UG模具设计结构的设计过程！

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主板方案的确定

在手机设计公司，通常分为市场部（以下简称MKT），外形设计部（以下简称ID），结构设计部（以下简称MD）。一个手机项目的是从客户指定的一块主板开始的，客户根据市场的需求选择合适的主板，从方案公司哪里拿到主板的3D图，再找设计公司设计某种风格的外形和结构。
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设计指引的制作

拿到主板的3D图，ID并不能直接调用，还要MD把主板的3D图转成六视图，并且计算出整机的基本尺寸，这是MD的基本功,我把它作为了公司招人面试的考题,有没有独立做过手机一考就知道了,如果答得不对即使简历说得再经验丰富也没用,其实答案很简单,答案并不唯一,只要能说明计算的方法就行，还要特别指出ID设计外形时需要注意的问题，这才是一份完整的设计指引。

9 I+ }: s% a, d- s4 m. Z- P9 z手机外形的确定

ID拿到设计指引，先会画草图进行构思，接下来集中评选方案，确定下两三款草图，既要满足客户要求的创意，这两三款草图之间又要在风格上有所差异，然后上机进行细化，绘制完整的整机效果图

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+ e+ _% L; J9 M$ T! X! j2 l' j1. 资料的收集

9 Y/ J. g+ H1 vMD开始建模需要ID提供线框,线框是ID根据工艺图上的轮廓描出的,能够比较真实的反映ID的设计意图,输出的文件可以是DXF和IGS格式,如果是DXF格式,MD要把不同视角的线框在CAD中按六视图的方位摆好,以便调入ug描线

2. 构思拆件

$ G4 K; X. I1 h* G# [/ I- \7 Q9 xMD动手之前要先想好手机怎样拆件,做手机有一个重要的思想,就是手机的壳体中一定要有一件主体,主体的强度是最好的,厚度是最厚的,整机的强度全靠他了,其他散件都是贴付在他身上的,这样的手机结构才强壮,主板的固定也是依靠在主体上,如果上壳较厚适合做主体,则通常把主板装在上壳,如果下壳较厚适合做主体,则通常把主板装在下壳

# R+ L) I4 h2 f6 f& {+ i6 ?拆件力求简捷,过散过繁都会降低手机强度,装配难度也会增大，拆件方案定了之后,就要考虑各个壳体之间的拔模了,上下壳顺出模要3度以上
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' o  }8 Y: s- ?# V# q3. 外观面的绘制

外观面是指手机的外轮廓面,好的曲线出好的曲面,描线的时候务必贴近ID的线框,尊重ID的创意是结构工程师基本的修养.同时线条还要尽量光顺,曲率变化尽量均匀
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2 w$ b. t& t1 Z; A4. 初步拆件
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这个时候的拆件是为给客户确认外观和做外观手板用的,可以不做抽壳,但外观可以看到的零件要画成单独的,方便外观手板做不同的表面效果,外观面上有圆角的地方要导上圆角

% X% F, z! E) o( d. S, Q/ v) N: F5. 建模资料的输出

% M4 S8 A6 T) NMD建模完成后,在工程图里制作整机六视图,转存DXF线框文件反馈给ID调整工艺标注,建完模的六视图线框可能与当初ID提供给MD的线框有所修改,ID需要做适当的更新,并进一步完成工艺图,标明各个外观可视部件的材质和表面工艺,有丝印或镭雕还要出菲林资料,更新后工艺图菲林资料,再加上MD的建模3D图,就可以发出做外观手板了.


外观手板的制作和外观调整
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外观手板的制做有专门的手板厂,制做一款直板手机需要3~4天,外观板为实心.不可拆,主要用来给客户确认外观效果,现在外观手板的按键可以在底部垫窝仔片,配出手感,就象真机一样.客户收到后进行评估,给出修改意见,MD负责改善后,就可以开始做内部结构.

