（机械设计及理论专业论文）淀粉基植物纤维混合材料的产品研制.pdf

太原理工大学硕士学位论文 淀粉基植物纤维混合材料的产品研制 摘要 塑料包装产品的广泛应用，给人们带来许多便利。然而，由于废旧塑 料受各种因素的影响，如回收再利用技术不完善、成本高以及人们的环保 意识淡薄等，循环利用率很低，造成日趋严重的“白色污染”，成为当今 社会亟待解决的环境问题。发达国家很早就重视资源的回收利用和节能， 颁布相关法律，废旧塑料垃圾的处理率和利用率较高，基本消除了视觉污 染。近年来，我国开始加强管理，研究废旧塑料的回收处理技术，倡导利 用可降解环保材料。 本课题应某公司的要求为一种玻璃瓶装口服液研制环保材料包装产 品。该产品用作内包装，外包装用纸盒，已大批量制成。 本课题设计了以淀粉为主要原料的可降解混合材料配方，研究其制 备工艺和成型性能，测试其力学性能。根据玻璃瓶和外包装纸盒的结构尺 寸设计了四支装的环保材料内包装衬托，确定用注射热烘成型工艺来成 型。为此，用u g 软件建立衬托的3 d 模型，以s t l 格式导入模流分析软件 m o l d f l o w 中，进行成型工艺参数的分析和优化。依据模流分析结果，应 用u g 中的m o l d w i z a r d 模块进行分型，研制了一套模具。该模具已投入使 用，批量生产环保材料衬托。 本课题从环保角度出发，从原材料入手成功研制了新型包装产品。 现代设计软件的应用大大提高了新产品的研发效率。 奎垦堡三盔堂堡主堂鱼笙奎 一 j 一一 关键词：环保，淀粉，植物纤维，模具， 慵o l d f l o w ，包装 i i 太原理工大学硕士学位论文 二= _ 一一一 m i x e dm a t e r i a lp r o d u c t d e v e l o p m e n t m a d eo fp l a n tf i b e rb a s e do ns t a r c h a b s t r a c t w i d e l yu s e di nd i f f e r e n tf i e l d s ，p l a s t i cp a c k i n gp r o d u c t sh a v eb r i n g e dal o t o fc o n v e n i e n c et oh u m a n s h o w e v e r ，d u et ot h ew a s t ep l a s t i c sa r ea f f e c t e db y v a r i o u sf a c t o r s ，s u c ha sr e c y c l i n ga n dr e u s et e c h n o l o g yi s i m p e r f e c t ，t h eh i g h c o s ta n dw e a ka w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h er e c y c l i n gr a t ei sv e r y l o w ，r e s u l t i n gi ni n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mo f “w h i t ep o l l u t i o n h a sb e c o m e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m st ob es o l v e di n t o d a y ss o c i e t y d e v e l o p e dc o u n t r i e s h a sp l a y e da r e n t i o no nr e s o u r c er e c y c l i n ga n de n e r g yc o n s e r v a t i o nv e r ye a r l y ， e n f o r c e dr e l e v a n t l a w s ，w h i c hr e s u l t i n gi nah i g h e rr a t eo fd i s p o s a la n d u t i l i z a t i o no fw a s t ep l a s t i c sw a s t e ，b a s i c a l l ye l i m i n a t i n gv i s u a lp o l l u t i o n 。