Проектирование петлевого шарнира: повышение функциональности и удобства в производстве изделий

В производстве изделий шарниры — распространенные мелкие компоненты для продуктов, требующих открывания и закрывания. Из множества типов шарниров, петлевые шарниры (living hinges) уникальны. Дизайн петлевого шарнира выполнен из гибкого пластика и является важной частью потребительских товаров: колпачков бутылок, косметических средств, моллюсковидной упаковки.

Мелкая деталь, которую обеспечивает дизайн петлевого шарнира, отвечает за удобство использования этих продуктов. Также легко производить и внедрять в продукты для соединения компонентов одного изделия. В этой статье вы узнаете основы дизайна шарнира: пластиковый шарнир, типы пластиковых шарниров и рекомендации по дизайну для лучшего производственного процесса.

Что такое шарнир?

Петлевой шарнир (living hinge) или гибкий шарнир — тонкий и гибкий материал, используемый как соединитель между большими и жесткими пластиковыми секциями изделия. Это тонкая область в пластиковой детали, которая изгибается и выпрямляется, позволяя открывать и закрывать материал. Дизайн петлевого шарнира таков, что позволяет продукту изгибаться и выпрямляться многократно без потери прочности.

Петлевой шарнир вытекает из больших пластиковых секций и формирует мост между ними. Однако, в отличие от больших секций, петлевой шарнир вращаем или изгибаем относительно оси на 90–180 градусов без трещин или поломок.

Имеет простую структуру и не требует сборки. Служит гибким элементом в точке материала; обычно емкость и крышка, открывающие и закрывающие материал без потери прочности.

Типы шарниров

Существует четыре типа пластиковых шарниров, используемых на основе дизайна и прочности. Идеальны для открывания и закрывания без трещин или постоянного отказа в деталях продукта.

· Плоский шарнир (Flat Hinge)

Плоский шарнир, также прямой шарнир — самый простой и распространенный тип дизайна петлевого шарнира. Имеет тонкий шарнирный участок с двумя прямыми полосами по бокам. Дизайн плоского шарнира гибок и может изгибаться до 180 градусов, соединяя две жесткие пластиковые секции.

· Двойной шарнир (Double Hinge)

Двойной шарнир имеет два плоских шарнира, разделенных тонкой посадочной полосой. Более гибкий, позволяет вращение до 360 градусов, полезен для создания промежутков между соединенными частями.

· Бабочковый шарнир (Butterfly Hinge)

Применяется в дозаторных колпачках благодаря действию переворачивания. Более гибкий, чем плоской и двойной. Обладает способностью возвращаться назад при открывании за определенный угол, переворачивая колпачок в открытое или закрытое положение.

· Бистабильный шарнир (Bi-stable Hinge)

Дизайн бистабильного шарнира — бабочковый шарнир с тремя шарнирными секциями, самый гибкий тип. Как бабочковый, имеет действие возврата при достижении определенного угла. Дополнительные секции обеспечивают более сильные действия открывания и закрывания.

Важность дизайна петлевого шарнира

Петлевые шарниры — важные части многих продуктов благодаря преимуществам в функциях и эстетике. Несколько причин включить их в дизайн продукта:

· Исключает сборку

Конвенциональные металлические шарниры требуют сборки и крепления винтами. Петлевой шарнир позволяет изготовить шарнир из того же материала, что и продукт. Следовательно, можно непосредственно включить его в компоненты продукта.

· Снижает затраты и время

Дизайн петлевого шарнира прост и дает более дешевую альтернативу конвенциональным шарнирам. Способность легкого включения в продукт исключает необходимость сборки. Следовательно, снижает затраты и время.

· Не требует обслуживания

Петлевые шарниры сделаны из пластика. Не ржавеют и не имеют других деградативных реакций на среду. Следовательно, не требуют обслуживания и служат длительные периоды.

· Гибкость

Петлевые шарниры — гибкие шарниры с дизайном, приспособленным для сложных движений, более изощренных, чем простое открывание и закрывание конвенциональных шарниров.

Как сделать дизайн петлевого шарнира (производственные методы)

Существует 4 распространенных метода производства шарниров. Каждый уникален и зависит от предполагаемой цели и типа материала. Методы:

· Метод литья под давлением (Injection Molding)

Литье под давлением — самый распространенный способ производства деталей с петлевыми шарнирами. Быстрый, дешевый, позволяет массовое производство после решения прототипа или финального дизайна шарнира.

Литье под давлением — лучший вариант, гарантирующий быстрый лид-тайм и лучшие готовые продукты. Полипропилен и полиэтилен — лучшие материалы для литья под давлением шарниров: хрупкие, но достаточно долговечные для гарантии миллионов изгибов без поломки.

