SMC模壓制品在體育器材中的應用：大型籃球板
摘要：研制與生產了平面尺寸為1829mm*1067mm，重量達36kg的SMC模壓籃球板。經檢測，該籃球板的表面平直度及扣籃時板拉藍圈對籃球板的特殊強度均已滿足用戶的要求。討論了可供商榷的改進之處。
1 前 言
縮觀國內外，SMC模壓制品主要應用于汽車與其它運輸車輛零部件、建筑器材及衛浴設備，以及電氣與電子產品的零部件等大項。以SMC模壓制品用于體育運動器材尚不多見，SMC模壓籃球板，曾有較小寬度的0.6m(24英寸)、1.12m(44英寸)、1.22m(48英寸)等數種庭園式專用籃球板在國外面市，并非供正規比賽使用。近期按國外用戶的要求與委托，我們開發與試制了供練習與比賽用的正規的大型籃球板，其尺寸為1829mm(72英寸)*1067mm(42英寸)*51mm(2英寸),重達36kg。從結構設計、定購模具、選擇材料、改進工藝、測試性能到試制與生產成功，并批量供應的用戶，均已按質按量如期完成，滿足了用戶的要求，也為SMC模壓制品的應用增加了一項新的品種。
2 大型SMC模壓籃球板的規格與要求
根據用戶的設計要求，籃球板表面尺寸為1829mm*1067mm，其翻邊的高度為51mm，籃球板反面，按其結構要求，以縱、橫、斜三個方向布置了密實的加強筋，主板厚度為4mm，加強筋高度一般為51mm，籃球板的形狀及加強筋的布置見圖1與圖2。
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對該籃球板的主要技術要求為：
1）在大于1.95m2的籃球板的正面，必須平直光滑。該平面要求平整，至多可以允許向上微凸；在1829mm的長度內，到多可允許向上凸起3mm，即向上凸起的不平直度必須小于0.16%；但該平面不允許向下凹陷。
2）背面的加強筋與翻邊齊，其高為51mm的加強筋必須充滿、完整、不允許有缺料、氣泡與微裂痕、以致裂紋的存在。
根據實際使用要求，設計專門測試裝置，模枋球員在跳起扣籃后，習慣于向下拉扯籃圈的著力動作，以測試該力對籃球板的破壞值（逐步加力到籃球板發生裂紋時止，）該值必須大于272.72kg(600磅)。
3 大型SMC籃球板的試制與檢測
從籃球板及其要求的分析可知，大型SMC籃球板的主要難點在于對表面平直度的嚴格要求，而對于材料的物理機械性能的要求并非極高。由于結構設計為客戶所提供，模具按其要求制成，故而認為，先在材料的選擇與組合方面，要按適用于大平面低收縮率的模壓制品不易變形的要求進行試驗，進而尚必須兼顧：工藝與操作性能以及相應的物理機械性能；再加以固化后的校形；即將模壓制品固化后置于特制夾具中在壓力下冷卻的校形為配合，以彌補前者之不足。以上述篩選確定的配方與工藝以及后處理方式進行多次試制與檢測得工藝與性能均較為合適之產品，有關檢測與試制要點如下述：
1、大型SMC籃球板的表面平直度：
該籃球對表面平直度的要求，可以圖來表示(圖3)
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因SMC模壓制品應屬于快速成型，且在高溫下脫模，制品在脫模后冷卻到室溫的過程中，由于應力的存在，會導致SMC模壓制品的變形：更何況在該籃球板的設計中，其背面有高達51mm，縱橫斜交錯密布的加強筋；又要求籃球板的正面平直，不能有絲毫凹陷，僅允許向上微凸。為此在相應的操作工藝方面，設計了專用冷卻定型夾具。SMC模壓籃球板在出模后,(如有需要也可再次加熱到特定溫度)，立即置于冷卻定型夾具中，使其在壓力下冷卻，以避免發生凹陷變形。定型檢測合格后的SMC籃球板的存放方式，也經多次試驗后采用平直豎放成列，以減少其存放過中的變形。終，提供用戶的SMC籃球板的平直度滿足了產品的要求：SMC籃球板平面基本平整，不凹陷，而呈微凸，凸起處多不大于3mm，測試結果實例見表1。
