游戏机手柄方向按钮注射模毕业设计

深圳大学
毕业设计（机械类）题目: 游戏机手柄方向按钮注射模设计
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2013年5月23日
前言
随着各种性能优越的工程塑料不断开发，注塑工艺越来越多地被各个制造领域用以成型各种性能要求的制品。

要高质量、经济地生产出注塑制品，必须综合考虑成型树脂、注塑模具及注塑机的问题，注塑模具的设计质量直接影响成型制品的生产效率、质量及成本。

注塑模具在注射制品成型中起着极其重要的作用，除了塑料制品的表面质量、成型精度完全由模具决定之外，塑料制品的内在质量、成型效率也受模具左右，所以如何高质量、简明、快捷、规范化地设计注塑模具，成为发挥注塑成型工艺的优越性，扩大注塑制品的首要问题。

传统的注塑模具设计，主要是依赖设计人员的经验，设计的速度、质量及可靠性的程度，因设计人员的经验而异。

又因模具是单品或极少批量的产品，采用传统设计方法，每一张图纸都需要手工绘制，设计人员的工作强度大，设计工作难以达到规范化、标准化。

目前世界上工业发达的国家和地区都已相继采用计算机技术进行注塑模具设计，其主要是采用计算机辅助设计即CAD及计算机辅助工程CAE。

我国模具工业从起步到飞跃发展，历经了半个多世纪，近几年来，我国模具技术有了很大发展，模具水平有了较大提高。

大型、精密、复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。

模具质量、模具寿命明显提高；模具交货期较前缩短。

模具CAD/CAM/CAE技术相当广泛地得到应用，并开发出了自主版权的模具CAD/CAE软件。

塑料模是应用最广泛的一类模具。

近年来，我国塑料模有长足的进步。

在制造技术方面，首先是采用CAD/CAM技术，用计算机造型、编程并由数控机床加工已是主要手段，CAE软件也得到应用。

摘要：首先对产品进行市场调查及工艺分析，定出可行的方案，然后详细介绍注塑模设计的人工及CAD流程，阐述了在Pro/Engineer环境下注塑模设计
的一般流程，对塑件进行CAE分析后，进入模具的结构设计及有关参数计
算，接着进行浇注系统及模具的有关键零部件设计，最后把关键零部件的
二维图和立体图，还有模具的装配图和爆炸图以图纸形式展现出来。

关键词：按钮、塑料、注塑模、Pro/Engineer
In jection Plastic Mold Design
Abstract：First，investigated and analyzed the technology of the product, decided the available program. And then introduced the manual
and CAD process of the injection plastic mold design. Expound
the process of the injection plastic mold design under the
environment of Pro/Engineer. Analyzed the CAE of the product.
Then designed the structure of the mold and computed the related
parameters. Finally design the related part of the mold and
show all of the engineer pictures and three-dimensional
drawing.
Keyboards: button、plastic、 mold、Pro/Engineer
目录
一、概述
（一）产品调研报告 (1)
1、我国模具技术的现状 (1)
2、注塑成型工艺介绍·············································
3、塑件的选择····················································（二）产品的工艺分析报告·············································
1、材料的确定····················································
2、塑件制件设计的工艺分析········································（三）模具设计流程（手工与CAD方法）···································
1、注射模人工设计流程分析········································
2、塑模CAD流程···················································（四）模具设计环境与工具·············································
1、PRO/E环境介绍·················································
2、PRO/E 外挂工具及其功能········································
二、CAE：有限元与MOLDFLOW分析·········································
1、有限元分析·····················································
2、塑件的MOLDFLOW分析·········································
三、模具设计··························································（一）模具结构设计与参数计算·········································
1、塑件制品分析··················································
2、注塑机的确定··················································
3、模具结构设计··················································
4、注塑机参数校核················································（二）浇注系统设计、关键零部件设计····································
1、浇注系统的设计················································
2、分型面的选择··················································.
3、排气系统的设计················································.
4、成型零件的设计················································.
5、型腔的侧壁和底板厚度计算······································
6、导向机构设计··················································
7、脱模机构设计··················································.
8、加热和冷却装置设计············································.
四、附图：····························································
1、零部件3D图及工程图···········································
2、模具3D装配与爆炸图············································
五、模具设计的创新与特色总结·········································
六、论文存在问题与解决设想···········································
七、参考文献·························································
八、致谢·····························································
摘要：首先对产品进行市场调查及工艺分析，定出可行的方案，然后详细介绍注塑模设计的人工及CAD流程，阐述了在Pro/Engineer环境下注塑模设计
的一般流程，对塑件进行CAE分析后，进入模具的结构设计及有关参数计
算，接着进行浇注系统及模具的有关键零部件设计，最后把关键零部件的
二维图和立体图，还有模具的装配图和爆炸图以图纸形式展现出来。

