（机械设计及理论专业论文）基于rerp的纸浆模塑模具关键技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，纸浆模塑技术迅速发展，纸浆模塑也逐步取代塑料泡沫包装而越来越广泛 地应用于各个领域产品的包装。与塑料泡沫包装相比，纸浆模塑制品具有原料来源广泛、 生产工艺简练、无污染、易降解、可回收再生利用等特点。由于包装产品的多样化和复 杂性，纸浆模塑制品的结构设计和模具生产制造效率日益成为各企业普遍关注的问题。 与此同时，逆向工程的兴起和快速成型技术在各行各业中的广泛应用为纸浆模塑行业的 发展提供了更广阔的发展前景，注入了新的活力。 本文研究了纸浆模塑制品传统的设计、生产方法，提出了基于逆向工程技术的纸浆 模塑制品结构设计方法，解决了具有复杂曲面形状的产品难于进行纸塑结构设计的难题， 提高了纸浆模塑结构设计定位的准确性，使得纸塑包装产品的应用领域更加广泛。研究 了纸浆模塑吸滤模具吸滤成型原理，通过建立吸滤成型数值模型，找出影响吸滤成型效 率的关键因素，对吸滤模具进行改进设计。提出将s l s 激光选区快速成型工艺应用于纸 浆模塑模具的生产制造，改变了纸浆模塑模具c n c 切削加工费时费力的传统生产工艺， 简化了纸塑模具设计生产流程，缩短了产品开发周期，提高了生产效率。 本文通过实验对s l s 激光烧结制造纸浆模塑吸滤模具具体工艺过程进行了详细的 研究。对吸滤模具文件数据的前期处理、烧结过程中各个工艺参数对制件精度强度的影 响以及后处理工艺对制件强度的影响等几个方面进行了深入的讨论，并通过正交试验， 得到了优化的工艺参数，为纸塑吸滤模具的生产制造提供了可靠的工艺试验数据。最后 通过一个企业生产实例，从产品的逆向设计、模具改进、吸滤模具的制造到纸模的生产 整个过程对本课题的研究内容进行了验证。 关键词：纸浆模塑，吸滤模具，逆向工程，快速原型，结构设计，s l s 工艺参数优化 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e i l n y m 0 1 d e dp u l pt e e i l i l 0 1 0 9 yh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n d 伊a d u a l l ys u b s t i t u t e df o r p l a s t i c 丘。o mp a c k i n gi i lm a n yp r o 山i c t s p a c k a 西n g c o m p a r e d t 0 p l a s t i cf b mp a c l ( i n & m o l d e dp u l pp r o d u c t sh a v em 锄ya d v 觚t a g e ss u c h 弱m a t 耐a ls o u r c ea b u i l d a i l c e ，s i m p l e p r o d u c tp r o c e s s ，n 0c o n t 锄i n a t i o l l s ，e 嬲yt 0d e c o m p o s e 觚dr e c y c l a b l e b e c a u s eo ft h e v 撕0 u s n e s sa n dc o m p l e x 时o fp a c k i n gp r o d u c t s ，t h es 觚c 帆d e s i 盟o fm 0 1 d e dp u l pp r o d u c t a 1 1 dm ee 伍c i e i l c yo fm 0 1 d sp r o d u c t i o nb e c 0 m em em a i nc o n c e n l e dp r o b l e m so f 廿l e e n t e r p r i s e h o w e v l 葛t h e 矗s e 锄dd e v e l o p m e n to fr e v e r s ee n 茧n e e ra n dr a p i dp r o t o t y p e t e d m o l o g yp r 0 v i d 销n l em 0 1 d e dp u l pp r o d u c ta 铲e a tf i l t l l r e t h eo r d i n a r yw a y so fm o l d e dp u l pp r o d l i c ：t sd e s i g n 强dp r o d u c t i o na r ef 0 姗u l a t e di nm e t e x t o nt h eb 嬲eo f l a t ，an e wd e s i 印m c o r yb a s e do nr w e r s ee i l 西n e e ri si i l 们d u c e dt 0s o l v e m ep r o b l 锄o fs o m el ( i n d so fp r o d l l c t s 、玩n lc 0 m p i e x 如r f a c ew h i e ha r eh 莉t 0d 船i g nb y o r d i n a r yw a y s b ym ea 1 1 a l y s i so f l a 叩mf