GPS Мониторинг, GPS трекер, GPS автотрекинг, GPS Автомагнитола, GPRS модем

     СОЗДАНИЕ ПЛАСТМАССОВОГО КОРПУСА НА ЗАКАЗ

Автор: Зорин С.Ф.
статья опубликована в журнале «Производство электроники:технологии, оборудование, материалы»
№4, 2007 г.

Прим. цены и условия изготовление корпусов >>>>

     Для большинства отечественных разработчиков электроники подбор подходящего корпуса для нового прибора является серьезной проблемой. В большинстве случаев, сначала они пытаются найти максимально удобный стандартный корпус, а затем мучительно приспосабливаются под него, придумывая обходные технологии и серьезно проигрывая в цене. Между тем, когда величина серии изделия приближается к тысяче штук в год, стоит задуматься об изготовлении собственной пресс-формы. Преимущества корпуса собственной конструкции очевидны, а его основные недостатки — стоимость оснастки и срок ее изготовления — в последнее время значительно уменьшились. Полный цикл создания корпуса — от начала разработки до получения серийного изделия сейчас составляет от двух до шести месяцев, а его стоимость для большинства приборов находится в диапазоне от двухсот тысяч до одного миллиона рублей. При этом дальнейшая стоимость изготовления составит всего 10—20 рублей за корпус.

     Основным фактором, сдерживающим широкое распространение заказных корпусов, является низкая осведомленность разработчиков о существующих возможностях в этой сфере. Целью данной статьи является ознакомление всех заинтересованных лиц с основными аспектами конструирования и производства пластмассовых корпусов. Конечно, наиболее эффективным путем является передача всего процесса разработки и производства на подряд специализированной организации. Но даже в этом случае, понимание основ процесса желательно, поскольку позволит добиться более высокого результата.

РАЗРАБОТКА ДИЗАЙНА И КОНСТРУКЦИИ

     Процесс создания нового корпуса необходимо начинать с разработки его дизайна. Затраты на услуги профессиональных промышленных дизайнеров Создание пластмассового корпуса на заказ составляют обычно от 10 до 20% от общей сметы разработки продукции промышленного назначения. По мере роста конкуренции, необходимость разработки дизайна для такой продукции становится очевидной даже для самых ярых консерваторов. Для потребительских товаров стоимость работ значительно выше и всегда зависит от сложности маркетинговой задачи.

     Кроме внешнего вида, необходимо позаботиться и о конструкции. Литье пластмасс — это технологически сложный процесс, предъявляющий высокие требования к качеству конструирования. Разработка изделия должна проводиться высококвалифицированными специалистами, имеющими значительный опыт работы с пластмассами. Качественное проектирование позволяет не только добиться отсутствия дефектов и снижения себестоимости, но и значительно снизить расходы на изготовление оснастки. В связи с этим, при разработке новой продукции, конструирование пластмассовых деталей более целесообразно поручить специализированному конструкторскому или дизайнерскому бюро.

     Разработчики электронной техники зачастую приступаюь к проектированию корпуса после завершения работы над начинкой, что является серьезной ошибкой. Это, во-первых, не позволяет дизайнерам и конструкторам выбрать эффективное и дешевое решение, из-за чего растут габариты, страдает эргономика и внешний вид прибора. А во-вторых, при последовательной разработке электронной начинки и корпуса, запуск прибора в производство состоится значительно позже, чем при параллельной.

     Передавая разработку дизайна и конструкции корпуса на подряд специалистам, разработчики часто диктуют свои требования по элементам конструкции, иногда не подозревая о существовании более эффективных решений. Чаще всего такие требования касаются четырех вопросов: метод соединения деталей, способ нанесения надписей, технология изготовления клавиатуры и способ вывода светодиодных индикаторов. Рассмотрим существующие решения по-порядку.

