การออกแบบผลิตภัณฑ์พลาสติก plastic product design ตอน 5

ในปัจจุบันอุตสหกรรมการผลิตชิ้นส่วนด้วยพลาสติกนั้นเติบโต และเป็นประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมโดยรวมเป็นอย่างมาก ดังนั้นยิ่งเรามีความสามารถในการออกแบบชิ้นส่วนเพื่อการผลิตด้วยพลาสติกได้ดีเท่าไหร่ เรายิ่งมีความได้เปรียบคู่แข่ง มากขึ้นเท่านั้น วันนี้จึงอยากจะนำความรู้เกี่ยวกับ การออกแบบผลิตภัณฑ์พลาสติก Plastic product design เช่น ribs, wall thickness, bosses, gussets และ draft มาฝากทุกคน

บทความในชุดนี้ประกอบด้วย

Wall thickness

ค่า Wall thickness นั้นส่งผลกระทบต่อหลายส่วนสำคัญของผลิตภัณฑ์ รวมไปถึง การรับโหลดทาง mechanics, appearance, ความยากง่าย อุณหภูมิ หรือเวลาในการฉีดงาน รวมไปถึงส่งผลกระทบต่อต้นทุน การกำหนดค่าความหนาที่เหมาะสม มักจะต้องทำให้สมดุลระหว่าง ปัจจัยสองอย่างที่ตรงข้ามกัน เช่น ความแข็งแรง กับ น้ำหนัก หรือ ความทนทานของผลิตภัณต์ กับ ต้นทุน, ค่าความหนา หรือ wall thickness ควรจะพิจารณาอย่าถี่ถ้วนในขั้นต้อนการออกแบบ เพื่อลดการแก้ไขแม่พิมพ์ในภายหลัง รวมไปถึงเพื่อป้องกันปัญหาในการฉีดงาน และ การประกอบในไลน์การผลิต

การคำนวณคร่าวๆ ของความหนาแบบ flat-wall sections ถ้าเพิ่มความหนาขึ้น 10% จะสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ประมาณ 33% แต่การเพิ่มความหนานั้นส่งผลต่อ น้ำหนักของชิ้นงาน เวลาในการฉีดงาน หรือ cycles times และที่สำคัญคือเพิ่มต้นทุนของวัสดุ ดังนั้นควรเพิ่มความแข็งแรงด้วยการใช้ตัวช่วย นั่นก็คือ ribs, curve หรือ พื้นผิวแบบลูกฟูก หรือ ร่อง บนชิ้นงาน ด้วยการใช้ตัวช่วยที่กล่าวมา สามารถเพิ่มความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ โดยที่ไม่เพิ่ม น้ำหนักของชิ้นงาน เวลาในการฉีดงาน หรือ cycles times และต้นทุนของวัสดุมากนัก

ทั้งรูปร่างของผลิตภัณฑ์ และวัสดุที่เลือกใช้นั้นส่งผลกระทบต่อการกำหนดความหนา หรือ wall thickness โดยที่การเพิ่มความหนา จะเพิ่มความสามารถในการรับแรงกระแทก และลดความเสียหายที่จะเกิดบนผลิตภัณฑ์ แต่ในบางกรณีการเพิ่มความหนา สามารถเพิ่มความแข็งแรงให้ชิ้นส่วน แต่ไม่สามารถช่วยรับแรงกระแทก เช่น ในกรณีของ polycarbonate ผลิตภัณฑ์จะสูญเสียความสามารถในการรับแรงกระแทก ถ้าความหนามากกว่า ความหนามากสุดที่สามารถใช้ได้ หรือที่เรียกว่า critical thickness หรือพูดง่ายๆ ก็คือผลิตภัณฑ์จะเปราะและแตกหักง่าย ดังนั้นจึงควรศึกษา คุณสมบัติของวัสดุก่อนที่จะกำหนดความหนา

พิจารณาถึงความสามารถในการขึ้นรูปเสมอในการกำหนดความหนา เช่น Flow length ระยะทางจาก gate ถึงส่วนที่ไกลที่สุดที่เนื้อวัสดุจะต้องเดินทางไป จะต้องอยู่ภายใน หรือน้อยกว่า ความสามารถในการไหลของวัสดุที่เลือกใช้ ผนังที่บาง ความหนาที่น้อย หรือที่เรียกว่า thin walls นั้น มักทำให้เกิด stress ในขั้นตอนการฉีดที่สูง, ปัญหาที่ผิวภายนอกของผลิตภัณฑ์, ปัญหาการไหลหรือ การ fill ของวัสดุ แต่ความหนาที่มากก็จะเพิ่ม เวลาในการฉีดงาน หรือ cycles times หรือส่งผลต่อการเย็นตัวของชิ้นงาน ดังนั้นควรพิจารณาดังนี้ประกอบ ในการพิจารณาถึงความหนา

  • หลีกเลี่ยงการออกแบบให้มีบริเวณที่บาง หรือ thin wall ที่ถูกล้อมรอบด้วยบริเวณที่หนา เพราะการออกแบบแบบนี้จะทำให้เกิด แก๊ส ในชิ้นงาน และทำให้ชิ้นงานนั้นไม่เต็มตามรูป
  • ออกแบบให้มีความหนาที่สม่ำเสมอ หรือ uniform nominal wall thickness
  • หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนความหนา โดยเฉพาะการเปลี่ยนที่จะทำให้วัสดุไหลจากส่วนที่บางไปหาส่วนที่หนา

Non-uniform wall thickness can lead to air traps

ความหนาที่น้อยกว่า 1.5 mm นั้น มักต้องใช้ ความเร็วฉีดที่มาก แรงดันดันฉีดที่สูง ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนในการผลิตแม่พิมพ์ และตันทุนในขบวนการฉีด (ต้องเปรียบเทียบว่าคุ้มกับค่าใช้จ่ายของวัสดุที่สามารถลดได้หรือไม่ เพราะการออกแบบโดยใช้ความหนาที่น้อยนั้นจะช่วยลด น้ำหนัก และการใช้วัสดุ) สำหรับความหนาที่มากกว่า 2 mm นั้นอาจถือว่ามีความหนาที่น้อย ถ้า Flow length นั้นมาก และ ผลิตภัณฑ์มีการเปลี่ยนความหนา จนส่งผลกระทบต่อการไหลของวัสดุ

โดยทั่วๆไป วัสดุที่มีค่าความหดตัวต่ำ (low-shrinkage materials) หรือพวกที่เป็น amorphous สามารถออกแบบให้ชิ้นส่วนมีความแตกต่างของความหนา หรือ nominal wall thickness ได้ถึง 25% โดยที่ไม่ก่อให้เกิดปัญหา การไหลหรือ การ fill ของวัสดุ, warpage หรือ ปัญหาที่ผิวภายนอกของผลิตภัณฑ์ สำหรับวัสดุที่มีค่าความหดตัวสูง (high-shrinkage materials) หรือพวกที่เป็น crystalline สามารถออกแบบให้ชิ้นส่วนมีความแตกต่างของความหนา หรือ nominal wall thickness ได้ประมาณ 12% หรือครึ่งหนึ่งที่ วัสดุที่เป็น amorphous สามารถทำได้

ที่อธิบายมาคือหลักการในการกำหนด ความหนา โดยรวมหรือ nominal wall thickness สำหรับ ส่วนอื่นๆ เช่น  rib นั้นต้องการความหนาที่น้อย เพื่อป้องกัน sink ซึ่งจะพูดถึงต่อไป