Tworzywa sztuczne są materiałami najczęściej stosowanymi do produkcji obudów i elementów konstrukcyjnych produktów elektroniki użytkowej i sprzętu AGD. Opracowanie produktów konsumenckich przeznaczonych do produkcji i skuteczne wprowadzenie ich na rynek wymaga znajomości różnych technologii materiałowych i doboru najbardziej optymalnego rozwiązania, aby zagwarantować odpowiedni zwrot z inwestycji podczas wdrażania produktu.

Materiały wybrane przez projektantów do produkcji komponentów urządzenia mają znaczący wpływ na jego cechy, determinują technologie produkcyjne stosowane do ich produkcji i definiują sposób montażu części. Oprócz znaczącego wpływu na walory estetyczne i funkcjonalne produktu, technologia stosowana do montażu komponentów produktu ma również wpływ ekonomiczny na produkcję oprzyrządowania i proces montażu produktu. Ponadto, aby zminimalizować koszty wprowadzenia produktu na rynek, należy przyjąć właściwe założenie dotyczące wolumenu produkcji w fazie projektowania.

Techniki montażu małoseryjnego, które wymagają więcej czasu, pracy i uwagi przy montażu, często nie sprawdzają się w produkcji wielkoseryjnej, gdzie kluczem jest skrócenie czasu produkcji jednostkowej i zwiększenie automatyzacji procesów.

W artykule tym omówimy czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze technologii montażu, ich znaczenie w produkcji elementów obudów maszyn i urządzeń, a także ich zalety i wady w różnych aspektach związanych z produkcją.

Jedną z głównych cech złączy jest możliwość wielokrotnego montażu i demontażu. Niektóre produkty, takie jak piloty telewizyjne, kontrolery i czujniki bezprzewodowe, muszą mieć części zaprojektowane tak, aby użytkownik mógł otworzyć ich obudowę w celu wymiany baterii. Możliwość demontażu urządzenia ma pozytywny wpływ na aspekty serwisowania urządzenia, możliwość samodzielnej naprawy lub przynajmniej segregację części urządzenia i recykling materiałów podczas utylizacji produktu. Mindsailors, jako biuro projektowe, wspiera takie inicjatywy, promując świadome projektowanie produktów. Istnieją jednak produkty, w przypadku których próby samodzielnej naprawy mogłyby zagrozić zdrowiu lub życiu użytkownika w przypadku jednorazowych urządzeń medycznych lub niektórych urządzeń elektronicznych.

SNAP FITS

W przypadku produktów wytwarzanych w technologii formowania wtryskowego możemy zaprojektować części w taki sposób, że sam ich kształt będzie wystarczający do połączenia części bez żadnych dodatkowych elementów. Cechy te są znane jako „zatrzaskowe” i działają dzięki sprężystej deformacji materiału formowanej części.

Po prawidłowym wyrównaniu części, sprężysta część jest zaciskana sztywną częścią drugiej formowanej części, zapobiegając samoczynnemu rozłączaniu się części. To, do czego można użyć zatrzasku, zależy od jego konstrukcji. Zatrzaski dzielą się na trzy typy: pierścieniowe, wspornikowe i skrętne. Większość zatrzasków ma wystającą krawędź i obszar zatrzaskowy.

1. Przykłady zastosowania połączeń zatrzaskowych
Źródło: https://coloringchaos.github.io/form-fall-16/joints

Zalety tych połączeń obejmują szybkość i prostotę procesu montażu, automatyzację, brak dodatkowych elementów, brak narzędzi montażowych, możliwość projektowania zatrzasków umożliwiających demontaż i mocowanie, co pozwala na jednorazowe mocowanie, a także małe wymiary, które sprawiają, że połączenie jest niewidoczne na zewnątrz obudowy. Ze względu na właściwości materiału i ich pogorszenie przy wielokrotnym użytkowaniu, żywotność takich połączeń jest ograniczona; w związku z tym zatrzaski mogą z czasem pękać.