关键词：按钮、塑料、注塑模、Pro/Engineer
In jection Plastic Mold Design
Abstract：First，investigated and analyzed the technology of the product, decided the available program. And then introduced the manual
and CAD process of the injection plastic mold design. Expound
the process of the injection plastic mold design under the
environment of Pro/Engineer. Analyzed the CAE of the product.
Then designed the structure of the mold and computed the related
parameters. Finally design the related part of the mold and
show all of the engineer pictures and three-dimensional
drawing.
Keyboards: button、plastic、 mold、Pro/Engineer
（一）、产品调研：
1、注塑成型工艺介绍：
一、概述
注塑成型工艺是成型塑料制品的一种重要方法。

其基本路线是塑料原料经注射机熔融塑化并注入模具，在模具中固化后脱模成为制品。

通用注塑方法是将聚合物组分的粒料或粉料放入注塑机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料进行均化和熔融，这一过程又称塑化。

然后再借助于柱塞或螺杆的向熔化好的聚合物熔体施加压力，则高温熔体便通过料筒前面的喷嘴和模具的浇注道系统射入预先闭合好的低温模腔中，再经冷却定型就可开启模具，顶出制品，得到具有一定几何形状和精度的塑料制品。

注塑成型几乎适用于所有的热塑性塑料。

注塑成型的成型周期短(几秒到几
分钟)，成型制品质量可由几克到几十千克，能一次成型外形复杂、尺寸精确、
带有金属或非金属嵌件的模塑品。

因此，该方法适应性强，生产效率高。

注射成型用的注射机分为柱塞式注射机和螺杆式注射机两大类，由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成。

2、塑件的选择：
选择的塑件为游戏机手制左侧的“上下左右”按钮，下面是现有市场上的多种游戏机手制按钮，种类繁多，根据需要，最终定出一种比较实用且流行的按钮。

按钮构型方案选择：
初设计三种后备按钮，作出比较后选出最佳的一种。

下面是所设计按钮的立体图及二维图。

方案一：
立体图：平面图：
方案二：
立体图：平面图：
方案三：
装配图：爆炸图：
经过对所有类型的游戏机按钮进行调查，游戏机按钮的外型应具有曲线美感，而其曲面造型应使得使用起来时手感好。

现在的市场趋势是游戏玩家偏好较好手感和高质量的游戏手制，从各种类型按钮的外型结构、模具制造的难易程度和市场趋势比较，最终选出方案三的按钮作为塑件。

（二）、产品的工艺分析：
1、材料的确定：
现有的塑料品种繁多，故要求我们根据塑料的性能和功能来合理选择材料，从所设计的塑件品来分析，确定适合按钮的最佳材料为聚苯乙烯。

查有关资料书可以得知所选的聚苯乙烯的工艺性能如下：
注塑工艺及模具条件：干燥处理；除非贮存不当，通常不需要干燥处理。

如果需要干燥，建议干燥条件为80°C，2－3h；
密度：1.04－1.09克/立方米；
熔化温度：180—280°C，对于阻燃性材料其上限为250°C；
模具温度：40—50°C；
注射压力：20—60Mpa；
注射速度：建议使用快速的注射速度。

流道和浇口：可以采用所有常规类型的浇口；
收缩率：0.4％～0.7％；
化学和物理性能：大多数商用的PS都是透明的，非结晶材料。

PS具有非常
好的集合稳定性，热稳定性，光学透过特性，电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。

