塑料件电镀设计

塑料件电镀设计

作者：比利时鲁汶ELSYCA NV公司Alan Rose

为表现产品美学、功能性、安全性和遵守的指标所做的设计影响着所采用的材料和制造工艺的选择。人们普遍认识到，80%的产品成本实际上在设计工艺早期所作的决定中已被列入“设计”。

过去，主要驱动因素包括在市场上不断降低的投放成本和时间。现在，对原始设备制造商和供应商又有其他的挑战，诸如他们的产品对环境的影响，不仅是在寿命期内或者是报废之后，而且还要考虑在制造过程中产生的影响。设计的选择直接影响制造过程中材料和能源的使用，并且，事实上，特别是在表面处理工业中的污水排放（更要予以考虑）。

在过去25年里，众多计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助设计（CAD）工具已经开发出来。早期CAE工具首先处理基本的物理特性，如压力、流体流动力和热传导性。随着CAE 技术工具的发展，并综合这类物理特性评估更为复杂的工艺，如塑料制造的模流达到了汽车零部件的电镀。然而，随着新工具的开发，必须仔细考虑，在目前的设计理念下如何运用它们，以确保充分发挥它们的潜力。

在过去10年中，CAE工具工艺的使用已自成学科，现有DFMA（制造和装配设计）、前面的CAE、虚拟原型设计、FEED、产品生命周期管理，以及前端模拟等。前期CAE的目的是用新的“模拟＆设计”取代原来的“设计与评估”。传统上，CAE技术专家在进行分析前将等待快要确定的CAD。这将限制所得利益，因为许多影响成本的设计决策已经做出。因此，在试验阶段会有许多问题留待解决，并为项目超支和费用带来风险。

在制造中纳入前期CAE会大大节省费用；若采用DFMA将节省600％的成本，而在同等生产水平下改良工序后的项目（“螺栓”的改进）最终只节省20％左右。

电镀力的设计

Elsyca开发了一个软件平台，可以导入OEM CAD数据，并能提供清楚说明和解决与表面抛光相关的生产问题的分析。同时还可以准确地预测任何复杂部件或部件机架镀层厚度的分布。通过这一平台，设计人员可以立即平衡产品设计/美学的需要与电镀的实际成本。事实上，该系统可以捕捉到内部和电镀供应商的电镀力，并在所需的基础设备中，为供应商选择

何种特定部件提供信息帮助。

雾光面板的电镀力

电镀力的分析是基于电镀槽里的单个部件，并计算槽的尺寸和它与周边部件的距离。

对于塑料零部件的电镀(POP)，对每一个铜、镍、镀铬的电镀步骤实施模拟。基于这些模拟，可以以不同的工艺参数进行审查，评估是否符合规格，是否需要加工完善。

表面类型和表层厚度规格

在大多数情况下，每个部件并不是所有表面都需电镀。对于汽车零件，当安装在终端产品上时，“A型”所有表面均可见，“B型”面只有侧视图显露。而当其安装在汽车或卡车上的时，“C 型”表面是看不见的。图1中，雾灯外框的正表面为深蓝色是A 型，而表面浅灰的是C型。在此示例中，无B型表面。

图1：通用汽车雾灯外框部件的计算机辅助设计示意图。

实现OEM金属层厚度的规格是关键，如果这些问题得不到满足，可能会产生一些问题，如出现镍(即区域无铬覆盖)。这可能会导致盐雾试验中腐蚀失效，或者，更糟的是，该区域均失效，这可能会造成高额的保修成本。

装饰性的塑料部件上的A型表面常用的层厚度规格是15微米的铜、20微米的镍和0.25微米的铬。铜层含有电红铜(2微米)和酸性铜（13微米）。镍层由四个镀镍步骤形成，(如12微米半光亮镍层和8微米高硫量、光亮、多微孔镍层。

这一工序适用于雾灯外框部件的计算机模拟，如表1中所列。

层厚度分布结果

图2显示，未经过额外加工的雾灯零件上的半光亮镍层分布情况。零件边缘明显电镀过量。在大容量的项目上，由于镍的浪费，这将带来费用损失。相反，零件被隐藏的表面得到非常小的镍覆盖面。

图2：半光亮镍层厚度分布——无加工

这样低的镍覆盖面的确需说明一下。图3显示，当进行精确加工时，镍的均匀性得以改进(包括防护层、当前附加阳极、阳极一致性)。

图3：半光亮镍层厚度分布——加工

另外，图4中显示需警觉的问题，它显示了零件里重要的镍。基于前面对电镀力的分析，设计师现在确切知道，雾灯框当前的设计若不经过额外加工是不可能电镀至符合规格的。现在可作出决定是否改动设计会影响到加工，或者，部件设计是否能够保证加工的附加成本和时间。现实是，不是所有的镀层商有设计和实施该加工资源。这显示了那些得到更多有资格供应商有价值信息的OEM会选择从哪里获得最有效的镀层服务。

图4：铬层厚度分布

复杂形状

电镀力的设计显示在复杂部件方面其不存在限制。这一方法也适用于像保险杠、轮毂、防护板这样的零件。图5显示了汽车保险杠镀镍的范例，一些区域的镀层厚度大为减少。

图5：汽车保险杠的半光亮镍层厚度分布。

结论

接下来是对其他CAE工具的类似的进程，Elsyca的三维电镀仿真技术在工序改良项目中已成功应用许多年。然而，与普通的工艺改良项目相比，DFMA可以节省更多的费用。

电镀力的设计，包括评估电镀工艺中具体产品设计的制造力的前期CAE分析。消除设计阶段中过量电镀的可能性，电镀匠可以从源头上减少金属和能源的浪费，同时显著改善其对整体环境的影响。此外，可以在前期生产时识别和量化潜在的产品质量问题，以消除在电镀层上昂贵的试错运行。

为确保从这一技术或任何CAE技术获得最大回报，首要的任务是将重点放在实施和整合上，这种分析都是理所当然，如对压力和热分析进行实验。

最后，电镀力的设计为进一步优化电镀工艺提供了一个良好的基础。一些加工工程方案可以通过前期模具设计、制造、在第一批部件到达电镀厂—切片提前交货的优势被测试。

作者简介

Dr.Alan Rose是英国机械工程师学会院士，他拥有航空工程学士，同时获得化学和工艺工

程博士学位。他目前在曼彻斯特大学和利物浦大学担任研究员职位，并一直从事流体相关的研究，培训计算流体动力学的毕业生和研究生。Dr.Rose是工程仿真工具的长期倡导者，一直参与美国空军、罗尔斯罗伊斯、杜邦和Johnson Matthey等公司的核查、验证、执行和仿真程序。在过去五年里，他对电化学工业中软件模拟工具的采用及应用作出相当大的贡献，如电镀、机械加工，甚至腐蚀。Dr.Rose目前在亚特兰大，负责Elsyca北美业务。可通过电话：+770-328 1346或电邮：alan.rose@与他联系