4 _3 @+ P! M: F/ }+ R- |# o% ]结构设计

结构的细化应该先从整体布局入手,我主张先做好结构的整体规划,即先做好上下壳的止口线,螺丝柱和主扣的结构,做完这三步曲,手机的框架就搭建起来了.再遵循由上到下,由顶及地的顺序依此完成细部的结构, 由上到下是指先做完上壳组件,再做下壳组件, 由顶及地

& a: U/ {5 k6 B6 G, h, a, `2 I1 s1. 止口线的制作
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7 }2 z+ @8 A  J内部结构开始,先是对上下壳进行抽壳,,为了方便装配,公止口可适当做拔模斜度或导C角.

2. 螺丝柱的结构
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* |! l9 V0 k* N8 H9 t" C螺丝柱是决定整机强度的关键,通常主板上会预留六个螺丝柱的孔位,别浪费,尽可能地都利用起来.螺丝柱还有一个重要的作用就是固定主板,螺丝柱的侧面还要做加强筋夹住主板,这样的结构才牢靠.
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3. 主扣的布局

* D. Q2 j2 B4 N. t/ ?' D! F4. 上壳装饰五金片的固定结构

! b! |: w4 o  k5 Q' G2 p5. 屏的固定结构
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) {) ^, q& z# q屏就好象手机的脸,要好好保护起来,砌围墙?对了,就是要利用上壳长一圈围骨上来

- z7 P3 J6 ^0 d. |. R' L' W6. 听筒的固定结构

听筒是手机的发声装置,一般在屏的顶部,除了需要定位以外,还需要有良好密封音腔,结构上利用上壳起一圈围骨围住听筒外側,和屏的围骨类似,但听筒的围骨不必撑到主板,包住听筒厚度的2/3就足够了.然后上壳再起一圈围骨围住听筒的出音孔,围骨压紧听筒正面自带的泡棉,围成一个相对封闭的音腔,最后在上壳上开出出音孔就行了,上壳出音孔的范围应该是在听筒的出音孔的范围以内.
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7. 前摄像头的固定结构

前摄像头位于主板的正面,采用PFC,连接器与主板连接.摄像头的定位也是靠上壳起一圈围骨包住摄像头来定位的.摄像头就象手机的眼睛,为保证良好的拍摄效果,摄像头正面的镜头部分需要有良好的密封结构,防止灰尘或异物进入遮挡了视线,我们借助于泡棉将镜头与机壳的内部分隔开来,外侧则加盖一个透明的镜片,为保证良好的透光性能和耐磨性能,摄像头镜片采用玻璃材质,底部丝印,丝印的目的是为了遮住镜片与壳体之间的双面胶纸

* T1 Z3 z0 t/ M8. 省电模式镜片的固定结构

+ D: y$ F3 x* t2 F省电模式镜片用得比较少,有些手机上有省电模式的设置,需要在手机壳上开一个天窗,让里面的感光ID感应到外界的亮度,这就需要在机壳上开孔并加盖镜片,镜片可以用PC片材切割直接贴在机壳外面,也可以做成一注塑成型的导光柱在机壳内侧烫胶固定.
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9. MIC的固定结构

MIC位于手机的底部,就想手机的耳朵一样,是把外界声音转换成电信号的元件,因此要让外界的声音毫无阻碍的传递给MIC,同时又要防止机壳内部腔体的声音影响到MIC,结构上起围骨是少不了的了,同时MIC本身要被胶套包裹,只在正前方露一小孔感应声音,正前方还必须与壳体良好的贴合,壳体上的导音孔一般开1.0mm的圆孔，MIC与主板的连接方式可以是焊线,焊FPC或者穿焊在主板上.
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* e  U, p' P, X7 Q7 q+ I10. 主按键的结构设计

手机主按键按厚度分可以分为超薄按键和常规按键,以前做翻盖机,滑盖机的时候因为厚度限制,按键厚度空间连2mm都不到,直接采用片材加硅胶的结构,片材可以是薄钢片或PC片,为了保证按键之间不连动,片材上不同的功能键之间会用通孔分隔开来(如V3手机的主按键就是这样做的),硅胶的作用是为了得到良好的按键手感.

