差。

  • 止口形式2

特点:密封好(但不能保证防水),装饰缝小,美观,适合小型结构,对大零件易显缝。

设计注意点:

  • 左面为前壳,右面为后壳。需特别注意装饰缝放在右边后壳比较合适,一个是外观好点,首先前往后看看不到缝隙,其次在薄的位置加了装饰缝,避免一些阴影;二是避免装饰缝在舌头侧的话,由于止口成楔形,整个舌头端结构容易插入止口中,不能有效定位。

  • 舌头方向可根据具体结构定义在哪一侧,目前在前壳侧有利于前壳做厚,后壳做薄,同时可以综合注意点 1 的好处。

  • 削薄处需做斜度减少阴影。

  • 止口形式 3

    手感稍差,适合较大型零件,有利于遮盖前后壳尺寸的误差。

  • 止口形式 4

    外观漂亮,装饰缝可大可小,密封很好(可加密封条),要求壁厚较大,模具结构复杂。

  • 前后壳间的扣位设计

在塑胶件的设计中,为了简化装配,少打螺钉,可利用塑胶的弹性设计扣位,扣位的

形式很多,这里我们要特别注意的是前后壳间的联接扣位。推荐的扣位形式如下:

图 4 所示结构一般做在后壳上,图 5 所示结构一般做在前壳上。特别主意减胶要均匀,

渐变,不要突变。否则会在减胶处出现阴影或缩水。

下图是另一种塑胶件上前后壳的连接方式,在后壳的壁上延伸出一个孔,扣到前壳的

突出骨位上,它的优点是需要的安装空间小,缺点是孔边的骨位强度稍差,需要在模

具上避面夹水纹,或者在孔的中间加多一条骨位。

 圆角的设计 

塑角零件除了使用上要求采用尖角处外,其余所有转角处均应尽可能采用圆角过度,因塑胶件的尖角处易产生应力集中,在受力或冲击震动时会发生开裂现象。甚至在脱模过程中就发生开裂。一般地,我们推荐加工圆角用如下原则:

  • 筋位的顶部两端,R>1mm

  • 塑胶零件的中间开的方孔,四周做圆角,圆角大于零件壁厚的 1/4

  • 与塑胶件上方孔相配合的方形零件的四角做圆角

  • 特别受力的柱子根部做圆角,约 R0.5

 常用透明零件的设计 

透明材料:常用的透明材料种类很多,我们设计中常用的有透明 ABS,PC,PMMA。

公司常用到的透明件(生化,血液分析除外)是灯罩,按键帽,装饰片(PM7000)

透镜(PM600)等,由于透明材料的流动性不好,所以注塑时易产生外观的问题,

象透明按键帽一类的产品顶部易产生夹水纹。装饰片,透镜一类的产品在水口附近易产生指甲纹,蛇形纹。

针对以上问题,设计时请注意:

  • 透明按键帽一类的零件:顶部厚度要设计得比四周厚,型腔如果太深的话,要在水口附近局部减胶,让胶先流到零件的顶部,再流到四周。

  • 装饰片,透镜一类的零件:设计时请预留出较宽(大于 6-8mm),较厚的水口位(大于 1-1.5mm),模具加工时尽可能用宽大的扇形水口,流道短而粗。

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