传感仪器包塑壳体设计

张崇军，高锋，李党辉，梁姬君（河南汉威电子股份有限公司，郑州　450000）

传感仪器包塑壳体设计

张崇军，高锋，李党辉，梁姬君
（河南汉威电子股份有限公司，郑州450000）

0　引言

随着人们审美观念以及对产品体验要求的提升，对手持式仪器仪表产品外观和持感的要求，就像对消费电子一样苛求。造型既要千变万化，外观套色也要高端大气、功能结构更要精巧独特，还要灵活迅速配合多方市场需求。作为产品设计师满足日益多彩的市场需求是天职所在，要因产品不同的用途，在不同的部位上，采用不同的材料，以适应特定环境需要，达到延长产品寿命、增加美观及实用性的目的。

1　双物料注塑工艺的工业背景

为实现上述需求壳体设计方法很多，其中硬胶包塑就是一个很好的途径，在论述硬胶包塑防水仪表壳体设计之前，先说明一下硬胶包塑壳体注塑工艺。硬胶内层壳体硬胶一般以ABS、PC等塑料为主，外包塑软胶（邵氏硬度50～65度）一般采用TPE、TPR等软塑料为主，上述软硬胶物料之间组合都具有良好的粘合性［1］。其注塑工艺有两类，第一类，第一步先按正常注塑工艺注塑内层壳体，内层壳体结构设计应预先考虑留出外层包塑的注胶管，如图1中的箭头1所指位置。

图1　注塑完成后的内层壳体

第二步将注塑好的内层壳体放入注塑外包塑模具中，外包塑模具一般为倒装模，即后模为型腔，前模为型芯，合模后注塑外包塑层，如图2中的箭头1所指，图2为注塑完成后的内层壳体和外包塑层，为更好理解，特将其两层剥离示意。

第二类，相当于将第一类的两个步骤的两付模具合并成一付旋转模，通过一台双注胶嘴可旋转后模安装板注塑机实现自动化，该旋转模后模以模具纵向中心轴随注塑机后模安装板旋转，后模是以旋转中心对称两个结构相同的型芯，前模是方向颠倒的内层壳体和外包塑层两个不同型腔，以先成型内层壳体启动循环注塑，利用转动模式把带有内层壳体的型芯旋转180度到另一个模腔内，则另外一个空型芯与其进行了位置交换，而后合模，下一步两个射嘴就可以同时注胶了，注胶完成后，第一个内外两层注胶都完成的壳体开模顶出，旋转后模型芯合模，第二个循环开始［2］。

图2　内外两层壳体剥离示意图

图3　旋转模模芯透视图

2　硬胶包塑壳体应用设计

根据上述硬胶包塑壳体注塑工艺和模具特点，接下来论述硬胶包塑防水仪表壳体设计要点。

在设计包塑壳体时首先要优化分析ID（由工业设计师出的产品造型），分析规划不同区域材质外观，按有利于包塑工艺原则进行调整规划。

外包塑镂空，即内层壳体裸露，这也是包塑壳一大优势，如图4中1、2、3、4所示区域，内层为透明PC，外层包塑是有橡胶特性的TPE，四个镂空区域（如图4中1、2、3、4所示区域）可以实现三种设计功能，显示屏罩、报警灯罩、传感器罩。通过外包塑实现壳体多样化功能，以及外观的融洽协调，与采用其他手段相比，其带来的便捷是不言而喻的。使用此镂空方法要注意，外包塑镂空处边缘，即内层壳体裸露区域边缘，要处理好，一旦外层包塑封校不严，有飞边渗入内层镂空区域，会严重影响外壳的整体美观整洁，而且事后不好处理。为避免以上情况出现，在内外层交接线处（如图4中箭头8所指），要设计隔离封胶槽（如图4中箭头6所指），一般设计为槽，必要时也可设计为凸台机构，槽底面为硬胶层构成，槽两侧由内层裸露区和外层包塑区（如图4中箭头5和7所指）。

图4　壳体外包塑镂空示意图

外包塑分模线处（即封胶处），内层壳体不能有注塑缺陷，如缩坑、飞边、翘曲等［3］，所以在设计封胶处对应区域内壳体结构时，要避免设计能产生上述缺陷的结构，如内壳体结构在对应区域封胶线处产生不良，会造成封胶失败。

内层壳体和外层包塑壁厚设计要本着以下要点进行，内层壳体作为骨架，首先应保证其有足够支撑强度，这与普通单层硬胶壳体设计相同，外层包塑壳体主要起到防滑、抗震、握持手感、视觉效果等作用，表面不可有流痕缺胶等注胶流动不好产生的缺陷，TPR或TPE外包塑层最小无缺陷流动面厚度要求不小于1.0毫米。表面不可有缩坑变形等注胶厚度过大或不均所产生的缺陷，TPR或TPE外包塑要求平均壁厚不大于2.5毫米，突变厚度差不大于2毫米。

