时间：2008-11-18 21:14:30 来源：互联网 查看：
为完成一项工作来选定塑料要比选定合适的金属复杂无数倍。但是毫无疑问，对合适的应用来说，塑料值得你这样做，因为塑料能够大幅度简化设计、降低重量和提供金属无法提供的性能，比如抗腐蚀性或光滑度。
但如果不了解塑料的复杂性就可能会使其性能变差，更糟糕的是，可能会带来灾难。
位于密歇根州特洛伊市(Troy)的杜邦汽车系统公司(DuPont Automotive的设计与开发主管Josh McIlvaine说：“金属中的安全因素是数学性质的，比较精确，并且很容易预测。复合材料实质上是由多种成分组成，要预测其像疲劳老化这样的长期特性就比较困难。由于工程热塑塑料没有任何老化限制，要预测其性能尤其麻烦。我们发现的对部件进行验证的唯一方法就是在实际使用温度下进行真实的环境测试。
除此之外，与10 年前相比，工程师们也越来越多地把塑料用在更艰苦的
位于明尼苏达州Winona市的一家专业复合材料公司RTP的高级产品开发工程师Karl Hoppe 说：“简单容易的金属转塑料应用是很久以前的事了。现在你所看到的是更高的承载能力、更高的使用温度和更苛刻的化学环境。今天人们对塑料的要求要比以前多得多。”
通过采访一些领先工程树脂公司的技术专家，我们得到以下几个需要关注的要点：
● 粘弹性：塑料的性能不只是取决于应力和张力，还取决于应变速率、温度和时间。与金属不同，塑料在室温下会发生蠕变。
● 特殊设计考虑：拔模斜度、标定壁厚、壁角和支肋等问题需要特别注意。
● 增强物和添加剂的影响：实际部件中的玻璃纤维配向可能与测试件中的玻璃纤维配向大相径庭，这就可能出现与预期完全不同的强度模式。
● 制造的影响：模具设计与模塑过程本身都能够导致塑料产品成品中出现应力和其他失效点。
● 现场状况：确定了解产品所使用的化学环境。一个糟糕的例子就是选用聚碳酸酯做汽车的保险杠，当时设计者没有考虑到喷溅汽油的影响。
当部件长期处于应力下时，产品说明书上的短期模量是不能够预测其应变的，尤其是在处于热循环中时。这种现象就是蠕变，其中的一种影响就是应力松弛。结果可能会使部件失效。比如：一个螺栓可能就不能在部件的整个使用寿命中支撑需要固定的部分。
杜邦公司的McIlvaine说：“如果你不使用压缩限制器，连接会随着时间而变弱。应对这种问题的最好方法就是使用具有结构附着点的插件。”插件可以是注塑而入、可以热打桩而入或者在模塑过程后挤压而入。
向材料供应商索取指定材料的同步应力与应变曲线数据。那些曲线图标出了不同时间段的应变与应力的百分比。你可以查对部件某一部分上某一点的表观模量。只在需要的点上进行增强就可以了。
设计问题
D S M 工程塑料公司的
从金属转用塑料进行设计的其他明显问题还有锐角转角和过度使用支肋。
内锐角转角是塑料部件失效的一个主要原因，因为它们把应力都集中到了一个点上。“进行金属设计，0.005 或者0.010英寸的半径就足够了，但是对于塑料来说，我们要用0.020 到0.030 英寸的半径，使转角不要成为导致裂纹扩展的应力冒口，” V i c t r e x 公司的技术项目主管Bob Lamb 说。Victrex 公司是英国的一家高性能聚合物(比如，聚乙烯)生产商。
支肋是为注塑件增加强度和刚度的一种重要方法。恰当地使用支肋能够减少部件重量，并且也能减少注塑时间。但是，一些工程师却把过度使用支肋作为一种安全手段。DSM 公司的Bruner 说：“我看到过一起过度使用支肋的案例，使加入填料变得很困难，最终模具中几乎没有什么钢了。?