现在市场上以直板机居多,我就以P+R按键为例讲一下主按键的结构设计,把直板机的结构设计工作量分为100份,我认为按键组件的结构设计就占了30%,上壳组件占30%,下壳组件占40%,可见按键的重要性.P+R按键包括键帽组件,支架和硅胶三部分,也有的按键在键帽组件和支架之间加多了一张遮光纸防止按键之间透光。

支架材料则根据按键厚度来定,可以用PC或ABS注塑成型,厚度在0.8-2.0mm;也可以用PC片材直接冲裁, 厚度为0.5,0.6或0.7mm;按键厚度不够时,支架材料用0.15mm厚的不锈钢片,但考虑到ESD(静电测试)时钢片对主板的影响,我们需要在钢片两侧弯折出一段悬臂,和DOME片上的接地网导通,或者和按键PCB上的接地铜箔导通, 硅胶片厚0.3mm,正面长凸台和键帽粘胶水配合.背面伸DOME柱和窝仔片配合。
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11. 侧按键的结构设计

0 r$ y8 N* X0 I' P侧按键位于手机的左右侧面或者顶侧面,功能通常为音量键,拍摄键,开机键或者锁定键等,结构较主按键简单,主板上做侧按键的位置通常会采用穿焊的方式固定几个侧向触压的机械按键,一个机械按键对应一个功能.机械式侧按键优点是结构简单,手感好.也有做FPC按键的,在主板上预留焊盘位置,采用面焊的方式固定一个FPC按键板,FPC按键板弯折后朝着侧面,按键板上的窝仔片可以感应触压.FPC式侧按键优点是主板不变的情况下侧按键的中心位置可以根据需要稍作调整。

侧按键部分的结构设计通常采用P+R形式,和主按键相比较侧按键不用做按键支架,硅胶部分不可少有助于改善手感不至于偏硬,键帽多带有裙边防止掉出,键帽表面处理可以是原色,喷油或者电镀,由于没有LED灯,侧按键不要求透光,也很少做水晶键帽,功能字符一般采用凹刻的方式做在键帽上。
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8 g) I5 G- v2 M- y4 s# B: ?侧按键的固定是在侧按键的侧面伸一个耳朵出来,然后用壳体伸骨夹住,这主要是在整机的装配过程中防止按键松脱,一旦合壳之后,侧按键的夹持部分就基本不起什么作用了,夹持部分的配合间隙为零。
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& X! x+ _1 E" Y! z7 C12. USB胶塞的结构设计

4 j. I$ J; U) \- o: }USB胶塞是用来保护USB连接器的盖子,为方便开合,通常采用较软的TPE或者TPU材料,USB胶塞的结构分为本体,抠手位,舌头,定位柱四个部分,颜色为黑色或者采用与壳体接近的颜色,USB的功能字符凹刻在本体上,抠手位可以是伸出式或者挖一块做成内凹式.舌头部分是USB胶塞伸入USB连接器防止松脱的胶骨,定位柱是USB胶塞固定在壳体上的倒扣,可以做成外插式或者直压式(直接卡在壳体之间).
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手机上类似的结构还有T-FLASH卡或者SD卡的胶塞,长一点的胶塞还可以做成P+R结构,即本体,抠手部分用硬胶材质,而里面的插合,固定部分用软胶材质,硬胶材质和软胶材质之间用胶水粘合在一起。
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13. 螺丝孔胶塞的结构设计

  e" c! M' k& r" K( W手机表面外露的螺丝帽会影响外观,必须用螺丝孔胶塞遮住.电池盖内的螺丝帽可以不做遮蔽.螺丝孔胶塞的结构比较简单,模具可以和USB胶塞放在同一套模里,由模厂制做,螺丝孔胶塞近似于圆柱形,为方便易取,可以掏空内部,螺丝孔胶塞外部的曲面需与壳体轮廓面保持一致,直径尽量做小(比螺丝帽直径大1.0mm即可),如果左右两个螺丝孔胶塞外部的曲面不一样,不能互换,则必须在螺丝孔胶塞的圆柱面上做防呆的凹槽加以区分。
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0 i, H8 ^9 a3 \  H. w2 T0 I8 ^螺丝孔胶塞根据结构的需要可以和螺丝不同轴心做成偏心的,只要能够遮盖住螺丝帽就行。
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+ I3 q; Z+ C- e/ Z因为整机拆解必须用到螺丝,所以为了验证手机没有被私自拆开过,有些制造商会在电池盖内的螺丝孔顶上挖一块平台出来加贴一张易碎纸,如果要松掉螺丝孔内的螺丝,就必须破坏掉易碎纸.贴易碎纸的平台必须根据易碎纸的尺寸来设计,平台形状比易碎纸略大,位置比壳体低下去一级,防止手指无意中触及到易碎纸。