i l t 商n gp r o c e s so fp u i p m o l d i n 吕m em m l e r i c a l m o d di s 如l n d e d t h e n 也ed e s i 鹊o fv a c 唧mf i l t 嘶n gm o l di si i n p r 0 v e d t h ct e x ta l s 0 p m v i d e san e wm e t h o do fp 1 础c i l 毽v a c m l mf i l t 舐n gm o l db a s eo ns l sr a p i dp r o t o t y p e t e c h o l o g y t h i sm e t h o dp r e d i g e s t sn l ep r o c 懿so fv a c m 肌f i l t e r i n gm o l dp r o d u c t i o n ，r e d u c 鹤 t h cp 耐0 do f n c wp m d l l c ti n v e l l t i o na n di n c r e 勰懿m em 锄u 溉e 伍c i e n c y t h e ，h o l ep r o c e s so fv a c u 咖f i l t 谢n gm o l dp r o d u c t i o nb ys l st e c i l l l o l o 影i ss n l d i e di n 坞t 吒i n d 础i l go ft l l e 珥铳r e a t m e n to fv 觚u u mf i l t e r i n g 丘l e ，廿l eo p t i m i z a t i o no fp a r 龇n e t e 娼 觚dt h ep o s t - 协阢n n e n tp r o c e s s a t l a 瓯b ys t u d i e sac 勰eo fm e 酬e r p r i s e ，m et h e o d 懿w l l i c h a 代p m f o r w a r d i n 也e t e x ta v 面i d a t e d k e yw o r d s ：m o l d e dp u l p ，咖nf i l t e r i n gm 0 1 d ，r e 、耐s e 觚百n e 瑚l p i dp r o t o 啪e ，s 仃u c n 鹏 d e s i g i l s l sp a r 锄e t e 骼0 1 ) t i m i z a ：t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅争借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 重益一 导师签名： 日 期： 一 第一章绪论 第一章绪论 逆向工程和快速原型技术自诞生以来发展迅速，已广泛应用于各个领域。本章对逆 向工程和快速原型技术进行了概述，提出将逆向工程和快速原型技术应用于纸浆模塑制 品及模具的设计制造。 1 1 逆向工程和快速原型技术概述 质量、成本、生产效率三要素是制造业永恒的议题，其各个要素在不同时期有着不 同的内涵，重要性也随着行业的发展而悄然发生着变化。随着我国制造业的迅猛发展， 在经历了以价格、质量为主导因素的竞争时期之后，面对商业机遇和挑战，企业的响应 速度，即产品研发生产的速度，逐渐成为企业是否能够抓住商机从而从众多对手中脱颖 而出赢得竞争的关键要素。其中，逆向工程( r e v e r e n 菩n e 舐n 岛r e ) 和快速原型( r a p i d p r o t o t y l ) c ，r p ) 技术作为支持产品设计和制造的系统工程和先进制造技术，逐渐成为产品 制造行业的研究热点。 现有的逆向工程就是指应用先进的测量设备，从实物模型测得点云数据，然后构造 出该物体的c a d 模型，继而将这些模型和设计表征用于产品或其附属产品( 如产品包 装品) 的分析和制造。它可以方便快捷地提取难以用c a d 设计的零件以及艺术模型的 数据，在产品快速设计与快速制造方面具有重要意义。逆向工程为设计师提供了更好的 设计环境和更多的设计手段，使其精力集中在创作构思上，结合快速原型制造技术，更 可以极大地简化产品的设计和制造过程，降低成本，更快地推出新产品，在竞争激烈的 市场上抢得先机【1 】【2 】。 1 1 1 逆向工程介绍 逆向工程也称反求工程【3 】，是近年来迅速发展的一门新兴学科。目前对逆向工程研 究较多的是基于零件实物的几何模型反求，即对产品实物运用传统测绘或各种先进的测 量方法进行数字化处理，获得三维离散点云数据，然后借助专用的曲面处理软件和 c a d c a m 系统构造实物的q d 模型，输出n c 加工指令或用s t l 文件驱动快速成型 机制造出产品或原型，其工艺流程如图卜1 所示。图中三维数据测量、数据处理、三维 重构是逆向工程的三大关键技术1 4 】。 江南大学硕士学位论文 图卜1 逆向工程流程 f i g 1 一lp r o c e s s0 fr e v e r s ee n g i n e e ri n g 1 三维数据的获取 准确获取产品实物的三维数据是进行产品c a d 造型的基础。