     Соединение деталей

     Существует несколько основных способов соединения пластмассовых деталей:

• На саморезах. Это наиболее простой и довольно эффективный метод крепления деталей к пластичным материалам, таким как АБС. Использование саморезов предполагает, что соединение будет разбираться не более 10 раз за весь срок его эксплуатации. Также важно учитывать, что при серийном выпуске изделия существует вероятность проворачивания самореза сборщиком. Обычно для повышения надежности вводят один-два избыточных самореза на каждое соединение.
• На винтах. В корпус вплавляются или закладываются гайки специальной формы, в которые вкручиваются обычные винты. Такое соединение позволяет производить многократный монтаж/демонтаж, обеспечить прочное соединение с возможностью герметизации, а также соединять хрупкие и твердые пластики. Главным недостатком такого соединения является высокая стоимость закладных гаек, а также рост себестоимости за счет необходимости их установки или вплавления.
• На зацепах и защелках. Это наиболее дешевый и технологичный метод крепления пластмассовых деталей, которым иногда неоправданно пренебрегают, опасаясь потери надежности. Между тем, хорошо спроектированная защелка является чрезвычайно надежным соединением. Основным его недостатком является то, что наличие защелок в корпусе ведет к некоторому удорожанию оснастки, поэтому экономический эффект достигается только при средне- и крупносерийном производстве.
• Склейка. Такой вид соединения стоит использовать только в мелкосерийных изделиях, ввиду его нетехнологичности и низкой повторяемости. Наиболее популярным клеем для соединения пластмасс является цианакрилат (выпускается под марками Loctite, Момент и т.п.).
• Сварка. Пластмассы можно сваривать нагревом, токами высокой частоты, но в последнее время наиболее широкое распространение получила сварка ультразвуком. Эта технология обеспечивает получение надежного и хорошо повторяемого сварного соединения. Сварной шов может иметь сложную конфигурацию, за счет чего обеспечивается герметичность соединения, при этом сам процесс сварки занимает менее минуты. Пожалуй, единственным недостатком метода является необходимость использования специализированного оборудования и оснастки.

     Нанесение надписей

     Основным методом нанесения надписей на пластмассы является шелкография. Это достаточно дешевый и производительный способ, позволяющий получить контрастное изображение на плоской поверхности. Если необходимо нанести надписи на не плоскую поверхность, можно использовать тампопечать. По точности и качеству тампопечать превосходит шелкографию, немного проигрывая по цене. Современные краски для шелкографии и тампопечати имеют высокую адгезию к пластику, благодаря чему можно добиться хорошей стойкости надписей к истиранию.

     Другим методом, позволяющим получить изображения или надписи на поверхности детали, является гравировка пресс-формы. При отливке на месте гравировки получается выступающее или вдавленное объемное изображение. При всей простоте этого способа, его использование на практике ограничено рядом существенных недостатков:

• низкая контрастность изображения;
• невозможность изменения надписи или логотипа при появлении такой необходимости;
• значительное усложнение и удорожание конструкции пресс-формы при оформлении надписей на наклонных и вертикальных плоскостях (относительно горизонта линии смыкания формы).

     В последнее время, с распространением клавиатур с внутренней подсветкой, все большее распространиение получает метод лазерной гравировки надписей. Прозрачная пластиковая деталь сначала полностью окрашивается, а затем часть красочного слоя удаляется при помощи лазера, образуя требуемое изображение. Таким образом получаются прозрачные надписи на непрозрачном фоне, которые затем подсвечиваются изнутри светодиодами.

     Существует еще несколько методов нанесения изображений, таких как тиснение, двухкомпонентное литье или вплавление этикетки в форме (in mold labeling — IML), однако на практике они используются реже.

     Варианты конструкции клавиатуры.

