Этап 2 - Создание предварительного эскиза

Как только сформулированы требования к изделию, команда разработчиков изделия может начинать работать с конструкторами изделий по разработке эскизов, отражающих начальную концепцию изделия. Обычно эти эскизы представляют собой трехмерные виртуальные изображения (3D), получаемые с помощью CAD-систем. Части изделия, которым следует уделить особое внимание, помечены. и имеют отдельные увеличенные изображения. На этом этапе проектирования следует определить, какие параметры и размеры изделия будут оставаться неизменными, а какие можно изменять. К фиксированным параметрам относятся те, которые нельзя изменить с точки зрении конструктора (например, размеры, которые определяются стандартами, и т. п.), а к переменным относятся те, которые не были определены на начальных этапах конструирования. В качестве примера рассмотрим насадки для садовых шлангов (рис. 1).

Рис. 1 Пластмасса очень часто используется для замены какого-либо материала. Изделие в центре по своей форме очень близко к металлическому, которое показано слева от него, а насадка из пластмассы (справа) была разработана при очень незначительном влиянии конструкции из металла

Задачей конструктора является изготовление насадки целиком из пластмассы. Если десяти конструкторам задать одинаковые характеристики изделия и попросить их независимо друг от друга сконструировать насадки, то, вероятно, будет представлены 10 различных конструкций. Однако некоторые элементы у каждой из них будут одинаковыми. Например, внутренние размеры в области, где находится резьба для крепления садового шланга, будут одинаковыми у всех вариантов, поскольку они определяются стандартами. Но другие параметры, к которым относится общая форма изделия или способ регулировки подачи воды, могут отличаться. Один из вариантов насадки из пластмассы, который показан на рис. 1, по виду очень похож на металлический образец (слева). Вероятно конструктор этого изделия из пластмассы находился под влиянием от существующей металлической насадки. С другой стороны, следующее изделие, представленное на рис. 1, выполняет ту же основную функцию, но в ней заложены другие принципы управления струей воды. Это изделие имеет совершенно иной внешний вид.

На практике для замены изделия из металла лучше ориентироваться только на технические характеристики изделия, а не копировать существующий аналог. Как только конструктор увидел и оценил функциональные возможности металлического изделия, ему будет сложно избежать искушения просто скопировать существующую конструкцию. Слишком большое внимание к уже существующей конструкции ограничивает творческий и инновационный потенциал разработчика. Кроме того, если перед началом проектирования изучаются конкурентоспособные изделия, возникает опасность нарушения патентов.

Этап 3 - Предварительный подбор материала

Как только были определены требования, предъявляемые к изделию потребителями. конструкторы могут начать поиск марок пластмасс. пригодных для производства. Выбор материала осуществляется путем сравнения свойств подбираемых материалов с комплексом свойств конечного изделия. Поскольку существуют буквально тысячи промышленных марок материалов, найти подходящий вариант для конкретного изделия вполне возможно. На начальном этапе рекомендуется выбрать несколько потенциально пригодных вариантов (возможно от 3 до 6 марок/составов материалов).

Из-за того, что число доступных марок материалов огромно, процесс подбора материала может затянуться. При отборе рекомендуется начинать процесс выбора материалов с тех его свойств, которые не могут быть улучшены за счет конструирования. К таким свойствам относятся: коэффициент термического расширения (КТР), прозрачность, химическая стойкость и температура размягчения. Например, ПЭВП не может быть использован для производства прозрачных упаковок, поскольку он полупрозрачен или вообще светонепроницаем, а ПК не может использоваться для изготовления бензиновых канистр из-за его неустойчивости к гидрокарбонатам.

Использование для отбора материалов перечисленных выше характеристик позволяет относительно легко устранить целые группы материалов, и значительно сократить число потенциально возможных. Процесс выбора материалов можно ускорить, если для изделия не исключается возможность нанесения покрытия на поверхность. Покрытия используются для повышения химической стойкости, износостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому облучению и улучшения внешнего вида изделия. При использовании покрытия становится возможным применять материал, который в другом случае был бы совершенно непригоден для данного изделия. Армирующие добавки также могут облегчить процесс выбора материала. Они позволяют изменять некоторые свойства пластмасс путем добавления их в расплав или при составлении смесей (компаундов).

В отличие от рассмотренных выше свойств большинство механических свойств изделий из полимерных материалов могут регулироваться при конструировании. При конструировании пластмассового аналога металлической детали упругость материала играет наиболее важную роль. Одна из проблем заключается в том, что сталь обладает высокой жесткостью и устойчивостью к ударам, а жесткие пластмассы весьма хрупки (армированные стеклопластики облачают высокой жесткостью, но являются хрупкими). Во многих случаях высокие эксплуатационные характеристики достигаются у мало армированных или неармированных марок промышленных полимеров. Такие материалы менее жесткие, некоторым присуща ползучесть. Но в ряде случаев они более ударостойки, и снижение жесткости может быть скомпенсировано за счет геометрии изделия (использование ребер и других элементов).