Techniki montażu obudowy z tworzywa sztucznego

Tworzywa sztuczne są coraz częściej używane w procesach produkcyjnych, ale istnieje wciąż sporo obaw dla szerszego ich stosowania.  Aby rozwiać wątpliwości, inżynierowie muszą udowodnić, że nowe wyroby z tworzyw sztucznych spełniają wymagania efektywnościowe, zarówno pod względem kosztów komponentów jak i czasu montażu.  Chociaż tworzywa sztuczne dają wiele korzyści, podczas montażu na linii produkcyjnej mogą pojawić się niespodziewane utrudnienia, które skutkują spadkiem efektywności, odrzuceniem lub uszkodzeniem części i dodatkowymi kosztami.  W niniejszym dokumencie omówiono zalety i wady następujących metod mocowania stosowanych do montażu elementów z tworzyw sztucznych: kołków pełnych, klejów, wkrętów, śrub i połączeń zatrzaskowych.  

Przed wyborem metody mocowania projektanci muszą zdecydować, czy ich wyrób ma być rozbieralny. Na przykład, produkty takie jak czujki pożarowe, piloty telewizyjne i piloty do samochodów muszą być zaprojektowane tak, aby konsumenci mogli otworzyć ich obudowy w celu wymiany baterii. Z drugiej strony, produkty typu suszarki do włosów i jednorazowe wyroby medyczne zazwyczaj nie są przeznaczone do otwierania lub naprawy. Co więcej, niektóre komponenty będą zaprojektowane tak, aby były odporne na próby rozbierania i ingerencji w ich środek, np. urządzenia elektroniczne.

Do trwałego mocowania elementów powszechnie używane są kołki pełne, kleje, wkręty, śruby i połączenia zatrzaskowe. Chociaż projektanci nie muszą zaznaczać w projekcie, że nowy produkt ma być rozbieralny, w wielu urządzeniach używa się łatwo demontowalnych elementów złącznych, takich jak śruby, ze względu na wygodę i przyzwyczajenia użytkowników. Nawiązując do przykładu z rys. 1, w większości kalkulatorów kieszonkowych do łączenia połówek plastikowej obudowy używa się wkrętów, mimo że użytkownik nie musi rozbierać obudowy w trakcie użytkowania wyrobu.

Pełne kołki i kleje są najczęściej stosowane do stałych połączeń, które mają być odporne na demontaż, ponieważ zapewniają one doskonałą trwałość montażu elementów z tworzyw sztucznych. Kleje zapewniają mocowanie poprzez wzajemne związanie kilku komponentów. Warto pamiętać, że pełne kołki zapewniają trwałość połączenia oddziałując na materiał macierzysty, tym samym odkształcając go. Należy zwrócić uwagę, że pełne kołki z elementami zatrzymującymi (takimi jak radełkowanie, zadziory) są lepsze niż gładkie kołki, ponieważ pozwalają na większe tolerancje średnicy otworów i zmniejszają naprężenia w elementach z tworzywa sztucznego.

Utrudnienie ingerencji w produkt mniejsza ryzyko utraty gwarancji, uszkodzenia wyrobu lub narażenia go na oddziaływanie środowiska (np. wilgoci, kurzu). Ponadto, rozbieralne elementy złączne, takie jak wkręty, stwarzają poważne zagrożenie bezpieczeństwa w przypadku niektórych wyrobów, np. zabawek dla dzieci (ryzyko połknięcia). Z tych powodów pełne kołki i kleje zazwyczaj stosuje się do łączenia elementów, które nie wymagają rozbierania.

Kleje można nakładać za pomocą pistoletów ręcznych albo zautomatyzowanych urządzeń dozujących. Często wymagane jest przygotowanie powierzchni elementów klejonych. Proces nakładania kleju w trakcie łączenia jest dość skomplikowany i wymaga wykwalifikowanych operatorów. Nałożenie zbyt małej lub zbyt dużej ilości kleju na pojedynczy element może prowadzić do miejscowych nieprawidłowości mocowania. Ponadto, wiele klejów wymaga sprawdzania temperatury, kontroli docisku i/ lub kontrolowanego mieszania różnych składników przed nałożeniem na element klejony. Po nałożeniu kleju następuje proces utwardzania, który w niektórych przypadkach może trwać dłużej niż 24 godziny! 

Oprzyrządowanie do klejów wymaga pracochłonnej konserwacji i monitorowania, ponieważ kleje powodują zabrudzenia, a sprzęt może się zatykać w przypadku jego zanieczyszczenia. Poza tym, wiele klejów ma ograniczony okres trwałości. Wszystko to zwiększa koszty i komplikuje proces montażu, a także zmniejsza dostępność urządzeń. Przy tak wielu zmiennych, powtarzalność operacji i kontrola jakości mogą stanowić wyzwanie.

Połączenia zatrzaskowe są zwykle wykonywane ręcznie, poprzez dociskanie elementów do siebie. Zasada działania połączeń zatrzaskowych może się znacznie różnić w zależności od konstrukcji zazębiających się elementów. Niektóre połączenia zatrzaskowe są zaprojektowane jako rozbieralne, a inne jako stałe. Używając połączeń zatrzaskowych, producenci minimalizują całkowitą liczbę części używanych w podzespole. W ostatecznym rozrachunku, pozwala to redukować koszty, zapasy i czynności obsługowe. Jednak połączenia zatrzaskowe charakteryzują się mniejszą pewnością niż inne metody mocowania, ponieważ wytrzymałość połączenia zatrzaskowego jest zależna od wytrzymałości samych elementów z tworzywa sztucznego. Połączenia zatrzaskowe są zalecane w przypadku podzespołów narażonych na niewielkie obciążenia. Z racji swojej podatności na uszkodzenia, połączenia zatrzaskowe mogą stwarzać zagrożenia dla otoczenia, takie jak ryzyko połknięcia odłamków.

Podczas projektowania obudowy z tworzywa sztucznego, projektanci muszą brać pod uwagę efektywność, prostotę, koszty elementów złącznych i koszty montażu.  Konstruktorzy już na wczesnym etapie projektowania powinni współpracować z inżynierami produkcji, aby byli w stanie uwzględnić cały proces montażu.  Zbyt często nowe produkty są opracowywane bez uwzględnienia czasu trwania cyklu montażowego, ilości odpadów, kosztów konserwacji i zachowań konsumentów w całym okresie użytkowania wyrobu.