Các sản phẩm silicon gấp được thiết kế để có tính linh hoạt — nhưng chỉ tính linh hoạt thôi không đảm bảo độ bền. Sau hàng trăm hoặc hàng nghìn lần gấp, các vết nứt, hiện tượng bạc màu và hỏng mối hàn thường xuất hiện.
Việc tối ưu hóa độ dày thành, hình dạng gân và bán kính bản lề đảm bảo các cấu trúc gấp bằng silicon đạt được khả năng chống mỏi lâu dài mà không làm giảm tính tiện dụng hoặc tính thẩm mỹ.
Khi tôi thiết kế hộp đựng cơm gấp gọn cho một khách hàng, nguyên mẫu đầu tiên đã bị hỏng chỉ sau 300 lần gấp. Bằng cách thiết kế lại hình dạng khung sườn và bán kính bản lề, tuổi thọ đã được kéo dài hơn 3000 lần. Đây là những bài học tôi rút ra từ quá trình đó.
Các trường hợp sử dụng và mục tiêu vòng đời sản phẩm?
Các sản phẩm khác nhau có yêu cầu về độ bền khác nhau. Một chiếc cốc gấp dùng một lần mỗi ngày không giống với một hộp cơm trưa gấp gọn dùng nhiều lần trong ngày.
Xác định tần suất gấp, môi trường và các chế độ hỏng hóc là bước đầu tiên để thiết kế khả năng chống mỏi.
Tần suất gấp điển hình và mục tiêu tuổi thọ
| Kịch bản sử dụng | Tần suất hàng ngày | Tuổi thọ mục tiêu | Chế độ hỏng hóc điển hình |
|---|---|---|---|
| Cốc di động | Gấp 1-2 lần/ngày | ≥500 chu kỳ | Làm trắng, biến dạng nhẹ |
| Hộp cơm trưa | Gấp 3-5 lần/ngày | ≥1000 chu kỳ | Hỏng gioăng, rách bản lề |
| Thùng chứa | Gấp hơn 10 lần/ngày | ≥3000 chu kỳ | Vết nứt tại đường gấp |
Các kiểu hỏng hóc thường gặp
- Xé rách: Bắt đầu từ những góc mỏng hoặc sắc nhọn.
- Làm trắng: Nguyên nhân là do sự tập trung ứng suất cục bộ vượt quá giới hạn biến dạng đàn hồi.
- Biến dạng vĩnh viễn: Silicone sẽ "đông cứng" lại dưới tác động của lực căng lặp đi lặp lại.
- Hỏng gioăng: Hiện tượng biến dạng do nén tại các khu vực mép bịt kín.
Bằng cách xác định kỳ vọng về tuổi thọ ngay từ đầu, các nhà thiết kế có thể điều chỉnh các lựa chọn về cấu trúc và vật liệu sao cho phù hợp với hiệu suất chịu mỏi thực tế.
Thiết kế thành mỏng và gân?
Thiết kế thành và gân chịu lực quyết định trực tiếp cách phân bố ứng suất trên các vùng gấp. Nếu quá dày, bản lề sẽ khó gấp lại. Nếu quá mỏng, nó sẽ bị rách sớm.
Độ dày thành và hình dạng gân cân bằng giúp giảm thiểu sự tập trung ứng suất trong khi vẫn duy trì được tính linh hoạt khi gấp.
