塑料工程项目管理:节约成本的误区

专业的顾问马克·罗森在2013年9月发行的《塑料工程》杂志中撰文,继续他在之前两期中的同一主题,探讨了一些致力于在塑料部件开发过程中降低成本的举措往往会适得其反。

上个月的文章中讨论了为何管理层愿意在概念设计阶段愿意投入大量的资金,却希望在随后的工程和工装阶段控制成本。很多时候,一旦某个设计准备工具报价,公司会寻求供应商去鉴别和修复设计上的问题,提供免费的分析服务。此外,公司往往会去寻找成本最低的加工厂家,这样供应商迫于成本的压力,不得不用劣质的模具进行部件加工和生产。为了节省成本而忽略对设计的提高,并使用低成本的生产设施,结果往往是项目延迟和长期的质量控制问题。

本文探讨了一些常见的管理者们由于试图在塑料产品工程和原型工装阶段节省成本所犯的错误,其中包括两个现实的例子,以强调这些错误所导致的代价。

1,在重要决策时不去咨询一个客观的技术顾问团队

随着现今塑料原料、模具、注塑和装配技术的不断发展,好的产品设计和分析决策的需要大量的知识,经验和努力。关键的团队建设,设计以及在一个项目的早期阶段作出分析决策,都可以决定一个项目的成败。不要依赖于厂商专门对外的技术咨询。建立一个专业和公正的顾问队伍,以协助自己的团队做出关键性的决策。

2,三维计算机辅助设计和分析软件:更快,更便宜,更易用那问题在哪里呢?

回到20世纪90年代,实体建模程序如Pro/E 和SDRC(和所需的硬件)的价格大概在6万美元;高端的注射分析软件,如Moldflow或C-Mold的价格甚至在10万美元以上。此外,这些程序要花数年的时间才能够掌握。 如今,花少于4万美元就能买到一个高端的CAD实体建模和注塑分析软件(像Solidworks和Simpoe-Mold),以及出色的硬件设备。这些程序更易学。一个聪明的高中毕业生,上几节课就能学会设计非常漂亮的塑料零件。再一天左右的训练,他或她就可以被教会如何将其网格化和进行流体模拟,并使用注射分析软件的自动报表功能,甚至可以作出一个好看的报告!

当然,漂亮的图片可能会给管理层留下深刻的印象,但优秀的塑料产品设计和做出有意义的分析决策仍然需要多年的经验,和大量的时间去测试不同的想法。

3,仅仅依靠模具师和机械师来纠正设计上存在的问题

此外,依靠现今的CAD实体建模软件,没有经验的设计师所完成的设计往往无法成型,或者需要过于复杂的工装。在某些情况下,为了获取更多的订单,模具师和机械师会提供的免费的设计“清理”的服务。

他们会在尽可能保持设计原型的前提下对设计进行修改以使其可以成型。但是客户希望得到最好的设计,从而在竞争中获得优势。这就需要深入研究了不同的设计,材料和可选的制造方案,显然这些不是模具师和机械师愿意免费去做的。在这种情况下,最好在了模具师和机械师的建议的同时,寻求外部专家的意见,以获得最优的设计方案。

4忽略材料选择的复杂性

从成千上万种不同类型和级别的材料中选择出合适的原材料绝不是一件轻松的工作。许多工程师在同供应商交流或者查询其各种数据表时,多会选择那些具有优越机械性能的材料,而往往忽视了其实际的可加工性。像充填型结晶型树脂,高粘度无定型树脂以及工程树脂这些高端材料往往在加工过程中容易产生翘曲,欠注,表面开裂等典型问题。而且选择这些高性能树脂常带来磨具花费高,塑模验收难以及额外的返工费用而扩大了整个项目的成本。

因此,在为一个新项目选择材料的时候,必须慎重对待,提供充裕的资金支持,必须要进行周密的调查研究和测试(可以通过已有的情报和咨询到的信息)。不要仅仅依赖材料供应商提供的数据表或者同他们的口头交流而草率做出决定。