     Из всего многообразия существующих решений можно выделить несколько наиболее часто применяемых типов клавиатур. Подразделяя их по методу изготовления самого толкателя (клавиши) и по используемому контактному механизму (контакту), составим таблицу возможных решений (см. табл. 1). Прочерк в ячейке означает, что решение технически возможно, но экономически не оправдано. Себестоимость изготовления от левого верхнего угла таблицы к правому нижнему падает, а стоимость оснастки — растет. Как видно из таблицы, наиболее дешевыми при массовом выпуске являются пластиковые клавиши с резиновым контактным ковриком. Однако такое решение следует применять только при относительно больших объемах выпуска, поскольку оно требует изготовления дорогостоящей оснастки как для литья пластмасс, так и для формовки силиконовой резины. Кроме объема выпуска, важными определяющими факторами для выбора того или иного типа клавиатуры являются ее конфигурация и требуемый тактильный эффект.

Типы контактных механизмов	Типы клавиш (толкателей)
	Гибкая пленка	Пластмассовые стандартные	Силиконовая резина	Пластмассовые заказные
Сферический		-	-
Корпусированный			-
Резиновый	-	-

     Светодиодные индикаторы

     Наиболее просто оформить светодиодный индикатор, выведя его в отверстие корпуса наружу. Кроме очевидно «дешевого» вида такое решение влечет за собой еще одну проблему — необходимость монтажа (чаще всего ручного) корпусных светодиодов. Существует несколько альтернативных способов решения этой проблемы:

• использование пленок с прозрачными окнами под светодиоды;
• использование прозрачной пластиковой накладки с нанесенной на обратной стороне маской, включающей в себя надписи и окна под светодиоды;
• существенное утончение корпуса (до 0,3 мм) в области светодиодов, обеспечивающее его полупрозрачность;
• изготовление световодов из прозрачного материала и установка их в корпус.

     В первых трех способах паразитная засветка соседних окон устраняется созданием специальных «колодцев» вокруг светодиодов. Последний из перечисленных способов особенно хорош тем, что позволяет выводить на поверхность свет даже от далеко установленных светодиодов (до 150 мм) и дает возможность создания светового пятна произвольной формы.

ПРЕСС-ФОРМА

     Изготовление пластмассовых деталей производится на специальных станках — термопластавтоматах (ТПА), на которые устанавливаются соответствующие деталям пресс-формы. Расплавленный пласитик под давлением впрыскивается в формообразующую полость пресс-формы, после чего она охлаждается и раскрывается для извлечения детали. Типовая конструкция формы показана на рисунке 1. Потребность в ускорении и удешевлении производства пресс-форм привела к тому, что их элементы максимально стандартизованы. Благодаря этому, изготовление пресс-форм сводится в основном к созданию формообразующих вставок. Формообразующие изготавливаются из высококачественной стали, поэтому на их долю приходится около 80% стоимости всей формы. Именно качество стали формообразующих является основным параметром, определяющим срок службы формы. Для дешевых марок он составляет около 200 тысяч отливок, а для самых дорогих — до 2 миллионов. Очевидно, что чем больше гарантийный ресурс формы, тем выше ее цена.

     Другими параметрами, определяющими стоимость формы, являются габариты изделия и трудоемкость. Поскольку пресс-форма представляет собой довольно сложный механизм, для точного расчета стоимости обычно проводится ее экспресс-конструирование.

     Непосредственно конструирование и изготовление пресс-форм занимает менее двух месяцев, после чего проводятся испытания и осуществляются несколько этапов доработки и подгонки. Затем производится финиширование — полировка или нанесение текстуры на поверхность формы. Заказчик выбирает вид шагрени или другого рисунка по каталогу, после чего пресс-форма передается на специализированную фабрику, где производится электрохимическая обработка формообразующих.