正确的配向
用来在结构应用中代替金属的塑料通常会采用玻璃增强法来增加强度和刚度。
RTP 公司的一位高级CEA 分析师Bob Sherman 说：“我看到的最大问题有点像房地产行业中的一句老话：位置、位置、位置。在增强型塑料行业，这句话就是：配向、配向、配向。”玻璃增强型塑料的特性主要依赖于部件中纤维的配向。纤维的配向(http://designnews.com.cn/0808-535.aspx)依赖于部件设计、模具设计和注塑状态。来自测试棒的性能数据可能毫无意义，因为它的纤维是排列在一起的。而横向纤维(与流向垂直)的性能就会大大降低。
关注被称作“汇流纹”流线汇合处部件的强度非常重要。位于佐治亚州A l p h a r e t t a 市的苏威高等聚合物公司(Solvay Advanced
玻璃增强需要考虑的其他问题
Sherman 说：“金属思维定势的一个例子是，增加的材料越多，部件的强度就越大。但对增强塑料来说，情况未必是这样。你可能会做错的一件事情就是一味地把部件增强。为玻璃增强部件产生更高强度的配向是通过在充型过程中对材料进行切割而产生的。所以，当你开始加厚部件使之变厚时，你就会失去在剪切过程中所得到的减少配向的好处。结果是，虽然该横切面变大了，但其特性实际上是降低了。”
也有新型的不用玻璃增强就能提供刚性的材料。例如，PrimoSpire 自增强型聚亚苯基(SRP)，这是苏威高性能塑料公司出品的一种非晶形塑料。这种材料的应用目标之一是金属植入。“在有健康和安全问题的地方，你不会想用增强物，” 苏威高性能塑料公司的一个高级研究助理Jamal el-Hibri说。需要各向同性特性的电子部件也是其应用目标之一。
注塑关注点
塑料要在树脂生产商所推荐的热条件和其他条件下进行注塑，这一点很重要。“你能够选定合适的材料并进行正确的设计，但如果材料处理不当，也不能获得材料的全部性能，” Victrex公司的Lamb说。
通常用来代替金属的高热高等热塑塑料就是一个很好的例子。
“PEEK(聚醚醚酮)的熔点温度是649F，PEEK 的初次处理者可能会不使用正确的模温，”Lamb 说。小心控制PEEK 部件的冷却非常重要。“水冷工具冷却太快，部件会变成非晶形P E E K ，”Lamb说。Victrex公司推荐在350F到400F使用油冷却。
模具设计问题也会对部件性能造成很大影响。比如说，浇口位置就会决定熔接线的位置。苏威公司的Desai 说：“一些人错误地认为，浇口越多越好。如果有更多的浇口，你就会有更多的熔接线。”
最初由设计工程师所指定的浇口位置经常会发生变化。杜邦公司的McIlvaine说：“从原型阶段到生产过程，90% 的浇口位置都会发生变动。之所以会这样，是因为原型阶段的成本问题或者因为制模的限制。”
空气暴露测试
需要考虑产品性能的另一个广泛领域是部件的使用环境。化学品会腐蚀塑料并且能降低其性能。“部件上偶尔溅上一些化学品要比彻底浸入化学品中还要有害，”苏威的el-Hibri说。利用供应商提供的信息来鉴别塑料并随后用测试部件来模拟实际使用环境非常重要。
三十年以前，这就像把聚碳酸酯暴露在汽油中测试其应力裂纹一样简单。而今天，塑料正在走向极端应用。Victrex 公司的一位地区业务经理John Walling 说：“在油气行业中，我们看到很多地下钻探应用活动。随着油价的提高，生产者们向下钻得越来越深了。”
PEEK材料现在被用于油气工业中密封条和垫圈的吸能弹簧上。用这种材料制成的部件在模拟野外环境的状况下得到了广泛测试。海上油井一个部件的失效就能导致数百万美元的损失。
一种新开发的工程塑料混合材料正在用来替代安全靴中用于保护脚趾的钢材料。这种混合材料，在经过暴露于燃料、稀释氢氧化钠和稀释硫酸的试验后，还经过了大
“即使在10 年前，我们也无法想到能利用高级工程热塑塑料做这么多事情，” DuPont 公司的McIlvaine 说。由于人们要求材料变轻、变小、降低成本和扩展性能的压力不断增加，工程师们将把塑料的使用范围进一步扩展，McIlvaine 补充道。
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安全：正确的道路选择
为确保安全地设计塑料部件，需要考虑以下几个方面：
1. 确保在开发过程的早期就能引入整个设计链，该设计链包括材料供应商、制模人员和模具制造商。
2. 考虑可能造成部件失效的所有潜在问题：负载下持续高热，化学环境系统因素。
3. 尽可能多地获得实用多点数据。不要简单地依靠说明书中的单点数据。现在多点测试数据越来越多了。
4. 把有限元分析和流动分析用于模型设计和充模状况。
5. 在现场环境下测试真实的原型部件。但要切记，大多数原型都存在一些机械或者其他方面的限制。有些机构能够提供由接近实际生产工具真