在逆向工程技术中， 有接触式测量和非接触式测量两种点云数据的获取方法，其中三坐标测量机和三维激光 扫描仪是常用的数据获取设备。三坐标测量机测量精度高，适合于对产品的局部复杂造 型特征进行精确测量，属于接触式测量。该种方法获取的点云数据伪劣点少、精度高， 但是测量速度慢。三维激光扫描仪可以对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数 据测量，进而得到完整的、全面的、连续的全景点坐标数据，属于非接触式测量。此种 方法适用范围广泛，扫描速度快、效率高，但与三坐标测量相比，精度稍低。 2 三维数据的处理 在逆向工程技术中，主要采用专业的逆向软件如h 1 1 a g e w a r e 、g e o m 画cs 伽i o 、 c 0 p y c a d 等对获取的三维数据进行处理。三维数据的处理包括海量数据( 点云) 的精 减，多视数据的对齐定位，曲线曲面的重构等。 3 c a d 模型的重构 通过数据处理后，可应用逆向软件如g e o m a 西cs t u d i o 直接输出产品c a d 模型实体。 或应用更为专业的产品造型软件如u g 、啪等，通过导入曲线曲面等特征构建产品 实体特征，从而得到更为精确的产品c a d 模型。 采用逆向工程技术提高产品质量和竞争力主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 有助于从概念到产品的快速制造。利用反求设备快速测量手工模型，通过实 物模型产生其c a d 模型，可以将设计师完美的产品设计构思表达于计算机中，用于计 算机辅助设计( c a d ) 和快速原型制造( r p m ) 。使产品设计充分利用c a d 技术的优势， 并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。 ( 2 ) 使得对产品或产品附属品的设计更为准确。对于已经停止生产或丧失供货渠 道的产品，可以通过反求测量快速获得产品的数据，进行少量复制。此外对已有的产品， 在设计其附属产品，如产品配合部件，产品外包装件等时，可通过反求得到的产品本身 c a d 模型进行产品附属品的设计，缩短了产品设计周期，提高了设计准确性。 ( 3 ) 借助于层析x 射线摄影法( c t ) 技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形态， 2 第一章绪论 而且可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手 段。 随着逆向工程的日益发展和完善，其现今已经被应用于机械制造、电子、汽车、航 空等各个领域，发挥着越来越重要的作用【5 】【6 1 。 1 1 2 快速原型技术概述 快速成型是一种基于离散堆积成形思想的新型成型技术。它将计算机辅助设计、辅 助制造、数字控制精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据产品的三维设计模 型，分层切片得到各层轮廓，并通过激光粘结或热熔得到各截面的轮廓并逐步形成三维 产品。l 心技术彻底摆脱了传统的“去除 加工方法，将复杂的三维加工分解成简单的 二维加工的组合，从而降低了传统制造方法需要几周或几个月设计制造的时间和昂贵的 费用。根据国外资料统计，l 心技术只需要传统加工方法3 0 5 0 的工时和2 0 3 5 的成本就能直接制造产品样品或模具【7 1 。 快速成型技术由于应用其离散、堆积成型技术的先进性而发展迅速，目前已经出现 了十几种不同的成型工艺方式。这些成型方法由于采用不同的材料、能源和堆积成型方 式而各具特点。目前比较成熟并且已经投入商品化生产的工艺主要有以下几种嘲： 1 立体光刻技术( s t e r e dl i m o 伊a p h ya p p a m l = l l s ，s l a ) s l a 技术又称光固化快速成型技术，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。由 于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光 源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在 激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近1 0 0 ，能制造形状 复杂、精细的零件，效率高。图卜2 ( a ) 为s l a 工作原理图。液槽中盛满液态光固化树脂， 激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线由计算机控制，光点 打到的地方，液体就固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂，刮平器 将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一 层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。 2 层合实体制造( l 锄i n a t e do b j e c tm 锄u f ；l c t 嘶n g ，l o m ) l o m 工艺也称叠层实体制造或分层实体制造。