i n r e c e n ty e a r s ，o u rg o v e r n m e n th a sb e g u nt os t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n t ，s t u d y i n g t h er e c y c l i n gt e c h n o l o g yo fw a s t ep l a s t i c s ，p r o m o t i n gt h eu s eo f b i o d e g r a d a b l e e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ym a t e r i a l s t h i ss u b je c ti st od e s i g nf r i e n d l ym a t e r i a l sp a c k a g i n gp r o d u c t sf o ra g l a s s b o t t l eo fo r a ls o l u t i o nw h i c hf i tf o rs o m e c o m p a n y sr e q u i r e m e n t s t h ep r o d u c t 1 i su s e da si n n e rp a c k a g i n g ，o u t e rp a c k a g i n ga r eu s e d o fc a r t o n s b i o d e g r a d a b l em i x e dm a t e r i a l f o r m u l m i o n sb a s e do ns t a r c hh a v eb e e n d e s i g n e d i nt h i ss u b j e c t ，s t u d y i n gt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s a n df o r m a b i l i t y ， t e s t i n gt h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r ea n ds i z eo ft h e g l a s sb o t t l ea n do u t e rc a r t o nt od e s i g np a c k a g i n gf o i l ，i nw h i c ht h e r e a r ef o u r b o t t l e s ，t od e t e r m i n em o l d i n gp r o c e s sa r e u s e db yh o tb a k ep r o c e s s s o ，b u i l d i n gt h e3 dm o d e lo ft h ep a c k a g i n gt r a y i nu gs o f t w a r e ，t h e n i m p o r t i tt ot h em o l d f l o wa n a l y s i ss o f t w a r ei ns t lf o r m a t ，a n a l y s i sa n do p t i m i z e p r o c e s sp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h em o l d f l o wa n a l y s i sr e s u l t s ，t op a r tt h e m o d e lb yt h ea p p l i c a t i o nm o l d w i z a r d o fu g ，d e v e l o p i n gas e to fm o l di nt h ee n d t h i sm o l dh a sb e e np u ti n t ou s e ，w h i c hc a nb eu s e d t op r o d u c ei nb a t c h t h i ss u b je c ti sm a i n l yc o m e sf r o mt h ee n v i r o n m e n t a lp o i n tv i e w ，s t a r t i n g 矗o mr a wm a t e r i a l ，an e wt y p eo fp a c k a g i n gp r o d u c t s a r ed e v e l o p e d t h e a p p l i c a t i o no f m o d e r nd e s i g ns o f t w a r eg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fn e w p r o d u c td e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， p a c k a g e s t a r c h ，p l a n tf i b e r ，m o l d ，m o l d f l o w ， 1 1 太原理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 近二十年，塑料包装制品的用量之大，应用领域之广空前提高，这类废旧产品的 回收、利用受到各种因素的影响，如人们的环保意识淡薄、回收技术不完善、回收成 本较高等，循环利用率很低，这些因素综合起来，造成了当今的“白色污染”。 