Рекомендации по дизайну шарнира для включения в дизайн петлевого шарнира

• Сохранять однородную толщину стенки

Неродная толщина приведет к поломке шарнира из-за разницы в охлаждении пластиковой детали. Однако однородная стенка не позволит шарниру быть тонким в области гибкости и соединения жестких частей. Важен идеальный баланс обоих.

• Прогибать шарниры

Важно прогибать шарниры несколько раз после литья. Помогает холодной вытяжке шарнира, улучшая его изгибаемость.

· Метод 3D-печати (3D Printing)

Пока литье под давлением лучший метод для эффективного дизайна петлевого шарнира, 3D-печать — более быстрая и рентабельная техника для производства прототипов. Это из-за автоматизированного процесса.

3D-печатные шарниры из пластиков вроде нейлона. В зависимости от материала, прототипы не имеют той же долговечности, что литые под давлением. Они хрупкие и ломаются при повторных изгибах. Тем не менее, идеальны для тестирования форм и толщины производимых деталей.

Рекомендации по дизайну шарнира для 3D-печати

• Толщина

При производстве 3D-печатных петлевых шарниров материал должен быть толще, чем у литых под давлением (возможно ~0,6 мм). Хотя шарнир менее гибкий, толщина обеспечивает долговечность.

• Ориентация

При создании 3D-печатного дизайна шарнира ориентация детали важна для максимальной прочности шарнира. Ширина шарнира должна быть под прямым углом к плоскости сборки для поэтапного построения шарнира и избежания поломки.

· Метод уретанового литья (Urethane Casting)

Метод уретанового литья не распространен в производстве, так как продукты менее долговечны и более склонны к поломке или изгибу.

Тем не менее, метод хорош для создания прототипов перед реальным производством. Включает литье резиновой формы с уретановыми смолами низкой дурометрии, создающими прототипы, плохо устойчивые к износу.

· Метод ЧПУ-обработки (CNC Machining)

ЧПУ-обработка — метод производства металлических дизайнов. Однако недавно произошел прорыв в ее использовании для производства прототипов петлевых шарниров.

По сравнению с уретановым литьем, ЧПУ лучше для производства долговечных прототипов петлевых шарниров как доказательства концепции нового дизайна. С ЧПУ прототипирование и верификация дизайна возможны и дают лучшие, более долговечные прототипы.

Лучшие практики для создания дизайна петлевого шарнира

Прототипирование — важная практика в производстве петлевых шарниров, позволяющая пересматривать дизайн до достижения продукта, функционирующего по спецификациям. Практики, которые эксперты по дизайну продуктов должны учитывать:

— Дизайн шарнира должен быть тонким и гибким.

Толстый петлевой шарнир может казаться прочнее, но более подвержен поломке при применении, так как недостаточно гибок для приспособления к напряжению или деформации. Следовательно, делайте дизайн шарнира тоньше и гибче.

— Использовать скругленные углы

Избегать острых углов в форме, так как они увеличивают напряжение на дизайне шарнира в форме. Это еще больше снизит долговечность петлевого шарнира.

— Выбор материала

Эффективность петлевого шарнира зависит от материала. Ваш выбор смолы должен свободно течь через тонкие области формы. Также не должен раскрывать трещины от напряжений при изгибе после охлаждения.

— Расположение впуска (Gate Placement)

Расположение впуска должно быть в центре шарнира. Это обеспечит равномерное распределение смолы по форме. Гарантирует согласованность формирования и охлаждения дизайна шарнира в форме. Следовательно, формирует лучшие и долговечные петлевые шарниры.

— Никаких длинных шарниров

Никакой шарнир не должен быть длиннее 6 дюймов. Если дизайн требует более длинных шарниров, разбейте длинный шарнир на меньшие части — это увеличит срок службы и предотвратит поломку петлевого шарнира.

Заключение

Дизайн петлевого шарнира — важный процесс в производстве изделий, связанных с потребительскими товарами, электрическими коробками соединений и дверными шарнирами. Статья дала простое разложение процесса. Однако использование услуг эксперта может дать преимущество над конкурентами в эстетике и функциональности. Именно здесь мы в RapidDirect вступаем в игру, предоставляя бесплатный DFM-анализ и профессиональные предложения для вашего дизайна. Можно загрузить CAD-файл и получить мгновенную котировку. Если есть проблема, можно консультироваться с нашей поддержкой для производственных советов.

FAQ

Какой лучший метод для производства дизайна шарнира?

Лучший метод зависит от предполагаемой цели петлевого шарнира. Некоторые методы лучше для прототипов, другие — для массового производства. Выбор метода также должен основываться на цели петлевого шарнира.

Насколько долговечен петлевой шарнир?

Петлевой шарнир должен быть маленьким и размерным для включения в детали. Его прочные особенности делают его крайне долговечным. Следовательно, выдерживает множество открываний и закрываний без поломки.