其原理是先用大功率激光束切割金 属、塑料或纸薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原 型的立体几何形状。如图卜2 ( b ) 所示，加工时，热压辊热压事先涂覆上一层热熔胶的片 材，使之与下面已成形的工件粘接。用c 0 2 激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面 轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光 切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和 供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域，工作台上升到加工平面；热压辊热压， 工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓，如此反复直至零 件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件 3 粉末激光选择性烧结( s e l e c t i v el 勰e rs 硫e 血g ，s l s ) 3 南 学碰l 学位论立 s l s 技术与s l a 技术相似，它采用c 0 2 激光器和粉术状材料( 如塑料粉，陶瓷和 料- 结剂的混合粉、会属与粘结剂的混合粉) ，工作原理如图l - 2 ( c ) 所示。成型时，先在 丁作台上铺一层粉末材料，激光发射装置受控运动，在粉术箱中施行迩层扫描。激光聚 焦光斑扫描所到之处，粉末烧结形成物理模型的组成部分，直至形成完整的物理模型。 将其从粉木箱中取出并清除多余粉水即得原型。实际生产i 】用得比较多的是逐层铺撒 粉、逐层烧结的方法。s l s 工艺材料的利用率高，材料的适应面广，不仅能制造高强度 塑料件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，目前应用十分广泛。 ( c ) s l s 工艺原理图 图卜2 快速成型工艺原理图 1 1 3s l s 技术的发展现状及应用 从s l s 技术诞生到广泛应用于各个领域，二十多年来，各国的s l s 学者对s l s 技 术的成型工艺、方法、材料、成型效率毗及成型精度展开了大量的理论和试验研究【9 】。 目前，这些研究主要集中在：r 0 c k w e l l 公司、d t m 公司、e o s 公司、东京大学、 香港理工大学以及国内的清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学、 浙江大学和北京隆源自动成型系统有限公司等。 国外的d t m 公司、r o c k w e l l 公司和e o s 公司主要对s l s 成型材料的开发做 了大量工作。d t m 公司最新研制的材料l 器e r f o ms t 1 0 0 的粉粒直径为2 3 3 4 岬， 比其之前推出的层厚最小可达到0 0 7 5 i m 的r i dt o o l 20 系列材料的粉粒直径还要小 很多，此种材料的成型件可以达到很高的精度和表面光洁度，不需要后续抛光处理，主 第一章绪论 要用于注塑模具的制造。r o c k w e l l 公司【l l 】研制的c o p p e rp o l y i m i d e 材料基体为铜粉， 粘结剂为聚酰胺( p 0 1 y a m i d e ) ，其特点是成型后不需要入炉进行二次烧结，制造周期短， 可在1 天内完成模具的制造加工。成型件的表面粗糙度进行很好的抛光后，最低可达 1 2 陋l 。制成的模具可广泛用于p e 、p p 、p s 、a b s 、p c a b s 、玻璃增强的p o l y p r o p y l e n e 和其它常用塑料的注塑成型，但是模具的寿命只有1 0 件副。e o s 公司开发的 p a 3 2 0 0 g f 尼龙粉末材料可以获得高精度和很好的表面光洁度的成型件。 近年来，国内的北京隆源公司、华中科技大学都开发出了低熔点高分子粉末材料， 可用于原型件的制作和替代蜡模进行熔模铸造，其中北京隆源公司正在着力研究尼龙材 料的s l s 烧结特性。南京航空航天大学在覆膜砂材料方面也作了大量的工作，其选用 在使用特性上与酚醛树脂类似的环氧树脂粉末作为覆膜砂粘结剂，经过合理的配比，获 得了很好的烧结性能。 在s l s 技术的成型工艺、工艺参数对成型精度强度的影响方面，主要的研究工作 有： h j y a n g 等【1 2 j 应用t a u 出方法研究了s l s 加工烧结过程的x ，y 和z 方向的收缩 变化，并提出了不同方向的收缩补偿问题。 j 0 l l i ld w i l l i 锄_ l s 【1 3 】运用数值分析的方法，对能量传输、热量转移和烧结过程进行了 研究，并分析了激光功率、激光束射速、扫描间距、激光束直径和扫描线长度对加工温 度场的影响，进而研究了对密度和强度的影响。 g i b s 【1 4 】从热力学模型方面研究了加工材料性能对加工件机械性能的影响，以及加 工材料性能与加工参数对加工件力学性能的影响。简单分析了加工床温度、激光功率、 扫描速度、扫描间距和层厚等加工参数对变形弯曲的影响。 