它能够抵抗水，稀释的无机酸，但能够被强氧化物如浓硫酸所腐蚀。

并且会在一些有机溶剂中发生溶胀变形。

2、塑件制件设计的工艺分析：
（1）尺寸和精度
尺寸：这里的尺寸是指塑料制件的总体尺寸大小。

由于受塑料流动性的影响，对流动性差的塑料或薄壁制件，在注射或压住成型时塑件的尺寸不能太大，以免塑料容体充不满模具型腔或使产生的熔接痕强度过差，从而使塑件不能正常成型或对塑件的外观和强度产生影响。

此外，塑件尺寸还受现有的成型设备规格，参数等的影响。

从本人所设计的塑件按钮总体尺寸分析得知，塑件的尺寸较为合理，不会太大，这样就可以避免塑料容体充不满模具型腔或使塑件不能正常成型。

其尺寸见工程附图一和附图
尺寸精度：塑料制件尺寸公差：塑件图上无公差要求的默认为8级精度，本人所选塑件材料为聚苯乙烯，故定塑件的等级为：5级精度。

（2）形状：
塑件的几何形状除应满足使用要求外，还应尽可能使其所对应的模具结构简单，便于加工。

而本塑件的形状具备了以上的优点，故为模具设计带来了方便。

（3）壁厚：
塑件的壁厚应根据塑件的使用要求，如强度，刚度，尺寸大小，电气性能及装配要求等确定，塑件壁厚一般在1－4mm范围内。

调节产品壁厚将决定材料的
流动性能和制件模量。

最小壁厚应满足：具有足够的强度和刚度；脱模时能经受脱模机构的冲击
和振动；装配时能承受紧固力。

壁厚过大：浪费材料，增加了压塑时间或冷却
时间；也影响产品质量。

同一个塑料零件的壁厚应尽可能一致。

否则因冷却速
度或固化速度不一致产生附加内应力。

综合考虑以上各种因素，及联系本人设计的塑件的性能和功能要求，初步确定塑件的壁厚为：1～1.5mm。

（4）脱模斜度：
在塑件的内外表面，沿脱模方向应设计足够的脱模斜度。

根据已选定的材料聚苯乙烯，查有关资料书可以得知其脱模斜度范围：50′～2°，结合分析本塑
件形状，定其脱模斜度为50′。

（5）加强筋等防止变形的结构设计：
加强筋：为提高塑件的强度和刚度，不能仅仅采用增大壁厚的方法，而常采用改变塑件的结构，增设加强的方法来满足其强度，刚度的要求。

采用增设加强筋的方法，有时还能降低物料的充模阻力。

加强筋的作用：增加制品强度；确定本塑件肋尺寸的一般标准：制件壁厚：ｈ=1～1.5mm，每边的斜角（θ）：0.5°～1.5，肋高（L）：<=5h，（典型地2.5-3.5h），取L=4.0mm；肋间距（中心部位）：>=0.25～0.40h，取5.0mm；肋的厚度（t）：0.4-0.8h ,t=0.8。

其它加强结构：
除采用加强筋外，为避免制品变形翘曲，薄壳状的制件可做成球面或拱曲面。

而本人所设计的塑件正是采用了此加强结构。

（6）圆角：
塑件底面与面之间一般应采用圆弧过渡，这样不仅可以避免塑件尖角处的应力集中提高塑件强度，而且可以改善物料的流动状态，降低充模阻力，便于充模。

塑件转角处的圆角半径通常不要小于0.5～1mm，在不影响塑件使用的前提下应
尽量取大些，综合考虑以上的的各种因素后，定本人所设计的塑件的圆角半径为0.5mm或1mm。

（7）孔的设计：
本人所设计的塑件共有两个孔，其中一个用于孔轴的装配，起固定连接作用，孔径为6mm，孔边距取：2～3mm，孔深应<2.5d，即应该小于2.5*6＝15mm，从塑
件的所定下的孔深 4.29mm，满足以上要求，故孔一的设计尺寸合理；而另一个孔则是为了满足壁厚均匀原则，孔边距取2～3mm，孔深应<2.5d，即应该小于2.5*4＝10.0mm，从塑件的所定下的孔深5.50mm，满足以上要求，故孔二的设计尺寸也合理。