     Мировым лидером по производству пресс-форм является Китай, причем он лидирует как по внутреннему производству, так и по экспорту. Стоимость форм, изготовленных в Китае, сильно разнится в зависимости от уровня производителя, но в среднем она в два-три раза меньше, чем в Европе. Сроки изготовления также короче где-то в два раза. Основные проблемы при работе с китайскими производителями — это длительные сроки доставки и сложности контроля качества. Если с первой проблемойприходится смириться, то вторую можно решить, переложив все сложности общения и контроля на российского агента, который будет нести ответственность за качество оснастки.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

     Наибольшее распространение для изготовления корпусов в электронной промышленности получил пластик АБС (акрилонитрил бутадиен стирол). Он имеет хороший внешний вид, блестящую поверхность, достаточно пластичен для изготовления различных защелок и сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур. Его можно рекомендовать как основной материал для изготовления корпусных деталей. Для получения деталей с особыми свойствами следует более тщательно провести подбор материала. В электронной промышленности широко используются такие материалы, как полистирол, поликарбонат, стеклонаполненный полиамид.

     Все вышеописаные материалы могут быть окрашены путем добавления красителя (пигмента). Таким способом можно получить практически любой цвет, однако технология окраски требует использования специализированного оборудования, поэтому обычно окраска производится поставщиками пластмассы или специализированными компаниями, что накладывает ограничения на минимальную партию и срок поставки сырья. Чтобы избежать таких проблем, используют суперконцентрат — гранулы пластика, окрашенные избыточным количеством пигмента. В неокрашенный (натуральный) пластик замешивают 2% концентрата, получая материал требуемого цвета. Выбор доступных цветов суперконцентрата довольно большой, но все-таки ограниченный, что необходимо учитывать при разработке изделия.

     Для получения пластиковых деталей серебристого цвета или цветов металлик применяют их поверхностное окрашивание. Краска на детали наносится вручную из обычного краскопульта, а затем происходит сушка в специальной камере. Иногда поверх слоя краски наносят слой защитного лака, который увеличивает стойкость покрытия и придает поверхности дополнительный блеск. Основной технологической сложностью поверхностного окрашивания является необходимость работы в чистых помещениях с минимальным содержанием пыли.

     Если требуется получить металлизированную поверхность с высоким коэффициентом отражения, используется вакуумное напыление металла. Пластиковые детали устанавливаются в касееты, которые загружаются в специализированную вакуумную камеру, где происходит распыление частичек металла, обычно аллюминия. По этой технологии изготавливаются отражатели светильников, фонарей, автомобильных фар, а также декоративные поверхности с металлическим блеском. Кроме оптических и декоративных качеств, такое покрытие обладает еще и хорошими экранирующимисвойствами, что расширяет спектр его применения в электронной промышленности.

     Прозрачные детали, такие как световоды и стекла индикаторов, могут быть изготовлены из достаточно широкого спектра оптически прозрачных материалов:

• полистирол — недорогой, но довольно хрупкий и легко царапающийся материал;
• ПММА (полиметилметакрилат) - наиболее часто используемый материал с хорошими литейными качествами, высокими показателями жесткости и твердости, размерной стабильностью, стойкостью к появлению царапин. Основным недостатком материала является его высокая хрупкость;
• САН (сополимер стирола и акрилонитрила) — твердый прозрачный материал, близкий по свойствам к АБС, стоек к агрессивным жидкостям;
• прозрачный АБС (MABS) — невысокие оптические свойства (легкая мутноватость) в сочетании со свойствами АБС. Обычно используется для изготовления полностью прозрачных или тонированных корпусов;
• поликарбонат — ударопрочный материал, устойчивый к царапинам и обладающий хорошими оптическими характеристиками. Широко используется при изготовлении оптических приборов. Его недостатками являются относительно высокая стоимость и сложность переработки.

     Сравнить свойства наиболее популярных пластиков помогут данные, приведенные в таблице 2.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ

     На первый взгляд, литье пластмасс — достаточно простой процесс, а с появлением недорогих китайских и тайваньских станков он стал еще и доступным. Для организации производства условного пластикового корпуса размерами 100 Ч 150 Ч 40 мм достаточно купить термопластавтомат ценой около 30 тысяч долларов, бункер-сушилку ($1000) и холодильник для воды ($5000). Однако эффективность и надежность такого производства будут очень низкими. Расчеты показывают, что при сложившемся уровне цен на услуги по литью пластмасс открытие собственного производства экономически оправдано, только если существует загрузка минимум пяти станков в круглосуточном режиме. А в городах с высокой стоимостью рабочей силы необходимо обеспечить загрузку до 10 термопластавтоматов. Если перевести эти цифры в корпуса приборов, то получится, что точка окупаемости достигается при производстве от 200 до 400 тысяч условных корпусов ежемесячно. В связи с этим, в большинстве случаев гораздо выгоднее передать литье пластмасс на подряд.