王荣吉【1 5 】应用神经网络方法和遗传算法，对s l s 的烧结过程和后处理过程进行了 模拟和优化研究，并通过大量试验，研究了烧结工艺参数以及后处理工艺参数对加工件 精度强度的影响，得出优化的工艺参数。 目前，s l s 快速成型技术已经成熟应用于各行各业中模具母模或功能性零件的生产 和制造。通过将s l s 快速原型件进行浸蜡或喷涂强化树脂等处理，可以制成用于模具 精密铸造的熔模或符合精度强度要求的功能性零件。应用s l s 快速成型技术，还可以 直接对工业设计产品的原型或产品包装件造型进行快速打样制造，迅速地将设计师的设 计思想变成三维的实体模型，既可节省大量的时间，又能精确地体现设计师的设计理念， 为产品评审决策工作提供直接、准确的模型，大幅度减少了决策工作中的影响因素。另 外，随着医学c t 技术的发展，s l s 技术也被应用于意外事故所造成的人体骨骼修复模 型的快速制造和骨骼模型的评估。 1 2 纸浆模塑制品及其模具概述 纸浆模塑制品由于具有原料来源广泛、生产工艺简练、无污染、易降解、可回收再 生利用等特点而在包装行业得以迅速发展。纸浆模塑制品具备一般纸制品的强度、挺度 和韧性等性能，还可以根据要求制成各种形状来满足被包装物品对包装的承载、定位和 5 江南人学硕：l ：学位论文 缓冲的要求，适于包装各种出口产品和内销产品，逐步取代发泡塑料进入工业品包装领 域【1 研。 至今为止，发达国家的纸浆模塑工业已有8 0 多年的历史。目前，法国、美国、日 本、加拿大、冰岛、英国、丹麦、新加坡、荷兰等国的纸浆模塑行业都已具备了相当的 舰模。从1 9 8 9 年开始，美国约有6 0 0 家工厂生产纸浆、纸和纸板以及相关纸制品，其 中有2 0 0 家基本上是利用废纸作为原料，另外3 0 0 家在生产过程中5 0 利用废纸。美国 每年用纸大约为4 7 万吨，从1 9 9 4 年开始每年以4 0 的速度增长，2 0 0 0 年已经增长到 8 1 万吨。纸浆模塑包装的巨大需求量，已使它成为回收纸张的第二大消费行业【1 6 1 。 我国的纸浆模塑技术自八十年代从国外引进至今后，发展迅速，如今已逐步取代难 于回收、易于造成白色污染的泡沫塑料，用于包装手机、显示器、笔记本电脑和其他家 电产品。2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧盟正式启运针对电子产品原料、配件及包装物料绿色化 的报废电子电气设备指令州e e e ) 和关于在电子电气设备中禁止使用有害物质指 令( r o h s ) 两项法令，加快了全球电子产品的绿色环保进程。而纸制品包材和发泡塑 料包材的欧洲环保税率分别是0 1 8 e u r 矾延和o 3 5 e 唧o k g ，两者相差约2 倍。我国是 电子产品的加工出口大国，因此，纸浆模塑材料在产品包装领域替代发泡塑料可谓势在 必行、前景广阔f r 7 1 。 纸浆模塑的成型是利用模具经过真空吸附得到的。因此，在纸浆模塑制品的生产过 程中，模具的开发和设计是关键环节。模具的开发设计要求技术高、投入大、周期长， 而且风险也较大。目前企业中广泛使用的设计方法是先在三维造型软件中模拟实物曲面 特征进行包装结构设计，然后应用数控加工的方法生产出铝合金吸浆模具。由于纸塑产 品的日益多样化，传统的工艺和方法已经逐渐不能满足纸模的生产制造要求，因此，研 究采用新的模具设计方法和模具制造工艺来降低生产成本，提高经济效益，成为众多纸 塑企业热切关心和迫切需要解决的问题。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 对纸浆模塑制品结构设计的研究 2 0 0 0 年，j o l l i lh o 伍n 锄【1 8 】作了纸塑缓冲包装压缩和缓冲性能的研究，研究了圆台 状单元、契型单元的应力应变曲线，密度和拔模斜度对纸塑制品压缩性能的影响，以 及冲击曲线等。 2 0 0 1 年，刘志忱等对纸塑制品基本生产过程、纸塑制品结构设计、纸塑模具设计 及行了研究和探讨，确定了相关设计原则和参数。 2 0 0 4 年，金国斌【1 9 】等在发表的文章中提出通过选择轴对称的几何形状单元、减小 拔模斜度、增加单元个数等方式提高抗压能力和缓冲性能。在纸浆模塑缓冲衬垫的结构 设计中，应该结合产品以及产品流通环境等相关资料进行设计：尺寸上宜留有可调节余 地，注意结构设计的最大允许偏差；设计结束后应在与实际流通环境相当的条件下对整 个包装系统进行测试。 6 第一章绪论 2 0 0 6 年，潘梦洁等通过对h pp a v i l i o n 系列主机纸浆模塑包装的设计，提出缓冲衬 垫的设计流程：选用单元结构类型、设计单元结构参数、计算单元结构排列数量和工艺 性结构优化设计。林润惠，陈海燕【2 0 1 等提出基于p r 0 愿软件的运用参数化设计纸塑制品 及模具的方法。 2 0 0 7 年，和克智【2 i 】等通过设计要素、设计原则、设计标准等几个纸塑制品结构设 计关键问题对纸塑结构设计流程进行了阐述，并从技术、经济、社会三个方面进行了评 价。 1 3 2 对纸浆模塑吸滤模具制造技术的研究 对纸塑模具制造技术的研究多来源于生产实践。现阶段传统的纸塑模具的制造方法 为数控机床加工铝合金模具。企业中也经常使用沙模、石膏浇筑等方法进行产品打样模 具的生产。 2 0 0 2 年，基于集成快速制造技术的广泛应用，林益平等【捌提出将快速成型技术应 用于纸塑模具的制造，利用l o m 快速成型机快速制造纸塑样品模型，从而对产品进行 快速打样和性能评价。 