白色污染是指人们利用石油化工资源，对其进行提炼加工，形成不同的化合物。 然后利用各种不同的成型机器，对化学颗粒进行热熔解和注射，待在型腔中冷却一定 时间后，取出成型的塑料制件，当人们使用一段时间后，将其丢弃至室外，久而久之， 就会形成惹人耳目的垃圾，因为其大多成白色，所以形象地称其为“白色污染”。从资 源的消耗方面来说，因为其所用的材料是不可再生的一次性资源，所以要对其进行回 收，不过对废弃的塑料进行回收成本很高，远高于直接生产的成本。所以在现行的市 场经济体制下，很少有单位对其进行回收利用。 我国是世界上十大塑料制品生产和消费国之一，随着经济的发展，人们对塑料包 装的应运越来越多，所以“白色污染”日趋严重。上个世纪9 0 年代中期，我国总的 塑料消费约为1 1 0 0 万吨，2 1 1 万吨是用在了产品包装上。主要体现在农作物土地上 的塑料薄膜、超市和小商品滩地的塑料包装袋、盒饭的泡沫包装衬等。跟据实际调查 结果显示，北京市的生活垃圾有很大一部分是来自塑料包装的废弃物，年废弃物产量 约为1 4 万吨；上海的年塑料废弃物的产量更是巨大，年产生量接近2 0 万吨n 1 。丢弃 后的废弃物回收利用成本高，可实施性差。然而不回收又会产生很大的危害，从环境 方面来讲，白色垃圾充斥眼球，影响人的视觉效果，给人以坏的心情，当燃烧后，产 生的颗粒会影响人的消化系统，当进入水源后，其塑料内部的增塑剂、添加剂会污染 水源，损坏人的身体健康。从对植物的生长发育来讲，当白色塑料被埋在土地里时， 会阻碍植物对水分和营养的吸收，从而使果实产量减产。我国每年用于白色污染的治 太原理工大学硕士学位论文 理经费大约1 8 5 0 万左右。 严重危害自然环境和人们社会活动的环境污染、大量的能源消耗是制约我国实施 可持续发展战略的重大阻碍。“白色污染的减少和消除亟待解决，为此各个国家都 在积极寻求解决这一办法的途径。取代传统不可降解塑料的主要办法是采用全天然可 降解的生物材料。到目前为止，淀粉基塑料的研究最为炙热。淀粉基降解塑料主要有 填充型、光生物双降解型、共混型和全淀粉塑料四大类阳3 。淀粉吸湿性高、制品尺寸 稳定性差、力学性能差以及热塑性差，成型困难，为了克服这些缺陷，用p e 、a b s 等 高聚物和t p s 共混的环保材料b 3 得到开发，但是复合材料的主体依旧是塑料，所产生 的废弃物依旧不能全部降解，因此一种能够以淀粉为主体的混合材料的开发具有很重 要的现实意义。 1 1 2 国内外研究现状 现在发展应运比较广的天然高分子混合材料常采用淀粉( 马铃薯、玉米等) 、植物 纤维( 植物秸秆、树干等) 以一定的比例混合而成。其主要优点体现为：原料来源广、 可再生、价格便宜、产品废弃物能够回收利用，燃烧也不会产生有害气体；同时对不 具有可塑性的淀粉进行变性处理，使之具有可塑性，在添加一定比例的纤维，这样产 品就能够成型塑料能够成型的产品，而且纤维使产品能够承受一定的外力。混合物可 以用来生产不同的制件，膜片、薄片用来做各类包装袋。如今，以淀粉、植物纤维为 原材料的可降解天然材料得以广泛的开发、利用。在包装产品利用方面更加广泛。主 要体现在如下方面h 1 ： 应用在食品包装的衬托、商品包装的薄膜、摊位上的餐具引起人们普遍地关注， 李及珠晦1 等人发现生物降解的塑料材质做成的餐具的缺点，主要是材料的力学性能差、 或者是需要加入很大比例的人工合成塑料才能提高强度。解决的办法可以通过在淀粉 塑料中加入植物纤维，并在成型之前对其进行搅拌，使纤维交织成网状，形成增强型 的淀粉植物纤维混合材料，从而改善餐具后处理的可降解性，提高力学性能，并能够 降低生产成本。 赵华、范瑞生1 等人用淀粉、植物纤维、碳酸钙、聚乙烯醇等材料加工生成可降 解的产品包装材料。首先先改性淀粉使其带有正电荷，然后对纤维进行变性使其带有 负电荷、最后在变性后的淀粉和纤维中加入碳酸钙，其中碳酸钙分离产生的负电荷以 2 太原理工大学硕士学位论文 基团的形式存在，带正电荷的淀粉和带负电的纤维、碳酸钙离子桥接在一起，使之功 能团之间具有一定的能量，能够具有一定的力学性能。 荷兰瓦赫宁根农业大学研制出来不含石化产品的可降解生物塑料，这种材料由小 麦、玉米、马铃薯淀粉制作，并掺入大麻纤维以提高强度。可用作包装涂层、食物储 藏箱、垃圾箱衬里、购物袋以及农用薄膜等。这种材料能完全溶于水，降解后成为水 和二氧化碳。荷兰高校研制出来一种不含合成塑料的可生物降解材料，其主要成分是 由谷类、玉米、马铃薯等提炼出的淀粉和植物纤维混合而成，在合成物中，淀粉是主 要成型物质，纤维起到了骨架作用，提高产品的强度。其废弃物埋在土壤中，遇水后 能够分解，生成二氧化碳和水。在美国实验室中，用小麦秸秆中的纤维素和小麦颗粒 中的淀粉制造成的快餐包装盒取得了很好的效果。相对传统纸质的包装材料在保温效 果上具有很大的优势，保温效果好、时间长。同时，丢弃的包装盒在土壤中能够全部 生物降解，对环境不会产生污染，而且还能转化为肥料，应用前景十分好。 1 2 本课题研究的目的和意义 传统的产品包装衬托大多采用不可降解的塑料制造而成，随着工业化进程的加速， 白色污染也遍布全球各地，给人们生活带来很多副作用。