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大型注塑模具設(shè)計(jì)仿真工具：2400升固體廢棄物集裝箱
摘要
大型容器產(chǎn)品通常使用諸如滾塑的程序，這些技術(shù)沒(méi)有零件重量或尺寸限制。TIIP，薩拉戈薩大學(xué)注塑成型的機(jī)械工程，在歐洲標(biāo)準(zhǔn)下研發(fā)的CONTENURTM固體廢物的新容器高達(dá)2000升 ，其結(jié)果是一個(gè)新的主體達(dá)60公斤重。設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合了數(shù)項(xiàng)CAE工具（美學(xué)設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)及流變模擬），并在去年6月，顯示了最終結(jié)果，通過(guò)了不同的測(cè)試。如今，在市場(chǎng)上有超過(guò)5000個(gè)成品在模具生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有做過(guò)基本的修改（超過(guò)100噸的重量）。本文重點(diǎn)論述集成工具和流程的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品定義（即注射壓力，沖擊厚度和形狀的一部分力量）的方法。在這個(gè)過(guò)程中，特別是模具控制一些參數(shù)（注射速度，溫度，粘度，澆口位置...）的細(xì)節(jié)。
關(guān)鍵詞：CAE設(shè)計(jì)；容器；注塑成型
1.引言
過(guò)去的幾年，CAE工具在注射熱塑性彈性體成型行業(yè)，構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)的革命。一個(gè)開(kāi)始直到最終的解決方案（包括幾個(gè)過(guò)程如開(kāi)發(fā)、測(cè)試的原型,修改數(shù)據(jù),新的測(cè)試,……）的過(guò)程已經(jīng)被一個(gè)更快的設(shè)計(jì)、翻譯過(guò)程和最終的客戶(hù)在同一個(gè)電腦文件下一起工作（“并行工程”）的過(guò)程取代。因此,對(duì)模具制造和完成時(shí)間減少極大,同時(shí),引入了一些關(guān)于使用CAE的建議。
薩拉戈薩工業(yè)大學(xué)注射塑料(T.I.I.P)車(chē)間,C.S.I.C相關(guān)單位,在注射熱塑性彈性體成型中，使用CAE工具已經(jīng)超過(guò)了15個(gè)年頭，同時(shí)在不同行業(yè)（機(jī)動(dòng)車(chē)、家電、包裝、玩具等）的上百個(gè)項(xiàng)目中積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。T.I.I.P.的工作也包含著和歐洲不同的公司一起調(diào)研的項(xiàng)目（聚合物流變性、半自動(dòng)磨具設(shè)計(jì)等）。
同時(shí)，這個(gè)組織一直意識(shí)到安排仿真技術(shù)制造的重要性，這種形式已經(jīng)合作并且由塑料工業(yè)基金會(huì)注射成型部研究會(huì)體質(zhì)指導(dǎo)。這個(gè)組織給注射成型企業(yè)提供了各項(xiàng)服務(wù)，并且從中沒(méi)有任何盈利（如圖1）。許多國(guó)家的工業(yè)組織通過(guò)不同的程序和研究方向?qū)@個(gè)中心進(jìn)行了支持（新的工藝比如氣輔技術(shù)或噴流注射成型；新的設(shè)計(jì)比如使用壓力和溫度的設(shè)備的過(guò)程測(cè)量技術(shù)）。
圖1 T.I.I.P注塑成型區(qū)域概貌
2.容器工程
1999年，第一個(gè)參與城市固體剩余物收集容器制造的西班牙公司（Contenur SPAIN，SL）去T.IIP-aiTIIP集團(tuán)共同進(jìn)行大尺寸的注塑件的設(shè)計(jì)工作，隨后測(cè)試了這些方案在這一領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)際可能性。