2 0 0 3 年，张以忱等【2 3 】对纸浆模塑真空吸滤成形机理进行了研究，建立了数学模型， 为纸塑模具制造过程中开孔、附网等工艺提供了参考。 2 0 0 5 年，于永健、张新昌【2 4 】对纸塑模具设计、成型模具参数进行了系统的研究和 分析，并进行了模具的改进优化试验。 1 4 橼题的选题背景、意义和主要内容 1 4 1 本课题的选题背景及意义 随着包装工业的发展，必然产生大量包装材料及包装废弃物的处理问题。而国际社 会对环境保护日益重视，许多国家先后以立法形式确定环保措施，并从政策、技术发展、 理论与企业及消费者之间的协作关系等方面促进环境保护工作的实施。 纸浆模塑制品是一种可以生物降解，在生产与使用过程中不产生工业污染，并且废 弃物可再生利用的绿色包装材料。它通过利用纸浆原料，经过制浆、配浆、成型、干燥 等一系列工序加工成具有各种用途的纸制品。纸浆来源于回收的纸张、纸箱、书报、纸 张印刷加工厂的边角料及造纸厂的尾浆等。纸浆模塑制品可回收周转使用，也可以百分 之百再生利用。因此，发展纸浆模塑技术和制品符合国际包装工业材料应用的发展趋势， 符合我国环境保护的新政策【1 6 j 。 我国于1 9 9 6 年颁布了固体废弃物环境保护法，法规中规定了三化一原则：对固 体废弃物提倡资源化、减量化、无害化。而采用纸浆模塑制品代替聚苯乙烯发泡制品正 是体现了“三化 原则。基于对环境保护的重视，国家环保局己明确提出要大力发展纸 浆模塑工业。包装行业也已经将“用纸质材料代替泡沫塑料 列入包装工业的发展计划， 发展纸质包装成为中国包装工业。九五一规划的重点。我国的杭州、上海、武汉、哈尔 7 江甭大学坝：学位论文 滨等各大城市也相继出台了有关政策，将逐步用纸质餐盒来代替发泡餐盒。 综合研究表明，纸浆模塑制品代替塑料泡沫制品已成为一个不可逆转的趋势，如何 提高纸浆模塑制品的质量和生产效率已经成为亟待解决的问题，而模具的研发和设计是 生产模塑制品的基础。因此，提高模具的质量和设计水平是目前所要面临的首要问题。 现今的纸浆模塑关键技术和生产成本在于纸塑模具的设计和制造。目前企业中广泛 使用的设计方法是先在三维造型软件中模拟实物曲面特征进行包装结构设计，然后应用 数控加工的方法生产出铝合金吸浆模具。由于设计方法、模具材料和加工方式的限制， 导致模具设计不准确、结构特征局限、开发成本高、开发周期长。同时由于加工成型后 难于进行修改，导致出现模具开发风险大、材料浪费等问题。因此，研究采用新的模具 设计方法和模具制造工艺来降低生产成本，提高经济效益，成为众多纸塑企业热切关心 和迫切需要解决的问题。 本课题应用逆向工程原理和快速原型技术，提出运用激光扫描测量等方法快速获取 产品复杂外形特征，得到产品c a d 模型用于包装模具的定位设计：再运用快速原型制 造技术中的s l s 激光烧结工艺制造高强度塑料模具取代铝合金模具，最后进行纸模的 制造和生产。大大降低了开发周期( 约缩短至三分之一) ，节约了开发成本( 约节约百 分之五十) ，减小了开发风险，可直接应用于企业生产，有效提高了企业生产利润和竞 争力，具有广阔的市场前景。 1 4 2 本课题的主要研究内容 1 基于l 也的纸浆模塑制品及模具结构设计 对于纸塑包装制品，传统的设计方法往往是通过简单的测量，同时结合设计者的自 身经验对产品进行外包装的缓冲结构设计。然而对于某些具有复杂曲面特征的产品，如 精密仪器零部件、高档玩具、电子类产品等，很难通过简单测量来准确获取产品外形特 征，因此难于进行包装结构定位设计。 本课题应用逆向工程的原理和方法，先通过三维激光扫描仪，对产品外形进行扫描， 然后通过逆向软件，对扫描得到的点云进行处理，快速获取产品复杂的外形特征，得到 产品的c a d 数字模型，从而为产品的外包装结构设计提供直接来源。具体研究内容包 括： ( 1 ) 纸塑产品逆向设计一般方法 应用逆向工程技术获取产品用于包装定位的外形特征，从而获得产品整体或局部造 型，用于纸塑包装的定位设计。主要研究内容包括产品整体或局部外形特征点云数据的 获取，点云数据的处理，产品的逆向造型，应用产品模型进行的包装模具结构设计的方 法。 ( 2 ) 两大类纸塑产品的逆向设计要点 针对两大类纸塑产品的不同特点，研究两类产品逆向设计的要点，从而形成系统的 纸塑产品逆向设计方法。 2 基于r p 技术的纸塑吸滤模具生产制造 8 第一章绪论 传统的生产纸塑模具的方法为数控加工铝合金模具。由于设计方法、模具材料和加 工方式的限制，导致模具设计不准确、结构特征局限、开发成本高、开发周期长。同时 由于加工成型后难于进行修改，导致出现模具开发风险大、材料浪费等问题。 本课题采用s l s 选区激光烧结快速原型技术，直接对设计出的纸塑模具进行激光 烧结加工出塑料模具，通过涂覆树脂等后处理工艺，使得塑料模具的强度大大提高，同 时省去了对原铝合金吸滤模具的钻孔工序，可直接进行小批量的纸模生产。具体研究内 容包括： ( 1 ) 吸滤模具的打孔及改进设计 由于纸塑产品生产制造的特点，在纸塑的吸滤模具表面，遍布着直径为3 5 m m 的 小孔，其主要作用是为纸模生产时的真空吸滤过程提供透气通孔，使纸浆在气压吸力的 作用下吸附于附在模具表面的铁丝网面上，形成纸模。传统铝合金模具的透气孔为人工 钻孔，由于模具结构复杂，钻孔工序往往耗费大量的时间和成本，同时透气孔质量难以 保证，影响纸模吸滤成型效果。 