人们逐渐地意识到采用一种新 型的可再生的环保的材料取代塑料的重要性。 填充型淀粉塑料是早期的一种塑料取代物，加工方法是用淀粉或改性的淀粉作为 填充材料与普通热塑型塑料( 如p e ，p v c ，p p ，p s ，a b s 等) 混合，并添加相应的添加 剂，增塑剂等。这种材料在机械性上可通过淀粉塑料配比的改变来满足不同产品的受 力要求，但是因为淀粉添加的比例比较小。所以产品废弃时，大部分还是很难降解。 所以，此种材料逐渐被其它新型环保材料所取代。 应某公的要求，为其玻璃瓶装口服液研制衬托，制作衬托的材料应能降解，易回 收再利用，或不产生永久垃圾。该包装衬托为内包装，玻璃瓶装口服液在衬托上定位 后，一同装入已制好的纸盒中，为此设计开发以淀粉为主体，附加植物纤维等的混合 材料包装产品，是产品废旧后可降解或可循环利用，淀粉和植物纤维都可以通过植物 的光合作用而产生，是一种来源广、可再生、成本低的材料。这样既可以满足用户的 要求，实现环保这一时代理念的召唤，同时也降低了生产成本，降低了对不可再生的 石油的依赖，节约能源。 1 3 本文主要研究的内容 围绕本课题的研究目标，主要研究内容包括： 1 ) 设计淀粉基植物纤维混合材料配方和制备工艺。 2 ) 研究混合材料的成型性能。 3 ) 模具设计与优化。 4 ) 试生产。 5 ) 产品的性能测试。 4 太原理工大学硕士学位论文 第二章淀粉基植物纤维混合材料的研究 针对当前白色污染日益严重的现状，在分析研究相关文献的基础上，设计以淀粉 为主要原料的混合材料配方及各组分占总的质量比：淀粉5 0 、植物纤维( 长纤维) 6 、塑料纤维( 短纤维) 3 、添加剂( 4 ) 、防虫剂( 2 ) 、软化水( 3 5 ) 。 2 1 各组分材料特点及作用 1 、淀粉的特点及作用 淀粉是一种多羟基高分子聚合物，聚合度和植物种类有关。每一个d 一葡萄糖单元 内含有三个羟基，且该结构单元内和邻近单元之间存在苷键，从而使分子内和分子间 的氢键不具备热塑性 3 ，淀粉分子结构见图2 1 ： 图2 - 1 淀粉的分子结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs t a r c hm o l e c u l a r 淀粉可降解，来源广，价格低，易成型，在本配方中，淀粉是作为混合材料的主 要组分，将成型制品的几何结构。拟采用的淀粉未进行常规方法的改性，不具备热塑 性。这就决定了将采用热烘法成型。 2 、植物纤维的特点及作用 淀粉制品的抗拉、抗压、抗冲击等性能很弱，用作包装衬托缺乏安全性，在混合 材料配方中加入植物纤维，以提高强度，而且环保。植物纤维以较长的尺度( 1 5 2 c m 左右) 加入。 太原理工大学硕士学位论文 纤维悬浮于淀粉糊中，在流动过程中，纤维素分子中的羟基和水分子通过氢键结 合在一起。其受力如图2 2 所示。 图2 - 2 流体和纤维问的作用力 f i g 2 - 2t h ef o r c eb e t w e e nf l u i da n df i b e r 同时纤维之间也互相作用，纤维在流体流动中，相互碰撞的机会增多，纤维间产 生了机械连接和机械交织，将形成具有一定结构和强度的网状，如图2 3 所示，能改 善淀粉体系的受力。 图2 - 3 纤维和纤维之间作用力 f i g 2 3t h ef o r c eb e t w e e nf i b e ra n df i b e r 3 、塑料纤维的特点及作用 塑料组分以短纤维( 2 - - 一3 m m ) 的形式加入，易混合均匀，在加热成型过程中塑化， 与植物纤维交织形成一个网状结构。放入塑料纤维，e l 的就是增加网状结构的力学性 能，同时改善成型后的表面质量。 4 、添加剂的作用 在混合材料中加入少量稀土类材料，作为添加剂，其主要作用是起美化产品表观 6 太原理工大学硕士学位论文 的作用。 5 、防虫剂的作用 由于淀粉的纯度不可能1 0 0 ，为防止淀粉中的蛋白质生虫，加入一定量的防虫剂 抑制生虫，保证制品质量。 6 、软化水的作用 水用于调和各种原料，以便成型。考虑到，混合材料制品通过加热成型，为了防 止成型过程中，模具型腔表面积垢( 主要是水垢) ，因此，使用软化水。 2 2 混合材料的调和工艺 将称好的各种原料放入搅拌器中，进行搅拌，设定搅拌器的转速为3 0 0 r m i n ，搅 拌1 5 m i n ，这时混合物的温度达到淀粉糊化温度，水分子进入淀粉粒的非结晶区，氢 键被破坏隋3 。之后，设定转速为4 0 0r m i n ，搅拌5 m i n ，随着搅拌的进行，温度不断 升高，淀粉颗粒内结晶区的氢键被破坏，淀粉不可逆的迅速变成粘度很强的淀粉糊， 同时纤维也被均匀的分散开，这时的流体状混合物很均匀，粘度稳定，各区域内的强 度趋于一致。 2 3 混合材料的成型性能研究 1 成型温度 成型温度就是通过加热使混合物成型直至成为稳定结构的温度。经反复试验，该 混合物的成型温度为2 0 5 0 5 。c 。高于此温度会发生焦糊现象，低于此温度结构则不 稳定。 