測試位置見圖4
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2、SMC籃球板背面眾多加強筋，應充滿、完整、無氣孔、裂痕、裂紋，由于原材料的背面加強筋高度與翻邊高達51mm，且加強筋呈縱橫斜三向密布，據估計，該加強筋的重量已達SMC籃球板整體重量的30%左右。考慮到模壓工藝中排氣的困難，在模具設計制造中，已按縱橫向加強筋交叉點的頂桿均作排氣孔設計，但排氣與SMC模壓工藝中的鋪料方式又是一對矛盾的2個方面。在SMC模壓制品中一般鋪料面積為40-80%，鋪料面積過小，雖則有利于排除氣泡，但由于此時SMC流動距離過大，而易于導致玻纖趨于取向，排列整齊而影響SMC制品強度；如鋪料面積過大，雖則強度較好，但因SMC流動距離過小，而不利于排氣，且易在SMC制品中產生內裂紋。根據大型SMC籃球板結構設計特點與要求。在具體的模壓工藝中，在調整鋪料面積大小與層次多少的同時，也不斷調整壓機的有關參數與之配合，后期已基本上可以按要求制得達到表面平整，背面加強筋充滿、完整，無氣孔、氣泡、也無微裂痕，裂紋，而且脫模良好的制品，通過檢測。
3、大型SMC籃球板與籃圈的結合強度
根據該大型SMC籃球板的產品要求，設計與采用了專門的測試裝置，以測定使用時當球員跳起扣籃后板住籃圈向下用力拉扯的習慣動作，對該籃板破壞的影響，按用戶要求，該力必須大于600磅，即F>272.72kg，也即在該力作用下籃球板不破壞。按我們選擇主體材料與有關輔助材料組合，而獲得的SMC模壓籃球板已滿足該強度要求，而且也符合對表面質量的要求。原SMC籃球板的設計中，為加強SMC籃球板與金屬籃圈的結合（機械聯接）強度在背面靠近籃圈處也用機械聯接方式固定了一塊573mm*150mm*5mm的加固鋼板。經實際測試：
1） 背面沒有裝備鋼板增強：SMC籃球板發生破壞時的載荷為：400.00kg(880磅)
2） 背部裝備有鋼板增強的SMC籃球板發生破壞時的載荷為：636.86kg(1400磅)
4 討論與改進
環顧大型SMC籃球板的試制、試生產與批量供應的過程，雖則已基本達到與滿足用戶的要求，但在大型SMC模壓制品的實際應用方面還是有值得商榷之處，經進一步討論，當圖改進之。下述即為其中之部分。
1、大型SMC模壓制品的表面平整度；
在達到與滿足該產品的對表面平直度的要求方面，除了在原料SMC及其模壓工藝、設備與模的配合各方面都采取了相應措施之外，后還是采用了設計制作專用冷卻定型夾具，讓制品在壓力下冷卻以減少其變形的方法。采用這種物理方法并非好，也許在長期存放后，表面還可能發生某些變化。事實上，對于大型SMC模壓制品來說，由于在背面縱橫斜三向密布有較高且厚的加強筋，從理論上講，其表面就有向下凹陷的可能，要求表面平整或微凸顯然甚為困難。所以考慮在日后再次生產此類結構產品時，建議將該模具的凹模(即模壓制品正面)，先制成微凹，以此來彌補或抵消該制品的收縮變形所造成的表面微凹應是可以實現的。我們將與模具設計與模具制作方配合，通過小型模具的試驗先行驗證，再應用到大型制品中去。