针对快速成型技术的特点，本课题直接应用c a d 造型软件，对纸塑模具的c a d 模型进行打孔，并通过对纸塑吸滤模具吸滤成型过程中压力损失的分析找出影响吸滤成 型效率的因素，进行吸滤模具的改进设计。最后直接烧结出改进后的覆满抽气孔的纸塑 吸滤模具，简化了生产工艺，节约了生产成本。 ( 2 ) s l s 工艺参数的实验和优化 在快速原型制造过程中，选取激光功率、扫描间距、扫描速度、烧结温度作为影响 因素，通过正交试验对成型精度和效率进行参数选择和优化，得到针对纸塑模具快速制 造的优化工艺参数。 ( 3 ) 后处理工艺和强度的验证 相对于精度要求，对纸塑模具强度的要求则显得更为重要。纸模制造时，在吸浆模 具两侧的真空吸滤压力差为0 0 4 o 0 8 m p a ，因此通过后处理工艺提高模具强度对模具 使用寿命将产生关键影响。 本课题将对涂敷树脂的强度增强方式进行研究和试验，选择确定合适的工艺参数， 以尽可能提高吸滤模具的强度。 9 江南大学硕上学位论文 第二章纸浆模塑工艺流程及其模具 纸浆模塑技术自诞生以来，随着社会的发展和市场需求的不断变化，其工艺过程也 逐步成熟和发展。本章结合企业生产实际，概括了纸浆模塑生产工艺流程，并对传统纸 塑生产模具进行了初步研究。 2 1 纸浆模塑的工艺流程和成型方法 2 1 1 纸浆模塑的工艺流程 根据纸塑包装产品性质特点的不同，纸浆模塑生产工艺流程略有不同，总的来说， 纸浆模塑的生产工艺主要包括制浆、配浆、成型、干燥、热压整形等工序【2 5 1 。 1 制浆 纸浆制备工序多在水力打浆机及分选机上进行。制浆时需要根据所生产的制品选择 合适的原料以及原料配比。比如生产纸浆模塑类快餐具和工业包装品所需的原料就不 同，因此需要根据不同的原料选择不同的打浆度和打浆时间。 2 配浆 完成打浆后，将浆液排放到粗浆池中，按要求添加填料、颜料、防水防油剂等化学 助剂并不断搅拌，最后加水使浆液稀释，调整得到需要的p h 值和纸浆浓度后用浆泵把 浆料输送到成型机，完成配浆的过程。 3 纸浆模塑成型 纸浆模塑成型就是将原浆制成一定形状的半湿态纸模毛坯，也就是经制浆工序出来 的纸浆在金属模具上脱水形成湿纸模，这是纸模生产过程中的关键工序，纸浆中大约 9 5 左右的水是在成型时脱除的。因此，该工序对产品的质量、材料、能源的消耗、生 产效率的提高及破损率等起着决定性的作用。成型的质量取决于成型机、成型方式、模 具的结构和质量以及原浆质量等因素。 纸浆模塑成型有真空吸滤成型法、压力成型法和挤压成型法。目前，我国纸浆模塑 行业普遍采用的是真空吸滤成型法，工艺有两种：模内定量灌浆和模外吸附成型。其原 理均是使纸浆通过网模流动，把水滤掉，将纤维截留在网模上，形成湿纸坯。模内灌浆 方式是通过一定数量的纸浆来保证制品厚度，而模外吸附则是通过控制纸浆浓度和吸附 时间来保证制品厚度。纸模工业包装制品大多采用往复式模外吸附成型方式，如图2 1 所示。 1 0 第一纸浆模塑t 2 洫程1 模 图2 一l 模外吸附成型机 f i g 2 1v a c u 岫f i l t e r n gm o l d ；n g 衄c h i n e 4 干燥 干燥主要是脱除制品中大量的结合水分。纸浆模塑制品在干燥之| i i 的含水率一般为 1 0 0 3 0 0 甚至更高而制品的含水率要求降为1 0 1 2 ，有时甚至低到3 4 。 目 u 常见的纸浆模塑制品的干燥方法有模内干燥法和模外热空气干燥法两种。 模内干燥法是指湿纸模在上下热压模之f b j 同时进行连续的压榨和干燥。热压模采用 电热管或者电热板加热。由于压榨、干燥过程都在模具中进行，制品的挺度、光滑度和 成品率较高与模外干燥法相比，制品更加致密、平滑，其尺寸和形状更加准确。这种 干燥方式适用于生产几何形状复杂和表面质量要求较高的精密纸浆模塑制品，但能耗较 高，生产能力较小。 在模外热空气干燥法中，纸坯的干燥是在箱式干燥通道中周期性地或连续地进行 的。其原理是：以纸浆为主要组分的湿纸模毛坯，是内部具有毛细管结构的多孔隙物体， 水分存在于纤维的表面和纤维毛细管的孔隙之问。热空气一方面作为热源为去除水分提 供能量，另一方面叉作为水分载体，将不断蒸发出米的水分带走。湿纸模毛坯中的水分 是依靠水分的内扩散和外扩散蒸发的。所谓内扩散是指水分在灞纸模毛坯中由内部向表 面的迁移过程，外扩散则是指水分从其表面蒸发后被带走的过程脚l 。在天气较好时，对 于质量要求不是程苛刻的纸浆模塑制品也可以露天放置，利用太阳能晒干制品，但其将 导致纸浆模塑制品在不同程度上的变形和机械强度变差。热空气干燥法的干燥设备主要 有干燥箱、隧道式干燥器和链式干燥机等。 5 热压整形 热压整形是对脱模干燥后的制品进行外形校正，使之符合质量要求。热压过程中， 有时还需要进行特殊处理，如：在表面压印图案文字等。 纸浆模塑完整的工艺流程如图2 2 所示； 江南人学硕- ：学位论文 图2 2 纸浆模塑技术工艺流程 f i g 2 2t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s0 fm o l d e dp u l pt e c h n o l o g y 2 1 2 纸浆模塑的成型方法 按成型设备的脱水原理来分有：真空吸滤成型法、压力成型法和挤压成型法【2 6 1 。 1 真空吸滤成型法 纸浆模塑产品的成型过程是纸浆中的纤维在成型网模上的沉积和过滤脱水的过程。 