該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是快速制造大容量（2400 L和更多）的容器，與市場(chǎng)產(chǎn)品中加入了昂貴的加固結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)成型的焊接金屬板或塑料制品產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。顯然，構(gòu)成容器的所有部件中，主要的困難是單一模腔部分的制造。
這個(gè)文獻(xiàn)提供了幾個(gè)零件和模具設(shè)計(jì)的例子和失敗的建議[2,3]，但是不太可能找到40kg重的大的塑料部件，而且，這個(gè)模具尺寸上的一個(gè)錯(cuò)誤沒(méi)有簡(jiǎn)單的解決方案（運(yùn)輸?shù)侥＞吖ぞ咧圃焐痰闹圃旃S(chǎng)將會(huì)太昂貴，試驗(yàn)和誤差的方法也是不提供）。
對(duì)于這個(gè)部件的設(shè)計(jì)，必須考慮到以下幾個(gè)方面：
?與歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12574[4]要求的基本尺寸一致；
?卸載電阻（排出側(cè)）如（圖2）；
?在功能條件和位置區(qū)具有高的耐沖擊性；
?表面容易清洗；
?美學(xué)設(shè)計(jì)；
?最低的成本（不僅是加工和裝配，還包括維護(hù)）；
?安裝的沖壓機(jī)施加的鎖模力限制（大型機(jī)器鎖模力的限制范圍在5000噸和10000噸之間）；
?準(zhǔn)備標(biāo)記，也就是說(shuō)，有自由的和平坦的空間;；
?材料的限制：采用其他CONTENUR設(shè)計(jì)的相同材料。
圖 2. 裝卸作業(yè)的邊界條件，材料非線(xiàn)性模型，有限元模型。
特別注意的兩個(gè)限制：范圍內(nèi)的最低成本和最大鎖模力。對(duì)于最低成本，厚度是關(guān)鍵（原料的成本），在制造時(shí)確定；因此，派生機(jī)器的成本大約為厚度[5]的平方。
另一方面，為了降低其合模力，部件的投影面積和分布的壓力與一部分厚度也有很大的關(guān)系（狹窄區(qū)域產(chǎn)生較高的注射壓力，可能也會(huì)產(chǎn)生大合模力）。
由Castany等研發(fā)的方法，不僅用于注射成型，也適用于其它類(lèi)似的技術(shù)[6-8]，如下：
（a） 測(cè)定產(chǎn)品的可行性：鎖模力和厚度在歐洲標(biāo)準(zhǔn)允許的基本幾何條件下調(diào)整尺寸。在這一步只是一般的線(xiàn)條設(shè)計(jì)，而不做功能細(xì)節(jié)。一些基本的結(jié)果如下表1所示。這些分析通過(guò)遺傳物質(zhì)的基本參數(shù)，高密度聚乙烯（表2）得到。對(duì)于高級(jí)步驟，通過(guò)幾個(gè)溫度條件計(jì)算。
（b） 選擇材料，結(jié)合熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI）和機(jī)械性能，在注入點(diǎn)的位置進(jìn)行模擬，甚至不知道組件最終的幾何形狀，但得出幾個(gè)注入點(diǎn)的最好的位置是在容器主體的底部區(qū)域。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)與模具結(jié)構(gòu)和零件的形狀有關(guān)。
（c） 分析主體的形式和零部件的厚度，比較結(jié)構(gòu)上的選擇方案：側(cè)壁形狀，包括氣體輔助技術(shù)注入管的側(cè)壁形狀增加的慣性等也被列入考慮。
（d） 顯然，模具的尺寸和凹陷的存在使得部件和模塊設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一個(gè)其他問(wèn)題。這種方式中，容器上部邊框的半圓形狀是一個(gè)很困難的設(shè)計(jì)問(wèn)題，它由使用性能確定，但是在合模區(qū)域存在滑移。
（e） 將合適的零件體積和可行的不同形式與厚度和機(jī)械阻力的形式制造相結(jié)合。在這一步驟，有限元分析、3D設(shè)計(jì)和注料仿真技術(shù)同時(shí)進(jìn)行（圖3、4）。最終的零件尺寸如表3。?