Độ dày thành tường được khuyến nghị (Dựa trên độ cứng của silicon)
| Độ cứng (Shore A) | Độ dày thành tối thiểu (mm) | Độ dày thành điển hình (mm) | Độ dày thành tối đa (mm) |
|---|---|---|---|
| 20A | 0.5 | 0.8 | 1.5 |
| 40A | 0.8 | 1.2 | 2.0 |
| 60A | 1.2 | 1.8 | 2.5 |
Hướng dẫn thiết kế sườn
| Yếu tố thiết kế | Phạm vi khuyến nghị | Mục đích |
|---|---|---|
| Chiều cao xương sườn | 0,3–0,5 lần độ dày thành | Tăng cường khu vực gấp |
| Khoảng cách giữa các xương sườn | ≥3 lần độ dày thành | Phân bổ ứng suất đồng đều |
| Bán kính chuyển tiếp | ≥0,2 mm | Tránh các điểm tập trung ứng suất đột ngột. |
| Căn chỉnh nếp gấp | Nằm ở trung tâm thung lũng sườn núi | Thúc đẩy uốn cong đối xứng |
Các mối nối bo tròn và sự thay đổi độ dày dần dần giúp giảm ứng suất cục bộ. Tại các khu vực gấp khúc, tỷ lệ làm mỏng 60–70% (so với độ dày thành đáy) giúp phân bố ứng suất uốn đồng đều.
Thiết kế bán kính bản lề và gấp?
Hình dạng bản lề quyết định cách silicon uốn cong — bán kính quá nhỏ dẫn đến hiện tượng bạc màu hoặc nứt vi mô, trong khi bán kính quá lớn làm giảm độ chắc chắn khi gấp lại.
Việc tính toán bán kính uốn cong và loại bản lề phù hợp sẽ đảm bảo chuyển động gấp mượt mà và bền lâu.
Công thức bán kính uốn cong tối thiểu
\[ R_{min} = k \times t \]
Ở đâu:
- Rmin = bán kính uốn cong bên trong tối thiểu
- t = độ dày thành
- k = hệ số vật liệu (phụ thuộc vào độ cứng)
| Độ cứng (Shore A) | Hệ số k | Bán kính uốn cong tối thiểu (đối với thành dày 1 mm) |
|---|---|---|
| 20A | 1,0–1,2 | 1,0–1,2 mm |
| 40A | 1,5–2,0 | 1,5–2,0 mm |
| 60A | 2,5–3,0 | 2,5–3,0 mm |
Các loại thiết kế bản lề
| Loại bản lề | Kết cấu | Lợi ích | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Bản lề sống | Phần mỏng liên tục | Đơn giản nhất, tiết kiệm chi phí | Cốc gấp một lần |
| Bản lề phim | Độ dày giảm dần | Phân bố chủng tốt hơn | Các nếp gấp nhiều lớp |
| Bản lề bán kính kép | Đường cong hai bước | Độ đàn hồi mượt mà | Thùng chứa có thể gấp gọn |
Các nếp gấp định sẵn hoặc các đường gờ dẫn hướng có thể giúp việc gấp diễn ra theo các đường thẳng dễ dự đoán, ngăn ngừa biến dạng không kiểm soát và mỏi vật liệu sớm.
Lựa chọn vật liệu và độ cứng?
Độ cứng của silicone ảnh hưởng đến cả độ dẻo và độ bền mỏi. Việc lựa chọn đúng loại và chất phụ gia sẽ tạo nên sự khác biệt giữa độ bền 300 chu kỳ và 3000 chu kỳ.
Việc lựa chọn độ cứng silicon phù hợp, gói phụ gia và thiết kế độ cứng kép sẽ tối đa hóa khả năng chịu uốn.
Độ cứng so với tuổi thọ mỏi
| Độ cứng (Shore A) | Khả năng chịu đựng khi gấp gọn (Xe đạp) | Sử dụng điển hình |
|---|---|---|
| 20A | ~2000 | Thành cốc linh hoạt |
| 30A | ~3000 | Khu vực gấp chung |
| 40A | ~5000 | Hộp đựng cơm trưa được gia cố |
| 60A | ~800 | Khung đỡ cứng cáp |
Các yếu tố vật chất khác cần xem xét
| Nhân tố | Sự miêu tả | Sự giới thiệu |
|---|---|---|
| Silicone dùng trong thực phẩm so với silicone công nghiệp | Loại dùng trong thực phẩm có thành phần hóa học an toàn hơn nhưng độ bền xé hơi thấp hơn. | Điều chỉnh hình học để bù trừ |
| Chất làm cứng | Cải thiện khả năng chống rách 20–30% | Sử dụng trong các khu vực gấp |
| Đồng phun độ cứng kép | Kết hợp khung cứng cáp với bản lề mềm mại | Thích hợp nhất cho các cấu trúc có thể gấp gọn. |
Câu hỏi thường gặp: Chi phí và lợi ích của thiết kế độ cứng kép là gì?