Aby utworzyć połączenie zatrzaskowe, należy zaprojektować kształt, który zazwyczaj wiąże się z wyjęciem podcięcia formowanej części z formy wtryskowej za pomocą suwaków lub innych elementów mechanicznych. Ponieważ zwiększa to koszt produkcji formy wtryskowej, połączenia zatrzaskowe są zazwyczaj stosowane tylko w przypadku produkcji wielkoseryjnej. Złącza zatrzaskowe można znaleźć w codziennych produktach, takich jak pokrywy komór baterii, zakrętki do butelek i długopisy.

WPROWADZENIE

Pasowanie wtłaczane to proces polegający na dociskaniu dwóch elementów do siebie w celu uzyskania dopasowania wciskowego.
Gdy wewnętrzna średnica otworu jest nieznacznie mniejsza od zewnętrznej średnicy wkładanej części, następuje dopasowanie wtłaczane. Dociśnięcie dwóch elementów do siebie powoduje ich zablokowanie.
Pasowanie wtłaczane to łatwa i niedroga metoda montażu części lub elementów. Typowym przykładem jest wymuszone włożenie sworznia lub wału, który jest nieznacznie większy niż plastikowa piasta lub występ, w który jest wkładany. Jednak wielokrotny montaż i demontaż plastikowych elementów spowoduje zużycie połączenia z powodu utraty właściwości sprężystych przez materiał.

LIVING HINGE

Żywe zawiasy są często używane z zatrzaskami. Żywy zawias to cienka sekcja plastiku, która łączy dwa segmenty części, aby je trzymać razem i umożliwić otwieranie i zamykanie części. Zazwyczaj są one używane w pojemnikach produkowanych w dużych ilościach, elastycznych zastosowaniach, takich jak skrzynki narzędziowe, pudełka na lunch lub nakrętki do butelek szamponu. Materiały używane do produkcji żywego zawiasu to zazwyczaj elastyczny plastik, taki jak polipropylen i polietylen.

2. Plastikowa zakrętka do butelki zaprojektowana z wykorzystaniem zawiasu i zatrzasku.
Źródło: https://aptar.com/products/food-beverage/traditional/

ŁĄCZNIKI MECHANICZNE

Łączniki mechaniczne to dodatkowe komponenty, takie jak śruby, nakrętki, podkładki zabezpieczające i wkładki gwintowane; są to standardowe części dostępne do kupienia, łatwe w instalacji, niezawodne i zazwyczaj umożliwiające bezinwazyjny demontaż. Jednak w trakcie procesu projektowania projektanci muszą wziąć pod uwagę umiejscowienie tych łączników, co w porównaniu z zastosowaniem zatrzasku może powodować, że formowane części będą większe. Ponadto muszą być dostępne odpowiednie narzędzia do mocowania łączników, a te cechy mogą być widoczne z zewnątrz urządzenia, co może mieć wpływ na walory estetyczne produktu.

Często stosowanymi elementami złącznymi do elementów z tworzyw sztucznych są wkładki gwintowane, które są na stałe osadzone w formowanych otworach, eliminując potrzebę stosowania nakrętki i upraszczając montaż.

Istnieje kilka sposobów montażu połączeń wewnątrz części plastikowych:

1. Wkładki wciskane - najłatwiejszy sposób montażu wkładki, najlepszy do prototypów i produkcji niskoseryjnej. Jednak wciskane części mogą powodować naprężenia w obszarze trzpienia i mogą być podatne na pękanie.

2. Wkładki spawane ultradźwiękowo - są bardzo popularną opcją, ponieważ po zainstalowaniu wkładki otaczający ją plastik topi się, co czyni ją wytrzymałą i w dużej mierze bezstresową. Jednak konieczne jest użycie narzędzi spawalniczych.

3. Wkładki formowane wtryskowo - wkładki są umieszczane w formie przed wtryskiem stopionego plastiku. To rozwiązanie jest najbardziej niezawodne i wymaga najmniej pracy podczas procesu montażu, ale wiąże się z wysokimi kosztami narzędzi i jest najbardziej odpowiednie do produkcji masowej.