表1
簡(jiǎn)單塑料模型，第一次仿真分析結(jié)果
主體厚度(mm)/質(zhì)量(kg) 最大注射壓力 (MPa) 鎖模力(kN)
6/52 96 166,000
7/60 71 122,000
8/68 55 94,000
9/76 44 74,000
10/84 35 59,000
表2
基本模擬計(jì)算參數(shù)
熔體溫度（℃） 240
在恒定速度下的注射時(shí)間
秒 20
百分率 50
模具溫度（℃） 40
表3
2400 L主體的基本尺寸（毫米）
高度 1600
寬度 1480
長(zhǎng)度 1600
圖3. 3D數(shù)模（Pro-E繪制）
圖4. C-mold軟件：噴出的塑料溫度和冷卻線(xiàn)管路
用這些基本尺寸核算這四步，設(shè)計(jì)組對(duì)于最終的幾何圖樣有一個(gè)初始目標(biāo)，這些細(xì)節(jié)包含輸出角度，收音機(jī)，設(shè)置的輔助配件的位置（軟木、滑軌等）。生產(chǎn)流動(dòng)分析為關(guān)鍵性的方式，與美國(guó)，日本和墨西哥實(shí)業(yè)公司模具廠(chǎng)的模具工人一起將模具的各部分固定在最佳的位置。
這個(gè)過(guò)程的主要方面和仿真技術(shù)（為了保證注射工人的操作其他的細(xì)節(jié)不能存在）是：
1. 2.5D幾何圖形式樣模型。
2. 模腔注澆口位置。使用速度軌道去更好的控制料的流動(dòng)性。根據(jù)軌道的流動(dòng)澆注的設(shè)計(jì)原則使?jié)沧⑴c填滿(mǎn)模腔同步結(jié)束（避免保壓效應(yīng)），尤其要考慮到半圓形區(qū)域的邊界形狀。
3.最佳條件：溫度的選擇、涉及的厚度、設(shè)計(jì)的耐久強(qiáng)度評(píng)價(jià)條件。溫度在210℃到250℃的評(píng)價(jià)。
4. 必須要依靠正確的速度程序調(diào)節(jié)填料形式。在恒定速度的條件下，假想不允許的壓力值的增長(zhǎng)，強(qiáng)化機(jī)器的極限。集裝箱磨具的最終布置，建議使用幾個(gè)沖壓速度。
這個(gè)步驟用目前已經(jīng)存在的小型集裝箱（如圖5），進(jìn)行了現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖5 用于工業(yè)生產(chǎn)條件為2400L試驗(yàn)驗(yàn)證真正的集裝箱模型
用CAE技術(shù)計(jì)算側(cè)面標(biāo)準(zhǔn)的沖壓速度如圖6所示。但是這個(gè)“函數(shù)”如果沒(méi)有實(shí)用性的編程就不能編入到注射成型機(jī)內(nèi)部，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)不能精確的隨著所有梯度上升。無(wú)論如何，這個(gè)優(yōu)化程序后，能夠得到大約15%的鎖模力。
圖6 計(jì)算機(jī)顯示的側(cè)面理論沖擊速度
5. 加注條件準(zhǔn)備好以后，模具制造者從一個(gè)初步設(shè)想到設(shè)計(jì)的裝備，已經(jīng)用一個(gè)新的數(shù)值模型和最終的熱流道系統(tǒng)模具所驗(yàn)證。對(duì)于減少填充壓力，這個(gè)連續(xù)的工藝是有可能性的，但是實(shí)際的工藝安排，維護(hù)，一定的停工降低了其用途。
6. 最后，模具冷卻分析、包裝和彎曲矯正過(guò)程走向成熟。在這種方式下，Kyowe工業(yè)公司根據(jù)材料的傳熱性采用不同的建筑材料，調(diào)整冷卻管路。成品模具的重量超過(guò)了150，000kg（相當(dāng)于150公噸）。
事實(shí)上，在注射成型中，超過(guò)6000個(gè)部件在制造中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。報(bào)廢、使用性能、加工比率是和目前1000L的集裝箱（每小時(shí)20-25個(gè)零件）相似的。其他組件同時(shí)設(shè)計(jì)，實(shí)際上，得到的最后的結(jié)果非常復(fù)雜，比如：集裝箱的系統(tǒng)，明顯的小于它的主體。
本文作者，定論：CAE輔助工具在設(shè)計(jì)中是最基本的工具，同相關(guān)知識(shí)和使用相似的模具進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相比。
鳴謝
本文作者，對(duì)于T.I.I.P-a.i.T.I.I.P組織和CONTENUR 技術(shù)人員的支持、設(shè)備和最終的目標(biāo)致以衷心的感謝。特別感謝D.Castany，感謝他們的專(zhuān)門(mén)技能在塑料注射成型工藝、設(shè)計(jì)、在很多培訓(xùn)班里面進(jìn)行的講解和世界研討會(huì)。