（8）小结：
以上为本人所设计塑件设计的工艺分析，最终的目的是为了使其达到成型工艺的要求，使其所对应的模具结构简单合理。

（三）、模具设计流程：
1、注射模人工设计流程分析：
（1）分析设计出来的注射模应保证注射成型的制件（塑料制品）符合图纸的形状与尺寸要求；模具结构简单，安装牢固，工作安全可靠，便于制造，价格低廉。

（2）收集资料，分析制件的工艺性，如发现制件的工艺性差，则在不影响制件的使用性能的情况下，提出便于制件的修改意见，使制件设计、制件的工艺、注射模设计与制造生产，相互协调。

定制件的拔模斜度、分模面。

（3）缩率确定。

（4）道系统设计与计算。

（5）却系统设计与计算。

（6）具结构设计与分析计算。

（7）确定模具设计图纸的绘制方法，并绘制模具的设计图纸。

模具总图一般包括俯视图和仰视图、主视图，必要的侧视和局部剖视图、制件图及其排样图，模具的技术要求和说明，标题栏及模具零件明细表等内容。

而零件图一般包括主视图、俯视图、侧视图和必要时的局部剖视图，技术要求和说明，详尽的尺寸、形位公差标注等内容。

其设计流程可概括为：
明确设计要求—>工艺分析—>确定收缩率、分型面—>浇道系统设计—>冷却系统与计算—>模具结构件设计—>注射设备选择—>绘制模具设计图纸。

2、塑模 CAD 流程：
注塑模具 CAD 即计算机辅助设计，它以计算机软件为工具，不仅完成手工设 计的各项任务，包括资料查询、设计构思、模型建立、分析计算、自动绘图、零 件成型过程和充模过程模拟；而且对制造中的物流和信息进行控制、管理和监督， 包括相对于物流系统是“离线”工作的工艺准备、生产作业计划、数控编程等。

目前，它已被公认为现代注塑模具技术的一个重要方面，是注塑模具生产实现自 动化的保证。

它的流程如下图所示：
要求 图
模 具 设 计 人 员 专家
设计、分析软件
通用CAD/CAE 系统
计算机系统
硬件 绘图 环境
模具
经验
知识 决策 能力 基础软件
数据库 知识库
：算法 图形库
要提高制造业水平，必需要有先进的设计工具。

随着计算机硬件性能的不断 提高，加上三维软件造型功能的不断完善，CAD 已完成从二维向三维质的飞跃， 到了三维 CAD 的实用阶段。

用三维 CAD/CAM 系统进行产品开发，从根本上改变了 过去手工绘图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。

设计构思的表达由二 维图纸演变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机）， 这是一种新的设计和生产技术管理体制，是提高企业竞争能力主要手段之一。

人手设计与 CAD 设计的比较：
随着市场竞 争日趋激 烈，传统 的产品开 发方式已不 再适应企 业对产品
的时 间、质量、成本的要求。

因为传统手工绘图设计模式，很难用二维图纸去描绘三 确定 机 设计 确定 分析 收缩效率
模具 选择 模具 工艺 结构 却系统设 设计 设计
维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作，因此其工作流程是按顺序进行的。

很多时候是等模具做出来了，对产品进行试装配时才发现干涉或设计不合理等现象。

在设计早期不能全面考虑下游过程的要求，从而使产品设计存在很多缺陷，造成设计修改工作量大，开发周期长，成本高。

要提高制造业水平，必需要有先进的设计工具。

随着计算机硬件性能的不断提高，加上三维软件造型功能的不断完善，CAD已完成从二维向三维质的飞跃，到了三维CAD的实用阶段。

用三维CAD/CAM系统进行产品开发，从根本上改
变了过去手工绘图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。

设计构思的表达由二维图纸演变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机），这是一种新的设计和生产技术管理体制，是提高企业竞争能力主要手段之一。

（四）模具设计环境与工具：
1、PRO/E模具设计的环境：
模具设计于pro/engineer环境下进行，所用到的外挂工具是Pro/E+MB+EMX，Pro/ENGINEER是第一套使用3D实体模型的设计工具，彻底改变了传统的设计理念。