2、大型SMC模壓制品加強筋設計：
SMC模壓制品的特點之一與FRP的一般制品一樣是其可設計性，即根據產品的性能要求可以進行產品的SMC材料與模壓工藝設計，從而大限度地滿足制品的要求。本文涉及的大型SMC籃球板，系由用戶負責設計，提供圖紙提出要求，供訂購模具與生產SMC籃球板。僅以背面加強筋的設計來看，通過實際操作與有關資料相比較可知尚有不盡適合之處。[-page-]
圖5為加強筋的結構示意圖。圖中主要的結構尺寸為：
h：加強筋的高度
b：加強筋的寬度
t：加強筋的厚度
據資料介紹，一般要求h、b和t三者相比都不應太大，而應取b<t,h=(3-5)t為宜。在該大型SMC籃球板的設計中，實際采用了：
h=51mm t=4mm b=5-8mm；
即已達b>1~2t h>12t
顯然并不符合這一要求。雖然也制得了合格產品，但其中艱辛難以形容。究其原因，是用戶為了控制成本將原設計中籃球板的主板厚度(應與加強筋的厚度是一致的)從t=8mm,改成t=4，但其余的尺寸：加強筋的高、寬都未作相應改變；尤其原設計加強筋的高度仍等同籃球板翻邊的高度，高達51mm之多。相信前人與業界積累的經驗必須重視，下次遇到同類大型SMC制品時，當應結合實例聯合設計為宜。
3、工序布置，廠戶設計對大型SMC籃球板的影響。
大型SMC籃球板的制作，根據對產品的要求，除了對材料選擇、工藝試驗、模具設備的調整配合之外，尚應是現代工業中多工序，多項工藝的聯合與合作的結果，影響較大的是表面質量的控制，公款達的設備與廠房設計系80年代末，從海外引進，但由于制品要求不同，當時將模壓、噴漆、機加集于一堂。模壓制品打磨飛邊產生的塵埃不少，對于噴漆區域表面的影響不言而喻，為此SMC模壓籃球板又多加了噴漆這一工序，并且將噴漆車間相對隔離，漆料、空氣均過濾檢查后方可使用。據此可知分立式的車間設計，并必須隔離控制打磨飛邊毛刺工序的操作對SMC模壓制品工廠的重要。
1 前 言
縮觀國內外，SMC模壓制品主要應用于汽車與其它運輸車輛零部件、建筑器材及衛浴設備，以及電氣與電子產品的零部件等大項。以SMC模壓制品用于體育運動器材尚不多見，SMC模壓籃球板，曾有較小寬度的0.6m(24英寸)、1.12m(44英寸)、1.22m(48英寸)等數種庭園式專用籃球板在國外面市，并非供正規比賽使用。近期按國外用戶的要求與委托，我們開發與試制了供練習與比賽用的正規的大型籃球板，其尺寸為1829mm(72英寸)*1067mm(42英寸)*51mm(2英寸),重達36kg。從結構設計、定購模具、選擇材料、改進工藝、測試性能到試制與生產成功，并批量供應的用戶，均已按質按量如期完成，滿足了用戶的要求，也為SMC模壓制品的應用增加了一項新的品種。
2 大型SMC模壓籃球板的規格與要求
根據用戶的設計要求，籃球板表面尺寸為1829mm*1067mm，其翻邊的高度為51mm，籃球板反面，按其結構要求，以縱、橫、斜三個方向布置了密實的加強筋，主板厚度為4mm，加強筋高度一般為51mm，籃球板的形狀及加強筋的布置見圖1與圖2。
[-page-] 對該籃球板的主要技術要求為：
1）在大于1.95m2的籃球板的正面，必須平直光滑。該平面要求平整，至多可以允許向上微凸；在1829mm的長度內，到多可允許向上凸起3mm，即向上凸起的不平直度必須小于0.16%；但該平面不允許向下凹陷。
