HyperWorks助力全球家电制造商利用新材料实现更强更低成本的产品

7月前浏览1529

本文摘要（由AI生成）：

苏州三星电子公司在提升家电产品竞争力时，面临材料成本与市场需求的双重挑战。公司尝试用低成本的高冲击聚苯乙烯（HIPS）替代ABS工程塑料，但在冰箱门盖制造中遇到开裂问题。经过深入的材料、结构和成型分析，发现HIPS材料性能不足。工程师通过增加门盖厚度和加强筋设计，结合仿真分析，成功提高门盖安全性，降低变形。尽管重量微增，但成本降低，实现成本效益与产品质量的双赢。此案例展现了家电制造商如何运用创新技术和仿真工具，提升市场竞争力，维护高品质产品形象。

项目介绍

韩中合资的苏州三星电子公司开发和生产主流的家电产品，包括冰箱和洗衣机等。公司不断寻求新的途径来提升竞争力，通过在不牺牲产品性能的同时减少材料的使用。

挑战

“家电产品是竞争非常激烈的市场，” 三星电子CAE工程师赵守振说，“所以家电设备制造商在创建新的设计时特别强调技术创新和成本效益。而简化产品结构和控制生产工艺是成本控制的重要因素，原材料的选择在降低成本方面起着重要作用。”

因此，苏州三星考虑改变某些型号的冰箱门盖设计。冰箱门由上门盖、下门盖、钢板、内胆以及发泡料组成。ABS工程塑料通常是通过注塑成型而制成，用在上门盖和下门盖上，被安装在门端，固定门的位置。

为了控制成本，公司试图用高冲击聚苯乙烯，或HIPS来替代门盖的ABS材料进行注塑成型。不幸的是，在物理试验中，HIPS制成的门盖在温度循环试验中发生了开裂。

温度循环后冰箱门盖开裂

解决方案

在这些测试中，门被放置在变温室内，温度起初先降低到令人不寒而栗的水平，然后提升到高温状态，最后再降到冰点。在这个温度循环过程中，由HIPS材料制成的冰箱上下门盖的顶部表面发生了开裂，裂纹开始于门盖前边缘的中间位置。

苏州三星的工程师开始对材料、结构和注塑成型流程进行分析，找出开裂的原因。他们知道相比ABS，HIPS的强度和韧性要差一些，并且热膨胀系数要大，在温度急剧变化的情况下变形较大。显而易见，材料的改变是导致开裂的主要因素。其次，出于美观的角度，门盖的边缘采用了平面倒斜角的形式，导致了外边缘强度的降低。在注塑成型的过程中，上门盖采用三点进胶，中间部位存在浇口，下门盖采用两点式进胶，中间部位存在熔接线，在浇口和熔接线附近会产生残余应力，这种残余应力的存在会加剧门盖在中间部位开裂的风险。找到这些因素之后，工程师们试图验证他们的物理分析，找出HIPS门盖设计的改进方法，从而消除开裂现象。

工况1（右）和工况2（左）的门体整体变形云图（HIPS）

仿真分析指出，在工况1中，门盖的应力和变形较大，即门盖开裂是由低温时的收缩引起的，这与实验结果是一致的，最大应力发生在上下门盖的前边缘的中间部位，与实际断裂部位也是吻合的。材料由ABS改为HIPS后，安全系数由2.0降低到1.3，由于HIPS更低的应力限制，最大变形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上温度循环累计的效应，所以门盖会发生开裂。

工程师接下去开始评估防止开裂的方法，从增加门盖顶部表面的厚度和增加纵向和横向加强筋开始。

“我们提出了两种改进方案，然后利用HyperWorks分别进行CAE分析，”赵工说，“经过分析，延长加强筋的长度和高度的方案将门盖的安全系数增加到2.0，和ABS材料的安全系数一样。”门体整体变形也由3.3mm减小到2.3mm（超过ABS），尽管上下门盖重量分别增加27.6g和17.5g，HIPS的成本还是少于ABS；所以即使重量稍有增加，HIPS还是降低了整体的材料成本。