9 R7 l! y/ e+ G2 Q- m$ |$ z4 `- B$ A14. 喇叭的固定结构
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手机的音量是强有力的卖点,这对喇叭音腔提出了更高的要求.除了要求方案公司把喇叭本身的出音调到最佳状态之外,喇叭的音腔结构还需注意几点:

a. 喇叭的前音腔必须做到封闭.喇叭与壳体直接配合的,喇叭与壳体之间必须加贴环状泡棉封闭,喇叭侧面必须用壳体长环状围骨包围起来,单边间隙留0.1mm.
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( z6 S- H' W! K. S6 [b. 喇叭的前音腔高度应大于1.5mm.喇叭的音腔高度是指喇叭的正面到壳体内壁的垂直距离,为了确保足够的喇叭音腔高度,甚至可以把壳体音腔内侧胶厚掏薄至0.6mm.


( q( u: @& f5 Q. mc. 出音孔面积必需达到喇叭出音面积的15%,出音孔面积是出音孔的总面积之和。
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d. 出音孔的结构最简洁的做法是直接在壳体上开孔,可以是圆孔阵列,也可以是一组长条形的孔.
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7 ^/ J. y- l! _3 G# L# Be.喇叭的后声腔主要影响铃声的低频部分，对高频部分影响则较小,可以不做要求。
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7 X3 p, }7 l2 |$ X" L: Q15. 下壳摄像头的固定结构
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下壳摄像头的固定结构和上壳摄像头固定结构类似,都采用PFC或连接器与主板连接,定位都需要围骨,密封都需要泡棉和镜片,但区别在于下壳摄像头的定位借助于天线支架, 天线支架围住下壳摄像头的四周和底部以固定摄像头. 为了保证下壳摄像头中心与下壳的拍摄孔中心不发生偏位,下壳定位围骨还是要的. 下壳摄像头镜片也是装完整机后吹干净镜尘,最后才装。
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16. 下壳装饰件的结构设计

: k9 K* i- `3 n  Q下壳装饰件可以是塑胶,IML件,五金片等.
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1 s; i, q6 G* G; y0 d8 `塑胶装饰件表面可以做电铸效果,优点是金属感强，档次高，耐磨性好,塑胶装饰件直接烫胶或扣在壳体上,厚度0.9~1.0mm, IML件就是将一个已经有丝印图案的FILM放在塑胶模具里进行注塑
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不锈钢装饰件厚度0.2~0.3mm，硬度较铝片装饰件高，以前的颜色单一，但随着技术的发展现在颜色已逐渐丰富起来。不锈钢装饰件的其它表面处理效果主要有拉丝、高光（机械抛光）、麻面（喷砂）、亚光等。
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6 O" W2 u2 A: s* G17. 电池箱的结构设计
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电池是手机储藏能量的地方,要求电池易装入,接触良好,翻转不跌出,易取, 电池箱的结构必须满足这些要求：
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" j1 d9 e7 K' a5 y0 U) G+ ma. 电池箱的基本料厚为1.0mm, 电池箱底部尽量封闭,有元件避开元件,没有元件尽量用胶壳遮住,避免露出大片的PCB。

b. 间隙,取放方向的单边间隙为0.2mm,拔模3~5度, 非取放方向的单边间隙为0.1mm,拔模1~2度. 电池箱底部与电池间隙为0.1mm. 电池箱底部胶壳掏胶与贴片元件间隙留0.2mm, 电池箱底部胶壳掏胶与SIM卡连接器间隙留0.5mm。
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c. 电池取放方向的两头需要做扣与电池配合,防止松脱, 扣合量的多少可以根据模拟电池取放时的转动来评估.抠手位要留出比指甲略宽的凹坑,方便手指抠出电池。

