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Design Solutions Guide Injection Molding Plastics

Engineering Applications and Design

Plastic

Design Solutions Guide Injection Molding Plastics
86 Pages

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Open:
Mechanical Vibrations, Fifth Edition

Overview

Proper design strategy includes:
a) a concern for safety and performance
b) appropriate material selection and preparation for processing to achieve the ultimate functional design goal
c) maximum functionality
d) minimum material usage

Our intent in developing this Design Solutions Guide is to supply general information for the customer on a variety of applications as a precursor to the more narrowly focused information which will appear in subsequent manuals. Manuals on specific applications will expand upon this general guide and address those precise topics. Your design success is our primary concern.

Safety
When designing parts, a factor of safety should be used to manage the risk of catastrophic, premature and short-term failures. The factor is contingent upon numerous conditions, including type of application, temperature, lack of material homogeneity, unforeseen overloads, unknowns, etc.

Having predetermined load conditions, the introduction of a factor will extend the service life of the product depending on the value used. The value used for the factor is based on the criticality of the function. Engineering handbooks cover this subject in more detail.

Nylon has some unique characteristics. For instance, in the presence of moisture, it changes its physical properties. Strength, stiffness, surface hardness and brittleness will decrease while elongation, ductility, impact resistance, dimensions and creep will increase. These characteristics need to be tempered with the safety factor during design. These are reasons for designing with information not found on data sheets which are readily issued by material suppliers.

TOC

Welcome! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2
Plastics Product Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2
Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3
Design Assistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3
CAD/CAE Capabilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3
Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3

Design Considerations for Injection Molded Parts. . . . . . . . . . . . II
Parting Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–2
Draft Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3
Wall Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3
Fillets and Radii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3
Bosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4
Ribs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4
Openings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5
Shrinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5
Gating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5
Vents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6
Potential Knit Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6

Structural Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2
Stress-Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2
Normal Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3
Shear Stress. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3
Torsional Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–4
Bending Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–5
Section Properties of Various Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6
Explanation of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6
Beam Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6
Formulas for Common Beams in Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–7
Formulas for Torsional Deformation and Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–8
I, T and L Sections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–9
Formulas for Flat Plates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–10
Flat Plate Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–10
Pressure Vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–11
Thermal Expansion and Stress. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–12
Impact Stresses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–13
Stress Concentrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–14
Rib Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–15
Design for Equivalent Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–18

Design Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IV
Cruise Control Bracket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IV–2
Cover Cap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IV–4

Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V
Snap-Fit Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–2
Snap-Fit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–2
Cantilever vs. Cylindrical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–2
Tapered Cantilever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–2
Short Cantilever Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–3
New Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–4
Snap-Fit Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–4
Press-Fit Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–5
Adhesive Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–6
Bolts, Nuts, and Machine Screws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–8
Molded-in Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–9
Self-Tapping Screws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–10
Inserts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–11
Ultrasonic Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–12
Shear Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–12
Energy Director . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–13
Vibration Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–14
Other Assembly Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–15
Thermoplastic Staking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–15
Spin Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–15
Electromagnetic Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V–16

Plastic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI
Classification of Plastic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–2
Molecular Weight Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–4
Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–5
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–5
Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–5
Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VI–6

Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII
The Mechanical Properties of Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–2
Short-Term Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–2
Notches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–2
Rate of Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–2
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–4
Thermal Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–4
Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–5
Dimensional Considerations (Moisture Absorption) . . . . . . . . . . . . . . . .VII–6

Effects of Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–6
Dimensional Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–6
Accelerated Moisture Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–6
Process Induced Property Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–7
Additives (Color) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–8
Ultraviolet (UV) Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–8
Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–8
Long-Term Properties–Creep, Stress Relaxation and Service Life . . . .VII–9
Coefficient of Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII–11

Design Considerations for Gas Assist Molding . . . . . . . . . . . . . . .VIII
Hollow Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VIII–2
Short Shot Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VIII–3
Full Shot Molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VIII–3

Finishing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX
Electroplating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX–2
Painting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX–2
Printing/Hot Stamping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX–2
Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX–3
Surface Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IX -3

Appendix I: Physical Properties and Terminology . . . . . . . . . . . . .A1
Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Brittleness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Ductility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Friction and Wear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Isotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Lubricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–2
Mold Shrinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Notch Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Specific Gravity (Relative Density) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Warpage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Water Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A1–3
Appendix II: ISO and ASTM Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A2