包塑仪表壳体的防水结构设计，其颠覆了在防水结合面加密封圈通的常做法，获得了可靠性、便捷性、经济性三大优势突破，实现密封防水具体来讲是用外层包塑材料的柔软性和不透水性，熔融状态注塑粘附性（内外层之间注塑粘附为整体）等特性，在壳体不同区域块拼合连接缝隙处通过延展外包塑层，形成一个和外包塑层一体的密封垫结构，壳体不同区域块拼合连接缝隙内的外包塑层延展体在外力作用下压紧形变来阻断渗水通道，实现壳体不同区域块拼合无缝软连接。其机构形式如图5。

图5　密封断面结构示意图

上图举例为小尺寸壳体，长宽高都小于100毫米，壁厚小于3毫米，其上下壳拼合连接缝的两部分中，一部分设有止口槽和插骨 （如图5中箭头1和2所指），另一部分设有止口台和二次防水线 （如图5中箭头2 和3所指），在上下壳体扣合后止口台插入止口槽中，止口槽和止口台沿扣合方向的直壁部分相互挤压紧配，为防止口台向内变形，在止口槽内侧设有插骨阻挡，此为第一道主防水结构，为防止止口台和止口槽有变形等缺陷，要加设二次防水线作为第二道防水，二次防水线设在止口台根部面上，其断面设为等边三角形高度在0.5到0.8毫米之间，在上下壳体扣紧后，其被相对应的止口槽端面压溃，形成一个压溃式密封面，其压溃式密封的好处在于能够吸收沿扣合方向上的高度误差。

按键防水结构的设计。在仪器仪表壳体设计中，机械按键结构设计是必不可少一项内容，按键设计的基本要求是可靠耐用、美观舒适，在气体探测领域因仪器使用环境较差，灰尘和水雾时常伴随左右，如果该设计中要求防水（能侵水）、防尘，通常做法下按键的机构就很复杂，而且寿命较差，维护不方便。所以采用包塑工艺的壳体设计，来解决上述问题要简洁高效，包塑工艺仪表壳体按键结构总体分两部分，第一部分是软胶外包塑层局部起鼓（如图6中箭头3所指），起鼓部分仍和外包塑层为一个整体，第二部分内层硬胶壳体掏孔镂空（如图6中箭头5所指）。

图6　按键断面结构示意图

软胶外包塑层起鼓结构设计应注意以下方面，首先确保所选外层包塑材料要有足够柔韧性。再者是起鼓幅度不要太大，各部分尺寸适中，按压区直径范围6～10毫米壁厚2～3毫米，按压型变壁长跨度1.5～2.5毫米壁厚0.8～1毫米，倾角15～20度，做到按压行程中有压溃吸入感，键脚尺寸可依据情况而定，也可以单独设计成一个零件。还有就是内层硬胶镂空孔的孔径边缘不可超出外层起鼓区域边缘太多，一般设计为0.5毫米。

3　结语

本文从“手持式气体检测仪”设计出发，分析和介绍了镂空工艺设计、防水工艺设计以及按键工艺设计，充分展示这三种仪器仪表壳体设计中最基础和最重要的工艺设计技术，在此基础上创新使用硬胶包塑工艺在传感仪器壳体方面的应用，通过安装等实际使用证明，这种设计可以很好的提高仪器仪表的可靠性、便捷性、艺术性和经济性。

［1］王广文.塑料材料的选用［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［2］王静.注塑模具设计基础［M］.电子工业出版社，2013.

［3］蔡恒志.注塑制品成型缺陷图集［M］.电子工业出版社，2011.

Shell Structure；Plastic Bag；Structure Design

Design of the Gas Detector Rubber Shell

ZHANG Chong-jun，GAO Feng，LI Dang-hui，LIANG Ji-jun
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）27-0062-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.017

张崇军（1974-），男，河南郑州人，本科，助工，产品研发

高锋（1978-），男，河南郑州人，本科，助工，产品研发

李党辉（1992-），男，河南郑州人，本科，助工，产品研发

梁姬君（1978-），女，河南郑州人，本科，助工，电子工程师

2015-09-12

2015-09-22

通过介绍近年来我国华南地区出现的一种双物料注塑工艺，将其应用延伸到传感仪器壳体方面，通过实例“手持式气体检测仪”，逐一论述硬胶包塑工艺，在传感仪器领域应用的优势及其壳体结构的巧妙设计，理论结合实践验证。重点论述硬胶包塑壳体以下几个优势和设计方法：外观及客户体验、功能实现便捷性稳定性、气体探测仪器的壳体防护性，图文并茂易于理解。

壳体结构；硬胶包塑；结构设计

Introduces a new double shot injection molding process what appears in the south China in recent years，applies this technique in the design of sensor shell.Uses"portable gas detector"as an example to introduce the advantages of hard plastic shell in sensor application，theory combining with practice.Discusses the advantages of the hard shell and the design method：appearance，user experience，stabilization function and protective shell of gas detector，pictures included，easy to understand.