此外,如果最终选择了一种不太熟悉的材料,那么在采购之前有必要花些钱来进行实验。浇注一些测试样品并对其进行性能测试,从而获得对该材料有更好的了解。测试过程可以采取以下步骤:

  • 向模具师询问是否有与你的零件设计具有类似特征的(如尺寸,壁厚等等)模具可用来进行测试。
  • 进行样件的浇注以更好的了解材料的收缩、翘曲、凹陷以及冒口剪切敏感性和顶出的难易程度。
  • 确保样件的浇注采用了实际产品的颜色。颜色同样会影响到零件(尤其是在采用晶体材料的时候)的收缩,翘曲和机械性能。在某些情况下,往母料中添加润滑剂有利于着色剂的分散,从而改变所需的加工条件和样件的性能。
  • 另外,对于某些关键性的产品应用,还需要对材料进行机械性能和化学耐腐蚀性能的测试,并与现有的数据相比较。(这项工作可能需要户外测试)

5,仅仅依赖于低成本或者免费的注塑分析

注塑分析是早期产品开发过程中用来产品设计的筛选和材料选择的重要工具。同时为模具设计和塑模、加工机械的成本估算提供了具有参考价值的信息。

然而,良好的分析需要建立在丰富的经验、知识、创造力还有充裕的时间之上—尽管许多项目经理并没有意识到这点。因此不要为了省钱而从不擅长分析的工程师那获得“免费”的评价,或者依靠忙碌的供应商方的分析师的答复。否则你顶多只能得到一个非常粗略的结论。但是有时候,零件设计的一个简单瑕疵或者千分之几的壁厚的差异,都会造成样件性能的差之千里。对于这种外科手术式的分析需要花费大量的时间进行多次重复的尝试(理论测试),并且还要在多年经验的基础之上才有可能掌握。

6,设计原型时节约的途径

原型有两个最主要的功能,首先是用于产品设计及材料选择的可行性评估,其次是更好的认识生产装备的设计。有时,为了节省金钱和时间,对原型设计进行了简化,这可能会导致部分工件不同于生产工具中的相应部分,从而误导生产工具的设计。有关节约原型模具生产成本的方法包括:

  • 标准模具比生产工具使用较少的冷却工艺。
  • 变更部分设计以便可以全数控加工。
  • 边缘部分使用手工加工。
  • 简化注射系统。
  • 使用软的工具钢。
  • 使用与生产工具不同的阀门和通风口。

比起生产工装,原型工装可能需要更高的温度下工作、更慢的加注时间,更长的运行周期、更多的开模次数以及加工过程中更松的紧固压力。这一部分使用的材料需要手动来调整火候以及后期的成型和退火工艺。

一种较好的解决方法是坚持在同一家工具生产商来制作原型和生产工件,这可以使得设计和生产的技术知识能够无缝交接,从而为整个项目的完成节省金钱和时间。

项目实例:

实例一:使用错误的材料做摩托车防护罩

第一个例子,来自一个为摩托车生产厂家供应塑料防护罩的公司。公司采用了一家大型材料供应商为他们推荐的一种树脂,而且供应商能提供免费的技术支持。公司在境外的工厂建立了六套生产工装,并将样件运回公司来进行测试,但样件在抗疲劳测试过程中都发生了断裂。

公司的解决方案是转而使用另外一个供应商的尼龙66强化超韧玻璃。不幸的是,由于该材料的收缩特性,要付出昂贵的代价进行工装的改进。结果,不仅造成了项目数月的延期,还增加了几十万美元的研发成本。

鉴于此,不通过测试而草率地采纳材料供应商的建议,有可能会付出昂贵的代价!