2 充模压力与制品壁厚 充模压力是指将原料糊注入模具中的压力，它的大小和材料的流动性以及制品的 壁厚有关。经反复试验，充模压力， 3 0 0 p a ，制品壁厚在1 2 3 5 m m 之间，壁厚太小 充模困难，壁厚太大成型周期变大，表面长时问加热还容易焦化。 3 成型周期 成型周期是指从熔料进入型腔时刻开始到取出制件的整个时间段，由填充时间、 保压时间、加热烘干时间、取出时间组成，其中加热烘干时问占较大比例，经反复试 验，混合材料的成型周期约为8 0 s e c 。 7 太原理工大学硕士学位论文 4 收缩率 这个指标与材料的吸湿性能和环境湿度有关。刚出模的产品相对于模具一定是收 缩了，但在使用环境中产品会吸湿膨胀。本配方在成型1 2 小时后，尺寸才趋于稳定。 这时，检测并计算收缩率。在太原地区，此配方的成型收缩率为1 0 ，即不胀不缩。 2 4 淀粉基植物纤维混合材料制品的力学性能 为了设计合理的混合材料制品的结构，需要把握材料的力学性能，为此，首先制 作了样条，进行力学实验。 1 试件 按照国家试件标准g b t 2 2 8 - 2 0 0 2 的规定，做图2 4 所示的试件。 图2 4 试件 f i g 2 4s p e c i m e n 2 测试仪器 本实验中仪器采用的是i n s t r o nc o r p o r a t i o n 公司生产的5 5 4 4 型号拉伸试验机， 该机器主要由两部分组成，应变片式载荷传感器的电子万能试验机和数字信号处理器 全数字化控制动态响应自动调节材料试验机。 3 实验过程 将做好的试件进行逐一编号，在室温条件下，分别进行拉伸操作。通过传感器可 以测出试件不同时间，不同载荷下的位移，并通过信号处理器以图像的形式显示在 w i n d o w 操作界面上，把存储好的试件数据用e x c e l 表格打开，并绘制试件的载荷一位 移曲线，如图2 5 所示。 太原理工大学硕士学位论文 图2 5 试件的拉伸位移一载荷图 f i g 2 5t h es p e c i m e nd i a g r a mo fd i s p l a c e m e n t l o a d 4 数据处理 实验要得到材料的抗拉强度和弹性模量， 强度和弹性模量计算公式，如下所示： f o - b 2 = a e ：! ：土( m p a ) a s 对多次得到的数据取平均值，根据抗拉 ( 1 ) ( 2 ) 式中：e 为材料的弹性模量，o - 为试件截面上的拉应力，s 为试件的变形量，o - 。为 抗拉强度，f 为试件所受的最大载荷。 利用公式和实验测得数据得到： 抗拉强度的为： 仃6 = 2 0 2 3 5 m p a 弹性模量为： e = 2 6 0 3 5 m p a 2 5 小结 本章主要研究了材料的配置组分构成及各组分所占总质量的比例，并分析了各个 组分的特点，制定了混合材料的调和工艺，测得了混合材料的成型性能，最后，通过 拉伸试验，测得了材料的相关力学参数。 9 伯趵一，、如如0如 太原理工大学硕士学位论文 第三章包装衬托的设计 3 1 包装衬托的结构设计 本课题为某玻璃装口服液研制环保内包装衬托，玻璃瓶的结构如图3 1 所示。外 包装纸盒的外形为长方体，内部容积为2 1 6 1 4 0 5 8 ( m m 3 ) 。据此设计了一种四支装 的衬托，详细结构见图3 1 。 图3 - 1 玻璃瓶外形尺寸 f i g 3 1d i m e n s i o no fg l a s sb o t t l e 用半圆柱面衬托玻璃瓶，每两支玻璃瓶经过同一个矩形锥坑置于半圆柱面上。为 了能使瓶子在衬托上较牢固地固定，设计了凸出的卡紧结构，见g g 剖视图，下方设 计成了通透的孔，将使模具结构简化，不必有侧向分型与抽芯机构，这里的卡紧作用 是利用了材料的弹性。瓶底由高度为4 m m 的半圆柱面定位，同样为了简化模具结构， 下方设计了通孔，为了能使凹模和凸模在此处能紧密接触、无缝隙，此处设计成2 。 的斜面，见d d 剖视图。为了方便取出玻璃瓶，在衬托中部沿长度方向设计了通槽， 即f f 剖面位置，能容手指伸入操作。为了使衬托在纸盒中不晃动，而且不浪费用 1 0 太原理工大学硕士学位论文 料，在衬托底部设计了四个圆锥形凸起，见俯视图。为了方便成型时衬托顺利脱模， 在衬托的内外侧面设计有脱模斜度，与瓶顶接触的部位为1 。，见a a 、b b 剖视图， 锥坑及衬托四周均为8 。除上述通孔部位和通槽两端，其余内外表面转折处均倒圆 r l ，既美观，又有利于物料充模流动阳3 。衬托壁厚均匀，厚度为2 2 m m 。其结构图为图 3 2 所示。 太原理工大学硕士学位论文 匿a 黑 斗目 r 廿 1 8 0 t m n j ，jn l 1 j o 、 l 一f ，、。l 。i f 工 【_ - ) i l 虹 l 3l 1 2 卜 太原理工大学硕士学位论文 俯视图 ；一、 k 只o r d 叫 b c二= 轴 气旷bj ( 、u 刚一 心：么“映， 址心jj 心 vvv 、 ，vvv _ m 埝旨少 多少 闹刽 g g 1 3 太原理工大学硕士学位论文 一 i i 一| l 图3 2 包装衬托详细结构 f i g 3 2d e t a i l e ds t r u c t u r eo fp a c k a g i n gf o i l 1 4 太原理工大学硕士学位论文 3 2 建立衬托的3 d 模型 现代模具设计是以产品的三维实体模型为基础进行的。