9 _; w: r4 |; C' Z! ?! vd. 电池箱体要保护电池连接器,即电池放入电池箱后只可以接触到电池连接器的弹片,而不许接触到电池连接器的本体,以免跌落测试时冲击到电池连接器造成损坏。

# L8 ?4 H7 L2 W9 Y18. 马达的结构设计
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马达是手机上产生微弱机械震动的电子元件,当用户设置静音时,通过马达的震动可以使用户感应到来电, 马达形状分为柱状和扁平状,连接方式主要有焊线式,弹片式,也有SMT式和插接式。

( N' [5 v3 |6 e0 V! N6 o' |8 b19. 手写笔的结构设计

# R$ u- {8 H( E# ~手写笔只在带触摸屏的手机上才用到,一般固定在下壳上,使用时拔出, 手写笔分为笔帽,笔管和笔尖, 笔帽上要做笔挂, 笔挂上做带抠手的拨点,方便抽笔出来,笔管为空心不锈钢管或铜管,可以跟据需要做成一段的或多段加长的. 笔尖带一圈凹槽,插入下壳后靠凹槽定位。
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8 c- @% e& Y" O, p! q; e20. 电池盖的结构设计
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6 U' d9 U2 X. e电池, SIM卡和T-FLASH卡要设计成可以更换的,把它们藏在下壳的电池箱里,再设计一个可以方便开合电池盖把它们保护起来, 电池盖的材质可以是塑胶件的,表面可以加贴装饰件如镜片或五金片等,也可以用不锈钢片材折弯成型, 电池盖的结构包括抠手位,插扣,侧扣,拨点, 抠手位是取电池盖时施力的地方, 插扣,侧扣,是电池盖插入下壳时咬合的结构, 拨点则是电池盖插入下壳后防止退出的锁定结构。
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20. 穿绳孔的结构设计
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8 r5 u3 I' N- |# x穿绳孔是手机上用来固定吊绳的结构,轻巧的手机可以穿一根挂绳挂在胸前,但现在随着手机表面五金装饰件的增多,和超长待机导致的电池体积增加,都使得手机本身的重量逐渐加大,也有客户不再要求做挂绳孔了.反正我是不建议大家把手机挂在胸前,除了这边的治安环境不允许外,手机电池的不安全性也逐渐为越来越多的人群所担忧,还是揣兜里吧!
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穿绳孔的结构一般做在下壳,利用天线支架的空档处见逢插针,行位是少不了的,还要保证套住挂绳的骨位有足够的强度。

7 J# h9 h: x' m$ h  G8 r) p  u+ i报价图的资料整理
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做到这里,手机的结构设计暂时告一段落,先做一件重要的事情---给客户提供塑胶模具报价图,塑胶模具的制做需要18天左右的时间,这是整个手机项目的重中之重,在这之前,客户选定模厂需要几天时间,先把初步完成的结构图交给客户去洽供应商,可以为整个项目的进程缩短时间,利用客户洽供应商的几天里,我们可以对产品进行优化,评审和修改,等客户选定供应商,我们的结构设计也完成了,正好和模具供应商进入模具评审阶段。

8 V, Y9 O3 e2 B9 B( c% L4 N/ @结构设计优化

8 j; A1 f  \. f; T1 N3 l' A好了,现在我们可以静下心来对自己的结构设计进行优化了,设计方案要变成产品,有很多问题需要我们思考和预防的,如表面五金件是否需要接地;主板与壳体之间怎样配合;壳体怎样增加强度;壳体怎样改善方便模具制做等等。
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结构评审