真空成型法就是在脱水的过程中为了加速纤维的沉积和脱水过程而采用的真空抽吸的 方式。通过真空抽吸，使成型腔内形成真空，大量的水分被抽走，纸浆中的纤维沉积附 着在成型网模上形成一定形体的制品。真空成型法成型机可分为三种：转鼓式、返转式 和往复升降式。现在国内常见的真空成型设备是往复升降式成型机，其分为手动半自 动和全自动两种型式。手动半自动成型机采用单工位上下升降式吸附成型，人工接送 制品，用热风烘道干燥或热压机干燥，然后另外进行整形切边等。这种生产线特点是设 备简单，投资少，但生产效率低，能源及原材料消耗大，工人劳动强度大，纸浆原料适 应性差，一般适用小规模生产。国外大多采用转鼓式真空成型机，这种成型机自动化程 度高，原材料适应性强，劳动强度低，能耗少，产品质量稳定，适用于大规模生产。国 外的这种设备都是用来生产蛋托、瓶托、托盘、电器内衬包装等。早期国内也有厂家进 口这种设备来生产饭盒，但是由于窑式干燥、脱模定型精度差、定型压力低、表面质量 和密度较差等原因，产品质量不稳定。 2 压力成型法 压力成型法和真空成型法相反，它是利用压缩空气作为过滤动力，加速纸浆纤维的 沉积和脱水过程。这种成型方法主要用于外型结构复杂且紧密度要求高的中空纸浆模塑 制品如瓶、桶等。在某些场合，对压缩空气进行加热，在成型的同时起到进一步脱水干 燥的作用。 3 挤压成型法 挤压成型法利用机械挤压方式，可产生更高的成型压力。其工作原理是在成型腔内 注入定量的纸浆，成型模在气动或液动的作用下向下挤压，使纸浆处于封闭状态下在成 型腔内的网模上成型，水从网模下端排出。由于成型压力较大，挤压成型法可生产定量 较重、密度较大的浅盘式制品。 综上所述，从生产效率、设备投资和对制品结构的适应性上看，真空吸滤成型法要 1 2 第一二章纸浆模塑t 艺流程及其模具 优于其他方法，用于工业包装制品生产的设备几乎全部是基于这种原理的。 2 2 纸浆模塑制品的模具 纸浆模塑制品的模具设计必须满足纸浆模塑结构的要求，而纸浆模塑制品的结构在 满足被包装产品和成型工艺条件的同时，也要符合模具设计和制造的要求。因此在设计 纸浆模塑模具之前，必须充分分析和研究纸浆模塑制品的结构，以便使模具设计和制品 设计两者的经济合理性、技术可行性相互协调和统一。 纸浆模塑制品成型过程中要经过多次进入模具才能最后完成制品的制造过程。纸浆 模塑模具主要有成型模具、定型模具、整型模具和模切模具等。其中成型工艺主要是真 空吸附成型，因此，吸附成型过程中以吸滤成型模具较为特殊和复杂。 1 吸滤成型模具 成型模具由凸模、凹模、网模( 滤网) 、模座、模具背腔和气室等组成。网模是由 丝网( 金属或塑料) 编织而成，网目数一般在4 5 6 0 目之间。网模自身不能独立于成型 模具，必须依附在模具表面才能成型。模具背腔是与模具工作面保持一定厚度并与模具 工作面形状完全同步的模具，背面部位与模具座之间形成一定的空腔即凸、凹模是一个 具有一定壁厚的壳体。模具工作面与背腔之间由均布的小孔连通，其具体的结构和吸滤 成型原理将在第四章做详细介绍。 2 定型模具 定型模具用于湿纸坯在模具内烘干定型。用定型模具制造出来的制品表面光滑美 观、尺寸准确、坚实、刚性好。纸浆模塑一次性快餐用具就是采用这种模具制造的，因 此定型模具适用于一次性快餐具的工艺流程中。而用于一般工业品包装的纸浆模塑生产， 时则不需要使用定型模具。 3 热压整型模具 湿纸坯经过烘干或者晒干后会发生不同程度的变形，当对纸浆模塑制品外表面精度 要求较高时，纸浆模塑制品要经过一道整型工序，整型过程使用的模具称为整型模具， 这种模具也需要有加热元件，但可以没有网模。由于整型模具尺寸是和纸浆模塑制品的 尺寸相关的，因此其凸、凹模具的尺寸可以直接由纸浆模塑制品的尺寸来得到。凸模尺 寸即为纸浆模塑制品的内尺寸，凹模尺寸则为纸浆模塑制品的外尺寸。整型模具一般都 采用黄铜、铝合金和不锈钢制造。 4 模切模具 根据企业的要求和产品的需要决定是否进行模切，模切模具的刀具采用合金钢材 料，模具体采用普通的碳钢材料。由于成型模具设计和制造精度的偏差、模具使用后磨 损等原因，纸浆模塑制品的边缘往往参差不齐。为了使制品整洁美观，外观要求较高的 纸浆模塑制品都设有切边工序。模切模具就是用于修整纸浆模塑制品毛边的模具。然而， 纸浆模塑制品的切边工序是不合理的，它不仅浪费资源，增加制品成本，并且破坏了制 品的边缘纤维结构。 5 模具之间的对应关系 1 3 江南大学硕士学位论文 如上所述，在一个完整的纸浆模塑制品的成型过程中涉及到的模具有：成型模具、 定型模具、整形模具和模切模具。由于实习条件所限，纸浆模塑生产线是生产一般工业 品内包装的纸浆模塑制品，在其生产过程中没有涉及定型模具，因此主要对整型模具和 成型模具进行介绍。整型模具和成型模具在结构设计上完全相同，在尺寸方面有所差异， 成型模具和整型模具相比，涉及到收缩率的问题，因此成型模具的尺寸是在整型模具尺 寸的基础上扩大一个收缩率得到。而整型模具凸、凹模的尺寸和纸浆模塑制品的内、外 尺寸完全对应。 2 3 小结 本章对纸浆模塑制品的生产工艺流程及模具做了十分详细系统的介绍。同时，重点 研究了现今企业中普遍应用的真空吸滤成型法原理和吸滤成型模具，为后续探讨吸滤影 响因素及吸滤模具的改进设计打下了基础。在后续三章中，将在本章知识的基础上，应 用逆向工程和快速原型技术对纸浆模塑制品结构和模具的设计及制造进行进一步研究