由于其强大的功能，已风靡欧美、日本及港台地区，大有取代传统CAD/CAM/CAE系统而成为新一代的业界标准之势。

Pro/E全参数设计、特征基础
模型、关系数据库等特色都是其他3D模型工具所不可比拟的。

Pro/E与传统的CAD系统仅提供绘图工具有着极大的不同，它提供了一个完整的解决方案，从工
业设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析到数据库管理，甚至产品生命周期的管理。

可以说,Pro/E为业界专业人士提供了一个艺术般的
创作环境，让您的创意得到淋漓尽致的表现。

在实际生产过程中，应用Pro/ENGINEER软件，将原来模具结构设计→模具型腔、型芯二维设计→工艺准备→模具型腔、型芯设计三维造型→数控加工指令编程→数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。

基于Pro/Engineer模具设计的流程图如下所示：
2、PRO/E外挂工具及其功能：
Pro/ENGINEER能够仿真注塑模设计的过程。

它能让注塑模具设计人员创建、修改和分析模具构件，并在模具设计变化时，快速更新它们。

其外挂工具Pro/ENGINEER EMX能大大缩短模具设计人员花费在创建、定制和细化模架部件以及注塑模具和压铸模具所需的模具组件上的时间。

Pro/ENGINEER EMX提供了智能、自动化模架和模具组件。

组件就位后，系统会自动完成相邻板材和组件上的余隙切口以及钻孔和螺纹孔的操作。

该过程把模具设计人员从耗时的、重复性的模具细化工作中解放出来。

另外，该工具还简化了复杂的设计工作，并通过一个全新的用户界面，从根本上缩短了学习进程。

Pro/ENGINEER EMX中的模具设计功能：
（1）轻松设计、定制和细化模架部件和组件；
（2）自动完成诸如余隙切口、螺纹孔、组件安装、顶杆修饰等工作；
（3）由于组件和部件可以被自动放置在模架中，所以在自动放置之前，设计人员可以轻松地实时选择和预览3D组件和部件；
（4）可以从15个以上的模架和组件供应商预先定制组件和部件，因此没有必要建立模型库
（5）自动创建部件和组件图形，其中包括带有圆圈标注和孔类图表的物料清（6）自动检验整个模具的开启顺序，其中包括滑块、提钩和顶杆等的动作
二、CAE 分析
（一）：有限元分析：
1、有限元介绍：
有限元法是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，由于它在解决工程技术问题时的灵活性、快速及有效性，发展非常神速，其解题范围包括了各个领域（固体力学、流体场、电磁场、温度场、声场）的数理方程；其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题，是工程技术人员必备工具，是力学、机械、土木工程、水力等专业的学生的必修课。

有限元法是求解复杂工程问题的一种近似数值解法，现已广泛应用到力学、热学、电磁学等各个学科，主要分析工作环境下物体的线性和非线性静动态特性等性能。

有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化，有限元求解，
计算结果的处理三部分。

曾经有人做过统计：三个阶段所用的时间分别占总时间的40%~50%、5%及50%~55%。

也就是说，当利用有限元分析对象时，主要时间是
用于对象的离散及结果的处理。

如果采用人工方法离散对象和处理计算结果，势必费力、费时且极易出错，尤其当分析模型复杂时，采用人工方法甚至很难进行，这将严重影响高级有限元分析程序的推广和使用。

因此，开展自动离散对象及结果的计算机可视化显示的研究是一项重要而紧迫的任务。

有限元分析的基本步骤和几个问题：
离散化：（1）单元怎样划分？编排单元码和节点码有什么原则？
（2）荷载如何移置？
单元分析：（1）节点力怎样用节点位移表示？
（2）如何建立以节点位移表示的节点平衡方程式？
（3）怎样去求单元的内力（应力）？
整体分析：如何以最快的速度、最少的时间、最好的方案解出方程组，以得到最佳（可行精度）的结果？
2、塑件的MSC分析：
MSC.Patran软件对可直接从各CAD软件中抓取几何模型，然后，MSC.Patran 可以最大限度地创建一个模型供多个程序进行分析,例如,直接读取Pro/ENGINEER,CATIA,Unigraphics,SolidWork核心等集合模型,创建分析模型
供MSC.Nastran作结构强度及动力响应分析,同时又供MSC.Patran作高度非线性分析等。