7 z# `, u& W2 x2 i9 q, E7 f每个结构工程师做出来的设计,总有自己发现不了的问题,需要别的工程师再把把关,所处的位置不同,观察的角度不一样,得出的判断也会有差异,有错就改,有疑问就拿出来大家讨论,可以使图纸的水平更上一个台阶. 评审时先由另一个结构设计工程师对图纸进行初审, 初审耗时约半天到一天,需要对图纸依次从外观,方案评估,上壳组件,下壳组件,表面工艺,模具可行性,到生产装配的顺序逐一进行全面检查,并将问题点记录下来.然后进入第二阶段---集体评审, 集体评审是结构部全员和相关ID设计师共同参与的会议,将初审的问题列出来,大家发表意见,统一认识,既保证了发出的图纸能够代表本公司的最高水准,也为结构设计工程师提供了一个学习提高的机会,在深圳,越是大的设计公司,越重视集体评审的作用。

结构手板的验证

/ H) j4 O- n/ _! c前面的结构做得再好,还只是纸上谈兵,结构设计的需要借助于实物进行验证, 结构手板就起到了验证结构的作用, 做结构手板的资料包括ID工艺标注,BOM和3D图档(当然还是要转成STP格式),结构手板的制做需要约4天,外观和尺寸都要求和图纸一致,这样比较贴近最终的样机,拿到结构手板配上主板和电池,这就是一部真的手机了,别高兴得太早,仔细地检查零件尺寸,看看整机的装配有没问题,还有没有什么改善可以让生产更方便快捷,现在细心点将来模具就顺利点。

模具检讨
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7 p) r: p- a5 p结构手板的制做不是需要4天吗,这段时间我们可以把ID工艺标注,BOM和3D图纸资料发给客户,方案公司和选定的模厂进行评审,这个评审一般需要1`2天,客户如果有自己的技术力量可以再把把关, 方案公司可以对天线信号接受可能发生的问题进行评估, 模厂则会对模具制做可能发生的问题提出一些改善意见,并将改善意见反馈给设计公司.必要时, 客户会同设计公司和模厂一起开会讨论模厂的改善意见,开模需要注意的问题都可以提出来, 设计公司和模厂有争议的问题由客户做出最终决定,讨论结果一式三份交客户,设计公司和模厂分别保存留底, 设计公司根据讨论结果更新图纸,发出正式的开模图, 开模图包括最终的ID工艺标注,BOM和3D图纸。
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投模期间的项目跟进
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) X" Q# z+ @6 d1 r塑胶件开模需要18天左右,是不是这段时间就没事做了呢?当然不是的,手机的供应商除了塑胶件外,还有按键，五金，镜片，镍片，电池，手写笔，辅料等,只要这款手机上用到的,一样也不能少.
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试模及改模
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1 }7 ^( ^$ H5 j) p1 W. p还是以塑胶件为例进行说明, 试模及改模是供应商完成模具制做后进行的塑胶件试做和模具修整,以满足设计要求.客户在试模前会追齐其他配件的样品, 试模时会同结构设计工程师一起去模厂, 结构设计工程师对所有配件进行单品检查和实装检查, 单品检查包括外观缺陷检查和尺寸检查, 实装检查则是把所有配件按照生产实际的装配顺序进行实装,找出问题.所有问题依次为列出来,和模厂进行协调,确定改善方案,改善时间和改善的责任人, 设计公司和模厂有有争议的问题由客户做出最终决定,讨论结果签字复印后一式三份交客户,设计公司和模厂分别保存留底, 设计公司根据讨论结果更新改模图纸,发出正式的改模图, 改模图包括改模部分的详细文字说明,需要改模零件的3D图纸. 3D图纸上要求改模的部分需用红色标识出来. 改模问题点事无巨细,不得遗漏。

试产

经过改善后的样品还要重复试模的程序进行检验,不过这次试模上,下壳等外观配件可以做上表面处理(如ID工艺图上有标明表面喷油,过UV,氧化,拉丝,丝印,电镀,镭雕的)再进行实装,如果实装确认无误后,就可以按排试产了.
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量产
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经过多次的论证,修改,检验,修改, 结构设计工程师辛劳的成果就快要出来了,所有的问题在量产前都已经解决了,如果没有什么问题, 量产的过程可以不需要结构设计工程师的参与, 按照现在的市场行情