關於作者：鍾元，2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》（DFMA）。
2020年即將出版《面向成本的產品設計：降本設計之道》（DFC）。
導讀
塑膠件已經廣泛應用在日常生活工作中的每一個產品中，包括手機、筆記本電腦、汽車、冰箱和空調等。對於工程師來說，學會塑膠件的設計是一個必須具備掌握的技能。不少工程師認為，塑膠件設計的關鍵在於如何設計塑膠件的壁厚來滿足強度要求、以及如何設計塑膠件來滿足模具要求等。但是，在我看來，塑膠件材料選擇才是最關鍵的，同時也是最難的。
1 塑膠材料選擇的重要性
在設計塑膠件時，最重要的的事情莫過於選擇最合適的塑膠材料了，因為塑膠材料關係到塑膠件的質量、性能、可靠性和成本等。一旦材料選擇失誤，很有可能造成整個產品開發的失敗。
一旦塑膠材料選擇失誤，很有可能造成整個產品開發的失敗。
這是一個N年前我中途參與的塑膠材料選擇失敗的案例-太陽能零部件，至今讓我記憶猶新。
▲ 太陽能零部件示意圖
在前幾代產品中外殼使用的是PPO塑料，一直都沒有出現質量問題。在新產品開發中，依然決定使用PPO塑料。但是，當模具開好後，進入到測試階段發現，有一個模擬使用過程的測試出現了大問題：塑膠件嚴重變形，測試失敗。
後續嘗試了無數種方法：通過修改塑膠件提高強度、以及修改模具調整熔接痕位置和提高熔接痕等等，前前後後模具修改了十幾次、試模了十幾次、測試了十幾次，均解決不了問題。
那麼根本原因在哪裡呢？根本原因在於塑膠材料的選擇錯誤。
前幾代產品使用PPO材料，當時產品內部的發熱零件通過間接的方式固定在塑膠件外殼上，在測試的時候儘管發熱會達到200度以上，但是因為離外殼比較遠，不會造成外殼變形。
而當前的產品中，發熱零件是通過嵌件注塑的方式直接固定在塑膠件外殼上，熱量會直接傳遞到外殼上；而PPO塑料的熱變形溫度為120度左右，顯然不管怎麼設計優化，都無法避免外殼的變形。
那麼，是不是更換為高溫塑膠材料可以解決問題呢？
更換為可以承受高溫的PBT材料，確實可以解決測試的外殼變形問題。但是，新問題又來了，PPO和PBT的收縮率不一樣，同樣一個模具，PBT加工出來的產品尺寸與原來PPO的不一樣，另外更關鍵的一點是PBT的外殼變形很嚴重，產品內凹。
▲ 外殼嚴重變形內凹
為什麼會變形內凹，請閱讀：
麻煩的是變形處剛好是防水密封面，與上蓋和密封圈配合完成IPX6的防水要求。再繼續調整注塑工藝參數、甚至模具增加反補償，以減小變形內凹，反反覆複試了幾次，均達不到防水要求。
此時，模具已經改得千瘡百孔，改模費用遠遠超過了當初新開模具費用的。要解決使用PBT變形內凹的問題，只有重新再開一副新的模具。
而當前的市場環境也在發生變化，由於反反覆復的設計修改，造成產品上市日期的一再推遲，給客戶的承諾無法達到，客戶轉而選擇競爭對手的產品。
這完完全全可以說是：塑膠件材料的選擇造成了產品開發的失敗，給公司帶來了每年幾千萬人民幣的收入損失。
這個項目儘管我是中途參與，參與了後續的很多設計修改，塑膠材料選擇在我參與時就已經確定。但是，這個教訓依然深刻的印在我的腦海中，以致於在後來的產品開發中選擇塑膠材料時，我每次都小心翼翼、誠惶誠恐，不錯過每一個選擇細節，生怕再出現當初的錯誤。
2. 塑膠材料選擇的困難性
塑膠材料選擇的困難在於兩點：第一是塑膠材料的種類和牌號太多，第二是塑膠材料的性能參數很複雜。
塑膠材料的種類和牌號太多
塑膠材料有45種，可以分為兩大類：熱塑性塑料和熱固性塑料，而在市面上商用化的塑膠材料約有85000個牌號。
▲ 塑膠材料種類眾多
不同種類的塑料，性能完全不同。而同一種塑料，不同公司的牌號，其性能也存在差異。而即使同一個公司的同一種塑料，牌號不同，其性能也不同。而塑膠材料性能上的一些微小差異就足以關係到塑膠件的質量和可靠性等。
可以想像，要從茫茫的塑膠材料海洋中，要選擇一款最合適的塑膠材料選擇是一件非常困難的事情。
對於塑膠件材料選擇，我見過最多的情況是沿用上一代產品，上一代產品用什麼那現在就用什麼，不求有功，但求無過。但是，真的無過嗎？上面的案例就是一個沿用上一代材料而造成產品開發失敗的案例。產品結構已經發生了變化，再沿用上一代材料就已經不適用。
當然，有的工程師可能會說：只選性能最好的，不選對的；選擇那些機械強度高、耐高溫、耐UV和耐化學性等性能優異的塑料，只要產品在產品未來使用過程中肯定不會出現質量問題，作為工程師的任務就算完美完成了。
這樣的工程師可能就嚴重沒有成本意識了。這樣會使得整個產品成本高，那麼在市場競爭激烈的環境下，產品售價是由市場覺得的，企業可能無法獲得應該的利潤，甚至虧損。這樣的產品開發，即使質量再好、可靠性再高，企業無法盈利，那也是一個失敗的產品開發。
塑膠材料的性能參數很複雜
塑膠材料的性能參數包括：
- 物理性能比重熔融指數收縮率
- 機械性能 拉伸性能 彎曲性能 衝擊強度 蠕變性能 疲勞性能
- 熱性能載荷熱變形溫度 熱膨脹係數CLTE 維卡軟化溫度
- 環境性能吸水性耐化學性耐候性
- 阻燃性
- UL746 相對溫度指數RTI 相比耐漏電起痕指數CTI 高伏特電弧起痕速率HVTR 熱絲引燃HWI 高電弧燃燒指數HAI
- 室外實用性
- 電性能介電強度體積電阻表面電阻
可以看出，塑膠材料的性能參數很多很複雜；僅僅認識這些參數的名字就不是一件容傷腦筋的事情，更何況需要清楚掌握每一個參數背後的實際意義、及其對塑膠件實際應用過程中的質量、可靠性和性能的影響。
不過，過分的是並不是所有的塑膠材料都有一個詳細的性能參數表，特別是對於那些低成本小品牌的塑膠材料，甚至有些性能參數他們都沒有，特別塑膠材料的一些耐化學性。例如，工程師問塑膠材料供應商：產品應用環境中會存在XX化學物質，這款塑膠件材料可以使用嗎？那得到的回答多數都是：我們沒有測試過。
還有，更過分的即使是同一個性能參數還有不同的測試方法：ISO和ASTM；還有不同的單位：公制和英制。這讓在對比塑膠材料性能時變得更加困難。
如何選擇塑膠件材料，請關注頭條號「降本設計」後續文章。
參考書籍：《面向製造和裝配的產品設計指南》 鍾元著 機械工業出版社
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鍾元，2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》（DFMA）。
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