2）背面的加強筋與翻邊齊，其高為51mm的加強筋必須充滿、完整、不允許有缺料、氣泡與微裂痕、以致裂紋的存在。
根據實際使用要求，設計專門測試裝置，模枋球員在跳起扣籃后，習慣于向下拉扯籃圈的著力動作，以測試該力對籃球板的破壞值（逐步加力到籃球板發生裂紋時止，）該值必須大于272.72kg(600磅)。
3 大型SMC籃球板的試制與檢測
從籃球板及其要求的分析可知，大型SMC籃球板的主要難點在于對表面平直度的嚴格要求，而對于材料的物理機械性能的要求并非極高。由于結構設計為客戶所提供，模具按其要求制成，故而認為，先在材料的選擇與組合方面，要按適用于大平面低收縮率的模壓制品不易變形的要求進行試驗，進而尚必須兼顧：工藝與操作性能以及相應的物理機械性能；再加以固化后的校形；即將模壓制品固化后置于特制夾具中在壓力下冷卻的校形為配合，以彌補前者之不足。以上述篩選確定的配方與工藝以及后處理方式進行多次試制與檢測得工藝與性能均較為合適之產品，有關檢測與試制要點如下述：
1、大型SMC籃球板的表面平直度：
該籃球對表面平直度的要求，可以圖來表示(圖3)
[-page-] 因SMC模壓制品應屬于快速成型，且在高溫下脫模，制品在脫模后冷卻到室溫的過程中，由于應力的存在，會導致SMC模壓制品的變形：更何況在該籃球板的設計中，其背面有高達51mm，縱橫斜交錯密布的加強筋；又要求籃球板的正面平直，不能有絲毫凹陷，僅允許向上微凸。為此在相應的操作工藝方面，設計了專用冷卻定型夾具。SMC模壓籃球板在出模后,(如有需要也可再次加熱到特定溫度)，立即置于冷卻定型夾具中，使其在壓力下冷卻，以避免發生凹陷變形。定型檢測合格后的SMC籃球板的存放方式，也經多次試驗后采用平直豎放成列，以減少其存放過中的變形。終，提供用戶的SMC籃球板的平直度滿足了產品的要求：SMC籃球板平面基本平整，不凹陷，而呈微凸，凸起處多不大于3mm，測試結果實例見表1。
測試位置見圖4
[-page-] 2、SMC籃球板背面眾多加強筋，應充滿、完整、無氣孔、裂痕、裂紋，由于原材料的背面加強筋高度與翻邊高達51mm，且加強筋呈縱橫斜三向密布，據估計，該加強筋的重量已達SMC籃球板整體重量的30%左右。考慮到模壓工藝中排氣的困難，在模具設計制造中，已按縱橫向加強筋交叉點的頂桿均作排氣孔設計，但排氣與SMC模壓工藝中的鋪料方式又是一對矛盾的2個方面。在SMC模壓制品中一般鋪料面積為40-80%，鋪料面積過小，雖則有利于排除氣泡，但由于此時SMC流動距離過大，而易于導致玻纖趨于取向，排列整齊而影響SMC制品強度；如鋪料面積過大，雖則強度較好，但因SMC流動距離過小，而不利于排氣，且易在SMC制品中產生內裂紋。根據大型SMC籃球板結構設計特點與要求。在具體的模壓工藝中，在調整鋪料面積大小與層次多少的同時，也不斷調整壓機的有關參數與之配合，后期已基本上可以按要求制得達到表面平整，背面加強筋充滿、完整，無氣孔、氣泡、也無微裂痕，裂紋，而且脫模良好的制品，通過檢測。
3、大型SMC籃球板與籃圈的結合強度
根據該大型SMC籃球板的產品要求，設計與采用了專門的測試裝置，以測定使用時當球員跳起扣籃后板住籃圈向下用力拉扯的習慣動作，對該籃板破壞的影響，按用戶要求，該力必須大于600磅，即F>272.72kg，也即在該力作用下籃球板不破壞。按我們選擇主體材料與有關輔助材料組合，而獲得的SMC模壓籃球板已滿足該強度要求，而且也符合對表面質量的要求。原SMC籃球板的設計中，為加強SMC籃球板與金屬籃圈的結合（機械聯接）強度在背面靠近籃圈處也用機械聯接方式固定了一塊573mm*150mm*5mm的加固鋼板。經實際測試：