Ponieważ łączniki mechaniczne są dodatkowymi komponentami, ich montaż zajmie więcej czasu i może generować wyższe koszty montażu oraz wydłużać proces montażu. Z drugiej strony, pozwala to na bardziej bezpośredni projekt części z tworzyw sztucznych bez formowania podcięć - niższe koszty formowania wtryskowego. Wybierając łączniki metalowe, musimy być świadomi, że te komponenty mogą nadmiernie obciążać części z tworzyw sztucznych. Można temu zapobiec poprzez właściwą konstrukcję, używając odpowiednich łączników i wkrętaków ograniczających moment obrotowy.

KLEJENIE

Klejenie jest jedną z najstarszych znanych metod łączenia materiałów, polegającą na łączeniu części za pomocą substancji ciekłej lub półpłynnej, która twardnieje po zestaleniu i utrzymuje obie części razem. Szybki postęp tej technologii w ostatnich latach, szczególnie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, umożliwił klejenie różnych materiałów, w tym materiałów metalowo-gumowych i plastikowo-metalowych. Czasami połączenie klejowe może również pełnić dodatkowe funkcje, takie jak uszczelnianie. Projektując element urządzenia, projektant/inżynier musi wziąć pod uwagę, gdzie zostanie wprowadzona warstwa kleju, na przykład przydzielenie rowka, do którego zostanie nałożony klej. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, do połączenia klejowego należy przykładać tylko siły ścinające lub ściskające.

Pomimo licznych korzyści wynikających ze stosowania spoiny klejonej, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: - ograniczona odporność na temperatury powyżej 200 °C; - niższa wytrzymałość mechaniczna połączeń w porównaniu do łączników mechanicznych; - ograniczony okres przechowywania klejów. Tendencja do rozwarstwiania i żelowania; - wymóg przygotowania powierzchni w celu zapewnienia dobrej przyczepności kleju - zapewnienie odpowiedniej powtarzalności procesu dla produkcji na dużą skalę - obecność substancji niebezpiecznych w wielu rodzajach klejów wymaga szczególnych warunków bezpieczeństwa w procesie technologicznym.

SPAWANIE

Proces łączenia części termoplastycznych poprzez wywieranie nacisku na uplastyczniony materiał jest znany jako spawanie. Uplastycznienie następuje, gdy materiał jest podgrzewany od zewnątrz lub gdy materiał jest tworzony wewnątrz w wyniku działania prądu elektrycznego lub energii mechanicznej.

W wyniku działania ciśnienia i procesów dyfuzji następuje przeplatanie się łańcuchów polimerowych w wyniku ich częściowego przenikania z łączonych elementów. Właściwości wytrzymałościowe spoiny są w pierwszej kolejności determinowane przez wielkość jej powierzchni, czas trwania ciśnienia i rodzaj łączonego materiału.

Istnieje wiele metod spawania tworzyw sztucznych, w zależności od wymiarów i geometrii łączonych obiektów, ilości energii, która ma być dostarczona, oraz wielkości produkcji. W przemyśle powszechnie stosuje się następujące metody:

W przemyśle powszechnie stosuje się następujące metody:

• spawanie kontaktowe z gorącym elementem

• spawanie podczerwienią

• spawanie gazowe konwekcyjne

• spawanie cierne

• spawanie laserowe

• spawanie wibracyjne

• spawanie ultradźwiękowe

WNIOSEK

Wybór właściwej technologii montażu części ma ogromny wpływ na produkt końcowy, jego estetykę, niezawodność, inwestycje w narzędzia, ilość pracy w procesie produkcyjnym i koszty. Zadaniem projektanta jest rozważenie wszystkich tych czynników, stworzenie hierarchii wartości w oparciu o potrzeby klienta, przeanalizowanie urządzenia, jego zastosowań i scenariuszy wykorzystania oraz wdrożenie najefektywniejszej technologii montażu.

Since mechanical fasteners are additional components, their assembly will take more time and might generate higher assembly costs and lengthen the assembly process. On the other hand, it allows for the more straightforward design of plastic parts without undercut moulding - lower injection mould costs. When selecting metal fasteners, we must be aware that these components can overstress plastic parts. This can be prevented through proper design, using the appropriate fastener and torque-limiting drivers.

Piotr Dalewski
Mechanical Design Engineer