可见，MSC.Patran就好像一座桥梁,将CAD软件,分析求解器和材料信息等连在一起。

使用MSC.Patran软件对本塑件进行分析,首先先对其进行受力分析。

塑件受力工况的分析：
对本人设计的按钮进行受力分析，可以得知其受力情况有四种：
第一种：
取按钮顶部的右侧一点作为分析对象，力的种类为压力，力主要集中于此点上，力的方向垂直向下。

第二种：
取按钮顶部的对角两点做为分析对象，力的种类为压力，力主要集中于这两点上，力的方向垂直向下。

第三种：
取按钮顶部的相邻两点作为分析对象，力的种类为压力，力主要集中于这两点上，力的方向垂直向下。

第四种：
取按钮顶部的中间一点作为分析对象，力的种类为压力，力主要集中于这两点上，力的方向垂直向下。

使用MSC.patran对本塑件分析的步骤：
（1）构型的输入与检查：
在solidworks中把构型另存，保存类型为Parasolid File（*.x_ t），然后打开MSC Patran.File－import，导入先前保存类型为Parasolid File （*.x_ t）的构型。

（2）网格划分：
利用Create/Mesh直接对结构进行网格划分，在Create/Mesh菜单下选择mesh，选中模型，输入网格值为0.005，之后单击apply，网格就自动生成了。

（3）参数输入：
输入弹性模型为：3.5E10，泊松比为：0.33
（4）结果分析：
以按钮顶部为分析对象，其受力情况上面已述清楚，从电脑上分析的结果可以得知以上四种受力情况下的最大应力和最大变形，分别如下：
第一种情况：右侧一点受力，最大变形为：1.26e-11 ；最大应力为：9.84mpa；如下图所示：
最大变形图最大应力图
第二种情况：对角两点受力，最大变形为：3.72e-12 ；最大应力为：2.58Mpa；如下图所示：
最大变形图最大应力图
第三种情况：相邻两点受力，最大变形为：6.83e-12 ；最大应力为：5.73MPa；
最大变形图最大应力图
第四种情况：中间处受力，最大变形为：2.58e-13；最大应力为：2.18Mpa。

如下图所示：
最大变形图最大位移图
（5）总体分析与结论：
从对本人所设计的按钮进行MSC的分析可以得知其分析过程大致为：读入几何模型—网格划分—工况及边界条件分析—材料选择—单元的物理特性—分析
控制—后置处理（结果分析）。

（二）：MOLDFLOW分析与Pro/Engineer塑料顾问工具：
MoldFlow Plastic Advisers塑件顾问系列用于帮助制件设计者和模具设计者检测其设计的工艺性。

MoldFlow的技术和服务提高了注塑产品的质量、缩短了开发周期、降低了生产成本。

所有MoldFlow产品都是围绕着MoldFlow的战略“进行广泛的注塑分析”。

通过“进行广泛的注塑分析”将MoldFlow积累的丰
富注塑经验带进制件和模具设计，并将注塑分析与实际注塑机控制相联系，自动监控和调整注塑机参数。

“进行广泛的注塑分析”使制件具有更好的工艺性、并优化模具设计、优化注塑机参数设置、提高制件生产质量的稳定性。

在Pro/Engineer环境下也有着Moldflow同样的功能工具Plastic Advisers，即塑料顾问工具，而且使用它更加方便，更加能检测出你所做出来的铸件的质量，而且塑料顾问工具能模拟浇铸塑料零件的铸模填充动作。

高级特征提供了有用的工艺性知识，它们可以大大减少后期的设计更改和重新设计铸模的成本。

Moldflow与Pro/E Plastic Advisers的对比：
塑料顾问用于评估注塑工艺性的每次设计更改，而不是每个设计，而moflow 只能针对每个设计进行分析，所以Pro/ Engineer中的塑料顾问是注塑设计有关的行业节省成本和时间的理想工具。

设计人员可以方便地选择材料类型和提议的浇。