因此，必须建立衬托的3 0 模型，为模具设计做准备。根据衬托的结构特点，应用u g 软件自底向上的建模方法建 立衬托的3 d 模型。建模的关键步骤如下： 1 单瓶衬托的建模 首先建立如图3 3 所示的单瓶衬托的基本模型。定位瓶颈处的衬托结构是将模型 的外圆柱面作为“移除面”，“抽壳”得到的。然后建立瓶底的定位结构。 图3 - 3 单个壳体模型 f i g 3 - 3t h es i n g l es h e l lm o d e l 2 四支装基本模型的建立 对单个瓶衬托的模型进行两次“镜像”操作得到四支装衬托的基本模型，如图3 - 4 所示。 图3 - 4 四支装衬托模型 f i g 3 - 4a v e r s i o nw i t hf o u rm o d e l s 奎堕里三奎堂堡主兰鱼笙窭 一一一 3 包装衬托拉手的建模 为了方便把包装衬托从包装纸盒中拉出来，在衬托四周设计了拉手，基模型如图 3 - 5 所示。 图3 - 5 包装衬托拉手的建立 f i g 3 5t h ee s t a b l i s h m e n to f t h eh a n d l eo f t h e f o i lp a c k i n g 4 卡紧结构及通孔的建模 通过。拉伸，操作，建立玻璃瓶的卡紧结构及其下方的通孔的模型，以及衬托中 部的通槽模型，如图3 - 6 所示。在卡紧结构下方增加加强筋，如图3 7 所示。 图3 - 6 包装衬托卡子的建立 f i g 3 6t h ee s t a b l i s h m e n to f t h ec l i po f t h ef o i lp a c k i n g 1 6 太原理工大学硕士学位论文 图3 7 底部加强筋 f i g 3 7b o t t o md a b b e r 5 衬托棱边的倒圆角 当模型主体建立之后，对内外转折处的棱边进行倒圆。倒圆操作看似简单，但处 理不好会影响模具的加工成本和加工效率，倒圆操作有其技巧1 2 儿1 3 1 ，归纳如下： i+ 攀直边与直边相交的倒圆 产品实体上只需对两条相交直边倒圆时，不必运用先后顺序等技巧，直接执行“边 倒圆”功能即可。当产品有三条相交的直边都需要倒圆时，就需要视情况考虑倒圆的 顺序。 当三条边全部属于外表面或内表面时，倒圆顺序与倒圆效果无关。当一条边属于 内表面，其余边为内外表面的交线时，倒圆顺序则将影响交点处的倒圆效果。若先对 仅属于内表面的那条边进行倒圆，再对其余两边倒圆时，这两边已成为连续的曲线， 其结果，见图3 8 。若先对属于外表面的两边倒圆，后倒圆内表面的那条边时，其结 果，见图3 9 。由此可知，先后不同的倒圆结果会影响到模具的加工。成型图3 8 的 模具，其加工编程较为简单。 1 7 图3 - 8 先内后外 图3 - 9 先内后外 f i g 3 8i n s i d ef i r s tt h e no u t s i d e f i g 3 9o u t s i d ef i r s tt h e ni n s i d e 当三条边中的某两条边交角很大，对其中一条边倒圆的时候会影响到另一条边时， 见图3 1 0 。这时，要选择交点作为停止位置，见图3 1 1 。当倒圆半径较小时，这种情 况很容易被忽视，尤其需要注意。 图3 1 0 倒圆延续到另一边 图3 1 1 倒圆在边的端点停止 f i g 3 8r o u n d i n ge x t e n d e dt ot h eo t h e rs i d e f i g 3 9r o u n d i n ga tt h ee d g ee n d p o i n tt os t o p ( 2 ) 直边与曲边相交时的倒圆 当直边与曲边相交时，倒圆要先直后曲和先凸后凹兼顾，以保证操作成功和模具 加工便利；图3 - 1 2 是一个比较复杂部位的倒圆实例。 太原理工大学硕士学位论文 图3 1 2 先直后曲和先凸后凹兼顾 f i g 3 12s t r a i g h tf i r s tt h e nt w i s ta n dg i v i n gc o n s i d e r a t i o nt ob o t hc o n c a v ec o n v e x ( 3 ) 同型同倒与先支后干 无论直边还是曲边，同类型的边最好同时倒圆；这样既不会有遗漏，还可以便于 其余边倒圆。例如对于一个棱锥体，应先倒侧棱，然后倒上下底的边，这时的上下底 边已成为两个连续的环路，操作效率较高。 经过按上述的规律对模型执行倒圆操作，结果见图3 1 3 。 