     Стоимость услуг по литью определяется как сумма затрат на материалы и работы. При расчете стоимости материала берется чистый вес корпуса и увеличивается на процент отходов (5—10%). Полученный вес умножается на стоимость выбранного материала с учетом доставки до производителя (для АБС около 65 рублей за кг). Стоимость работ непосредственно по изготовлению варьируется в зависимости от размера используемого термопластавтомата, объема партии и расчитывается для одного нормочаса или нормоминуты. Например, стоимость изготовления корпуса весом 100 г, состоящего из двух половинок, изготавливаемых в одной пресс-форме, составляет:

• материал — (0,1 кг + 5% ) * 65 руб./кг = 6,83 руб.;
• работа — 270 руб./час * 40 с/ 3600 = 3,00 руб.;
• итого — 9,83 руб. за один корпус.

     Производители обычно отдельно учитывают стоимость дополнительных услуг по обработке, сборке и упаковке деталей, причем их стоимость сильно разнится и может составлять существенную часть в итоговой сумме.

     Важным фактором, который необходимо учесть при выборе подрядчика, является спектр изготавливаемой им продукции. Литье корпусных изделий имеет множество особенностей, и производитель, занимающийся изготовлением тазиков, бутылок и пробок, не сможет обеспечить то же качество и сроки, что и специализирующийся преимущественно на корпусах.

     Другим условием выбора производителя является его способность обеспечить выполнение дополнительных операций, таких как покраска или нанесение надписей. Для избежания дополнительных повреждений и запыления при транспортировке деталей желательно, чтобы эти операции осуществлялись в епосредственной близости от участка литья.

     Итак, работа над созданием собственного пластмассового корпуса изделия должна начинаться одновременно с началом разработки электронной начинки и проходить в следующей последовательности:

• разработка дизайна;
• проектирование конструкции изделия;
• проектирование и изготовление формы;
• подбор и закупка материала;
• литье изделий;
• покраска, нанесение надписей;
• сборка и упаковка в технологическую тару.

     Обычно для решения всех этих задач приходится взаимодействовать с двумя-тремя подрядчиками, что увеличивает сроки и влечет за собой массу сложностей. Пожалуй, единственной российской организацией, которая может предложить выполнение всей цепочки на высокопрофессиональном уровне, является группа компаний ЭСПО. Пример дизайнерской разработки специалистов компании ЭСПО приведен на рисунке 2. В телефоне «Палиха-750» для достижения максимального потребительского эффекта был применен целый букет технических решений:

• корпус окрашен в цвет металлик, а затем покрыт лаком для придания блеска;
• с внутренней стороны стекла индикатора методом шелкографии нанесены надписи и темная маскирующая рамка;
• клавиши выполнены из полупрозрачного материала, окрашены в цвет корпуса, а затем на них лазером выгравированы светящиеся цифры и надписи;
• на корпус и клавиши при помощи шелкографии и тампопечати нанесены надписи белого, черного, красного и зеленого цветов.

     В качестве еще одного примера рассмотрим контрольный пульт сигнализации «Сигнал-20М» компании «Болид» (см. рис. 3). При разработке модели пульта было принято решение использовать стекло с нанесенными надписями и маской, изменяя которые, можно варьировать число индикаторов для разных исполнений прибора. Для исключения паразитной засветки все возможные места установки светодиодов разделены перегородками. Над клавишами находятся собственные световоды, объединенные в группы. Поскольку корпус пульта должен разбираться монтажником при установке, стекло, клавиши и световоды закреплены на лицевой панели.