Khuôn đúc hai độ cứng làm tăng chi phí dụng cụ từ 20–30% nhưng mang lại hiệu quả cao hơn. 2–3× Cải thiện tuổi thọ chịu mỏi. Nó cũng cho phép bịt kín chặt chẽ trong khi vẫn giữ được độ linh hoạt của các vùng gấp – lý tưởng cho các thiết kế cao cấp, tuổi thọ cao.
Kiểm định độ bền mỏi và phân tích lỗi?
Không có thiết kế nào được coi là hoàn chỉnh nếu thiếu bước kiểm chứng. Các thử nghiệm độ bền uốn và mô phỏng FEA giúp xác định các điểm yếu trước khi sản xuất.
Kiểm tra độ bền mỏi và phân tích ảo đảm bảo các thiết kế gập đáp ứng được mục tiêu về tuổi thọ trong điều kiện thực tế và điều kiện tăng tốc.
Các phương pháp kiểm thử và xác nhận điển hình
| Bài kiểm tra | Sự miêu tả | Tiêu chí đánh giá |
|---|---|---|
| Kiểm tra chu kỳ gấp | Gập từ 0–180° ở tốc độ đã đặt | Số chu kỳ hỏng hóc |
| Mô phỏng biến dạng FEA | Mô hình 3D chịu uốn | Biến dạng tối đa ≤ 20% |
| Lão hóa nhanh | 70°C × 1000 giờ + độ ẩm | Khả năng duy trì tuổi thọ sau lão hóa ≥ 80% |
| Phân tích trực quan | Trắng, nứt, biến dạng | Tài liệu về chế độ lỗi |
Các cơ chế hỏng hóc điển hình
- Làm trắng: Định hướng chuỗi polymer và sự hình thành vết nứt nhỏ.
- Xé rách: Căng thẳng quá mức ở gốc bản lề hoặc gờ sắc nhọn.
- Sự xuống cấp của lớp niêm phong: Biến dạng nén sau nhiều chu kỳ nhiệt.
- Bộ cố định: Hiện tượng mỏi liên kết ngang sau thời gian dài gấp khúc.
Tại sao hiện tượng trắng da xảy ra?
Hiện tượng trắng răng là do các lỗ rỗng siêu nhỏ và sự sắp xếp chuỗi polymer gây ra bởi sự biến dạng lặp đi lặp lại vượt quá giới hạn đàn hồi. Silicone mềm hơn hoặc bán kính uốn cong lớn hơn sẽ làm giảm xu hướng trắng răng.
Phần kết luận
Thiết kế silicon chống mỏi là sự hài hòa — giữa cấu trúc, vật liệu và hình dạng. Bằng cách kiểm soát độ dày, bán kính và độ cứng, các nhà thiết kế có thể tạo ra các sản phẩm có thể gập lại được, chịu được hàng nghìn chu kỳ mà không bị biến dạng hoặc mất độ kín.
Bạn muốn kiểm tra thiết kế gấp của mình trước khi chế tạo khuôn?
Hãy gửi bản phác thảo kết cấu và mục tiêu tuổi thọ cho nhóm của chúng tôi để nhận danh sách kiểm tra xác minh thiết kế tùy chỉnh, hoặc tải xuống Tài liệu tham khảo nhanh về thông số kỹ thuật thiết kế kết cấu gấp từ trang web của chúng tôi. Thụy Dương Silicone.