1） 背面沒有裝備鋼板增強：SMC籃球板發生破壞時的載荷為：400.00kg(880磅)
2） 背部裝備有鋼板增強的SMC籃球板發生破壞時的載荷為：636.86kg(1400磅)
4 討論與改進
環顧大型SMC籃球板的試制、試生產與批量供應的過程，雖則已基本達到與滿足用戶的要求，但在大型SMC模壓制品的實際應用方面還是有值得商榷之處，經進一步討論，當圖改進之。下述即為其中之部分。
1、大型SMC模壓制品的表面平整度；
在達到與滿足該產品的對表面平直度的要求方面，除了在原料SMC及其模壓工藝、設備與模的配合各方面都采取了相應措施之外，后還是采用了設計制作專用冷卻定型夾具，讓制品在壓力下冷卻以減少其變形的方法。采用這種物理方法并非好，也許在長期存放后，表面還可能發生某些變化。事實上，對于大型SMC模壓制品來說，由于在背面縱橫斜三向密布有較高且厚的加強筋，從理論上講，其表面就有向下凹陷的可能，要求表面平整或微凸顯然甚為困難。所以考慮在日后再次生產此類結構產品時，建議將該模具的凹模(即模壓制品正面)，先制成微凹，以此來彌補或抵消該制品的收縮變形所造成的表面微凹應是可以實現的。我們將與模具設計與模具制作方配合，通過小型模具的試驗先行驗證，再應用到大型制品中去。
2、大型SMC模壓制品加強筋設計：
SMC模壓制品的特點之一與FRP的一般制品一樣是其可設計性，即根據產品的性能要求可以進行產品的SMC材料與模壓工藝設計，從而大限度地滿足制品的要求。本文涉及的大型SMC籃球板，系由用戶負責設計，提供圖紙提出要求，供訂購模具與生產SMC籃球板。僅以背面加強筋的設計來看，通過實際操作與有關資料相比較可知尚有不盡適合之處。[-page-]
圖5為加強筋的結構示意圖。圖中主要的結構尺寸為：
h：加強筋的高度
b：加強筋的寬度
t：加強筋的厚度
據資料介紹，一般要求h、b和t三者相比都不應太大，而應取b<t,h=(3-5)t為宜。在該大型SMC籃球板的設計中，實際采用了：
h=51mm t=4mm b=5-8mm；
即已達b>1~2t h>12t
顯然并不符合這一要求。雖然也制得了合格產品，但其中艱辛難以形容。究其原因，是用戶為了控制成本將原設計中籃球板的主板厚度(應與加強筋的厚度是一致的)從t=8mm,改成t=4，但其余的尺寸：加強筋的高、寬都未作相應改變；尤其原設計加強筋的高度仍等同籃球板翻邊的高度，高達51mm之多。相信前人與業界積累的經驗必須重視，下次遇到同類大型SMC制品時，當應結合實例聯合設計為宜。
3、工序布置，廠戶設計對大型SMC籃球板的影響。
大型SMC籃球板的制作，根據對產品的要求，除了對材料選擇、工藝試驗、模具設備的調整配合之外，尚應是現代工業中多工序，多項工藝的聯合與合作的結果，影響較大的是表面質量的控制，公款達的設備與廠房設計系80年代末，從海外引進，但由于制品要求不同，當時將模壓、噴漆、機加集于一堂。模壓制品打磨飛邊產生的塵埃不少，對于噴漆區域表面的影響不言而喻，為此SMC模壓籃球板又多加了噴漆這一工序，并且將噴漆車間相對隔離，漆料、空氣均過濾檢查后方可使用。據此可知分立式的車間設計，并必須隔離控制打磨飛邊毛刺工序的操作對SMC模壓制品工廠的重要。