3 3 小结 图3 - 1 3 倒圆后的模型 f i g 3 1 3m o d e lo f t h ep a c k a g i n gt r a ya f t e rr a d i u s 本章主要根据所给的医药口服液瓶的大小和外形，给其设计一个合理的内包装衬 1 9 太原理工大学硕士学位论文 托，先在c a d 中绘制出完整的图，然后按照设计的二维图纸，在u g 中建立出三维实体 模型，并结合自己在建模过程中遇到的倒圆角问题，进行了分析，并可作为同类问题 的一个参考。 2 0 太原理工大学硕士学位论文 第四章包装衬托成型过程的模流分析 4 1 包装衬托成型过程的工艺设计 注塑机工作面板上的开关打开时，注射机动、定模板先开始闭合，包装衬托在注 塑机上成型，主要使用合模系统。然后，模具系统的加热棒开始给加热，当温度加热 到预设的2 0 5 。0 5 。时，温度感应器把测试到的温度传给控制系统，加热棒此时停 止加热。这时，注射系统开始工作，混合好的流体在注射枪的压力驱动下进入型腔， 当整个型腔充满( 可通过m o l d f l o w 预测时间) 后，进入保压阶段，料被不断被压实， 使制件不会出现缩孔、缺料现象，然后进入型腔的材料中的水分不断蒸发，直到被烘 干。到达设定时间后，模具被打开，制件在脱模系统作用下，被项出，完成一个周期。 每一周期主要包括以下步骤：准备、开机动、定模板合并锁模加热模具 系统注射混合物保压成型取件完成一个周期，之后进行下一个 成型周期。 4 2m o l d f l o w 简介 m o l d f l o w 软件是美国m o l d f l o w 公司的产品，该公司自1 9 7 6 年发行了世界上 第一套塑料注塑成型流动分析软件，一直主导塑料成型c a e 软件市场。2 0 0 9 年， a u t o d e s k 公司收购了该公司，并根据市场发展需要推出了m o l d f l o w 2 0 1 0 n 5 儿埔3 。目 前，m o l d f l o w 已应用于航空航天，电子信息，日用家电等众多领域。 m o l d f l o w 2 0 1 0 软件工具中溶合了一整套设计原理，可以评价和优化整个过程，可 以在模具制造以前对塑料产品的设计、生产和质量进行优化。 在产品的设计及制造环节，提供了两大模拟分析软件：a m a ( m o l d f l o w 塑件顾 问) 和a m i 。 a m a 简便易用，能快速响应设计者的分析变更，因此，主要针对注塑产品设计 太原理工大学硕士学位论文 工程师，项目工程师和模具设计工程师，用于产品开发早期快速验证产品的制造可行 性，a m a 主要关注外观质量( 熔接线、气穴等) 、材料选择、结构优化( 壁厚等) 、 浇口位置和流道优化等问题。 a m i 用于注塑成型的深入分析和优化，是全球应运最广泛的模流分析软件。许多 企业通过a m i 这一有效地优化设计制造的工具，可将优化设计贯穿于设计制造的全过 程，彻底改变传统的依靠经验的“试错”的设计模式，使产品的设计和制造尽在掌握 之中。m o l d f l o w 2 0 1 0 即为a m i 系列软件中功能最全、版本最新的软件。 m o l d f l o w 的主要模块： 1 浇口位置分析 该模块会自动分析出模型的最佳浇口位置，以简化模具结构，较少熔接痕，增加 熔接强度，便于排气等方面综合考虑，可对分析结果进行优化，并重新分析充模过程。 2 流动模拟模块 当在软件选择分析序列时，选择“充填+ 保压”时可以帮助设计人员确定较优的浇 口位置，流道所经位置和最优的保压阶段设置来提供一个健全的成型窗口。能够预测 保压压力和锁模力和熔料随着管道流动时的阻力变化，从而帮助我们优化浇口位置和 型腔布局、材料的选择、充填和保压的工艺参数。 3 冷却分析 该模块可用于在模具中建立冷却回路，镶件，网格模型和模板，以分析冷却系统 的合理性和制冷效率。 4 流道平衡分析 该模块可帮助判断流道设计是否合理，并给出平衡方案。尤其在多腔模中或组合 式型腔来说，物料在浇注系统中的流动平衡性显得十分必要。保持一个合理的型腔压 力和优化流道的容积，以节省填充材料。 m o l d f l o w 是在c a d c a e c a m 不断发展的基础上发展和成熟起来的，同样它也 离不开计算机显像学和有限元法、差分法、结构优化、模态分析等理论知识。可以说 它是其它学科发展到一定程度而发展起来的一项新型技术。 在注塑过程中，物料在型腔中的流动、成型情况同制件材料的属性、产品的复杂 程度、产品的厚度、注塑的压力、模具温度、物料温度、注塑时间、保压压力、保压 时间等一系列因素有关。可以借助m o l d f l o w 技术分析各项工艺参数，可以提高模具设 太原理工大学硕士学位论文 计的否合理性，减少试模修模的次数。降低了生产成本，缩短模具的开发周期。随着 c a d c a e c a m 的发展，m o l d f l o w 应用于模具制造行业取代传统的设计理念是大趋所 势。 4 3 包装衬托的m o l d f l o w 分析 研究物料在流道和型腔内的流动情况是分析注塑成型的主要任务，注塑充填过程 一一_ 中，一硫体是瞬悉一、菲罕顿萜硅雨琵丽丽两丽直接影丽翻砰的质量。只有在型腔内 有合理的流动速度、压力、温度，才能生产出高品质的制件。该软件集合了流体力学、 数值分析学、计算机显像学等多学科知识，对模具的设计和成型工艺参数的确定具有 很大的参考意义。 