实例二:医疗器械外壳的境外加工和取样

在这个项目里,我被邀请来协助一家境外的工厂,他们为一家医疗器材公司生产部件,总共有超过三十个的注塑模具。如图这个特殊的部分是一个大型复杂医疗设备的外壳。所选的材料是熔体流动指数为10的慢流动聚碳酸酯。该客户在之前很多项目中都使用了同样的材料,而且对其机械性能和耐化学腐蚀性都很满意。为了降低生产的成本,针对该材料进行了工装的建造并投入了生产。

结果在部件样品中发现了以下这些问题:

  • 该部件尺寸比较小,尽管之前对该材料的收缩性能已有很好的了解。
  • 该部件上有几个通风口非常易碎,而且通风口的中部偶尔会有欠注现象。
  • 该部件表面有难看的焊缝线。
  • 该部分表面织构只有少量的亮的区域,其他区域颜色太暗。

为了得到好的解决方案,我同客户以及供应商进行了详细的讨论,了解了试样部分的历史并检查了工艺单和工具设计。同时他们也把对该部件进行的“免费”的注塑测试结果发给了我。

我发现的一个问题是供应商之前没有使用硬质PC进行生产的经验。他们通常使用更易于加工的材料,如ABS或ABS/PC混合物。

所导致的问题如下:

  • 注入分析的结果是错误的。它显示填充压力约14000 psi[97 MPa],这个值对于使用这种PC材料生产这样大尺寸的部件来讲太低了。
  • 重新进行注入分析,考虑一些额外的因素,我们所获得的填充压力接近18000 psi[124 MPa]。考虑到该部件的设计压力很难释放以及上游压力损失,这样总注入压力很容易就增加到23000 psi [159 MPa],这个比该设备的极限值20000 psi[139 MPa]还要大。
  • 该模具有个长而冷的非常受限的注入口。
  • 该模具的周界通气不够,而且部件内部的排气孔自洁弹射别针的数目太少。
  • 选择的钢和工具设计不允许很高的注射压力。
  • 模具在对PC(170°F(77°C)来说很低的温度下运行,而不是所推荐的190°F (88°C)或更高),它的冷却系统不够大,可能会导致大的温度变化。

在生产这个工具时, 考虑到高的注射压力和排气问题,磨具师不得不使用一个较慢的充填时间。此外,为防止闪烁,从浇注到包装的转换被提前,同时充填压力也被降低。这样就导致了最终获得的部件尺寸偏小,而且表面以及焊缝的质量都比较差。

建议对设计和生产步骤做以下修改:

  • 用一个温度高的下坡道取代冷浇注口,并配备6毫米的阀门。(该建议因为成本原因而未被采用;相反,冷浇道和喷嘴要尽可能开放:绕道顶部直径为6毫米,喷嘴直径为5毫米)。
  • 在散热孔下面的平坦区域添加额外的排除孔以便更好地散热。(也添加额外的边缘排气)
  • 用中心流动引导来修改排气孔的横截面,减少中间滞留的现象,而且使焊线远离中间位置。
  • 在部件底部添加一个0.5毫米流动引导来减少填充压力。(这种改变是借助很多模拟来优化设计的)
  • 提高模具温度到190°F的起始值(88°C)。(对硬质PC进行成型需要热模和足够快的注入时间,因为材料散热很快)

做了以上这些改变之后,就能够获得性能良好的部件。充填压力减少到约18000 psi[124 MPa]-仍然很高,但对于这种材料却并稀奇。散热孔不再欠注,部件的表面质量也可以接受。对于这种材料,模具还不够坚固,冷却条件也并非最佳,但这些在后期阶段已经不可能最进一步的改进了。

总结

通过以上的教训和例子,可以看出管理者有多么地需要理解塑料工程、材料的选择、分析和原型设计的复杂性。建立一个由内部团队成员,供应商,和公正的外部专家组成的技术顾问团队是很有必要的。对于一个项目来说,管理人员要对这些关键阶段给予重组的时间和资金支持,因为在早期阶段的错误可能导致费用高昂的修复过程和项目的延迟。

关于作者:Mark RosenCorex设计公司的负责人,提供专业的塑料设计,塑料工程和管理等方面的咨询服务。大家可以通过 www.corexdg.com网站联系到他。