4 3 1 分析前处理 应用m o l d f l o w 对包装衬托进行模流分析的第一步就是把u g 中建好的三维模型导 入到m o l d f l o w 中，因为不同的三维软件的输出格式各不相同，所以m o l d f l o w 采用了 “准标准 的快速成型数据文件格式之一的s t l 格式，其原理就是把软件中建好的模 型用很小的三角形网格将其划分，用三角形的表面来描述实体，其精确度由用户来定 义。在u g 中把建好的包装衬托的模型导出为s t l 格式，提示的三角形公差和邻接公 差均选为0 0 5 m m u 引。 打开m o l d f l o w 软件，在文件菜单下进入导入工具栏，打开从u g 中导出的模型。 网格模型选择为双层面( 适用于形状复杂之薄壁壳类零件。它基于m o l d f l o w 的独家专 利的双层面分析技术，直接从c a d 软件中提取实体表面产生网格。双层面网格大大 降低前期网格处理时间，能快速对产品进行流动、冷却、翘曲等分析。它以最快的网 格处理及最佳的网格质量和准确的分析结果成为应用广泛的薄壁件分析的网格形式 n 印) ，接着建立工程文件。首先进行网格划分，这是所有有限元分析的第一步，划分结 果如图4 - 1 所示。 太原理工大学硕士学位论文 图4 - 1 包装衬托网格模型 f i g 4 - lp a c k i n gf o i lg r i dm o d e l 网格划分的质量会影响到计算的准确性，所以网格的划分要符合规定的要求引。因为 制件主要考虑是否会出现短射、飞边等，不需要进行冷却分析，所以网格的纵横比只 要控制在1 5 以内即可以，但是因为选用的是双层面网格，流体的前沿流动是通过这 些网格算出来的，所以匹配百分率必须在8 5 以上，否则就会出现流动时上表面滞后 于下表面或下表面滞后于上表面，这和实际不相符合。网格统计如图4 2 所示。 边细蓄苫迈一一一一一 共用边 交叉边 11656 5 8 0 6 0 1 1 王4 8 3 5cm3 1 3 5 7 山8c m 2 三三角季粪蠢囊匿_iiji|i_i-i_i一ii_一一一一一；1；ill6；5；0；0；0：一一一 匹酉己百分比一一一一一一一一一一一 匹配百分比8 5 吼 相互百分比 8 5 7 图4 2 包装衬托网格统计 f i g 4 2p a c k i n gf o i lg r i ds t a t i s t i c 网格的修复处理： ( 1 ) 首先在网格修复向导里进行自动修复，修复完网格统计结果如图4 3 所示。 2 4 一 ： _ 城f 5 豁一 形 区体面数鲁棘骠佾格计昙程连网网 体实 二兀 _ 一单 一 - 的 元 一确 _ 单 一正=癸禚一 不 单里柱一下向茔鍪制细配细相一兀复 向 交 配 相 太原理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在纵横比诊断中，把参数的最小值设定为1 5 ，在图形区域内就会出现纵横 比大于1 5 的面( 以面的垂线显示，不同值不同的颜色，从绿色、黄色、红色比值逐渐 变大) ，然后利用诊断导航器对其进行处理，处理后的网格统计结果如图4 4 所示。 图4 3 自动修复后的包装衬托网格统计 f i g 4 - 3p a c k i n gf o i lg r i ds t a t i s t i cu s i n ga u t o m a t i cr e p a i r 图4 4 手动修复后的包装衬托网格统计 f i g 4 4p a c k i n gf o i lg d ds t a t i s t i cu s i n gm a n u a lr e p a i r 2 5 太原理工大学硕士学位论文 4 3 2 浇口位置分析 m o l d f l o w 分析同注塑过程一样，都是从浇口处开始，然后才进行充填、保压、冷 却过程。所以在进行其它过程分析前先对浇口位置进行分析。其结果如图4 - 5 。 赢动阻力指示器 = 1 0 0 口 图4 - 5 浇口位置 f i g 4 5g a t el o c a t i o n 如上图所示，蓝色表示设置浇口的最好位置，红色表示最差位置。在检查结果工 具下同时对边角多个点进行检测，流动阻力基本相同。所以，在模型中心处设置浇口， 流动后就会接近平衡填充，不会出现翘曲、过保压等现象。 4 3 3 材料选择 m o l d f l o w 的材料数据库已有8 0 0 0 余种数据，有些数据是材料供应商测试的，有 些是由m o l d f l o w 实验室测试的，还有些是由两者联合测试的。当材料库里没有所要的 材料，一般可通过以下途径来解决乜叭： 1 材料供应商提供原始数据。如果材料供应商没有需要牌号的m o l d f l o w 分析材料 档，可要求其按照m o l d f l o w 材料数据标准格式提供原始数据，将原始数据提交给 m o l d f l o w 中国的办事机构进行d a t af i t t i n g 为您生成m o l d f l o w 分析格式档。 2 联系m o l d