基于Moldex 3D的瓶蓋高速擠出壓縮成型分析及優化

0 引言

塑料瓶蓋是瓶蓋中最為常見的一種，被廣泛應用于食品、飲料、化工及制藥行業

。相比于木蓋、鋁蓋和橡膠蓋等瓶蓋，塑料瓶蓋輕薄簡便、密閉性好、加工制造簡單

，具有外形多變、立體感強、質量輕和易于開啟等優點，廣泛用于包裝行業

。采用傳統的瓶蓋注射成型方式時，為提高產量，模具采用一模多腔布局，在一個生產周期中，模具開合一次可以得到多個瓶蓋制品

。注射成型瓶蓋方式靈活，普通瓶蓋、組合型瓶蓋和旋轉扭斷瓶蓋等形狀和功能各異的塑料瓶蓋都可以采用注射成型

。但因為瓶蓋模具型腔數目較多，一般為16～96腔，因此瓶蓋模具的流道系統和冷卻系統都較復雜

，為了節省物料多采用熱流道系統，因此瓶蓋注射模的造價會超過注塑機的價格，限制了模具的設計及瓶蓋的生產效率

。

近幾年興起的高速擠出壓縮成型以綠色、高效且節能等優點，成為了替代傳統注射成型的最佳選擇

。瓶蓋擠出壓縮成型方法是利用擠出機將加熱到半熔融塑化狀態的物料定量擠出到壓縮模型腔內，經過壓縮模上下模合模、冷卻定型、脫模完成瓶蓋生產

。擠出壓縮成型瓶蓋顛覆了傳統注射成型方式，模具結構簡單，無澆注系統，不會產生澆注廢料，也不會在表面產生澆口痕跡，外形美觀

；每一個模組都是獨立的，模具零件的更換和維修方便，不會出現注射模中因一個型腔的損壞而造成整副模具報廢的情況；擠出速度快，成型過程中熔料的受力較為均勻，制品內應力降低，制品的性能、表面粗糙度和尺寸穩定性有所提高；先加熱后壓縮，可以降低瓶蓋的成型溫度和壓力，降低能耗

。

在數值模擬研究廣泛應用于注塑行業的今天，少有報道完成對擠出壓縮瓶蓋的建模、參數設置和分析

，也少有研究將數值模擬和試驗方法相結合，對擠出壓縮瓶蓋成型過程中出現的工藝問題進行系統的總結、分析和報道

。如通過擠出機擠出的熔料會因為控制單元及工藝參數的影響，產生質量的波動；由于壓縮過程壓力高、沖擊強、速度快，熔料不一定出現在壓縮模的中心，有時產生溢料等缺陷；國產的壓縮成型制蓋設備在生產效率、精度和穩定性方面與世界先進水平還存在差距

。目前國內的注射成型瓶蓋的生產效率約為4 萬個/h，擠出壓縮成型瓶蓋生產效率可達6.5～7萬個/h，國外擠出壓縮成型瓶蓋生產效率達到了9.6～10萬個/h。因此，保證制品質量與穩定性的同時提高生產效率是縮小國內外差距的關鍵。

瓶蓋高速擠出壓縮成型是一種將擠出成型與壓縮成型相結合的新興聚合物加工方式，以加工效率高的優點逐漸取代了傳統的注射成型。利用Moldex 3D軟件的壓縮成型模塊，通過模擬和試驗相結合的方式，對瓶蓋的高速擠出壓縮成型過程進行了模擬仿真分析，針對不同的生產情況及成型工藝參數進行了模擬和優化，總結瓶蓋高速擠出壓縮充模流動的規律，分析了實際生產中出現各種問題的原因，并得出了體積收縮率、翹曲變形等影響制品質量的因素，將優化后的成型工藝參數應用于實際的生產中，探索了優化方案的可行性，提高了生產效率和制品質量。在此基礎上總結了瓶蓋高速擠出壓縮充模流動的規律，為實際生產提供了合理的解決方案，有利于瓶蓋高速擠出壓縮成型行業的發展。

1 制品分析

1.1 材料屬性

瓶蓋如圖1 所示，選用HDPE TOTAL Lumicene M5220M 材料成型，該材料熔體密度為0.952 g/cm

，熔點為113.85 ℃，熔融流動指數MFI（190.2）=2 g/10 min，適宜模具溫度范圍為25～50 ℃；熔體溫度范圍為190～250 ℃，推薦推出溫度為70 ℃，最大剪切速率為100 000 s

。其黏度曲線和PVT 特性曲線如圖2所示。

擠出壓縮成型瓶蓋生產過程如圖3所示。通過Solidworks 軟件構建瓶蓋和瓶蓋料坯（下稱預填料）模型。其中瓶蓋模型半徑

16 mm、高17 mm、厚0.6 mm，還原瓶蓋的幾何特征，預填料采用與實際相似的形狀，按頂部為半球體、主體為圓柱體進行建模，如圖4所示。

經驗定性法是根據區域的地貌特征、氣候差異特點、水資源分布狀況等客觀存在的區域表現，主要考慮的是自然因素，常用來進行高級分區。本研究在用該方法時，主要考慮上述干旱分區指標體系中的地貌、降雨量和受災率等3個自然因素，同時兼顧流域內干旱指數的因素，由于海拔較高的山區和丘陵區蓄水能力較弱，降雨量可能不能準確地反映當地的干旱程度，因此在這些地區以受災率指標為主，降雨量指標為輔，而在海拔較低的丘陵和平原地區則以降雨量因素為主，受災率指標為輔助指標，最后完成區域的一級干旱分區。

1.2 制品建模

1.2.1 瓶蓋料坯和模型構建

將對硫酸銨沉淀、透析后的混合多肽進行超濾，依次分別使用30，10，3 k超濾膜進行超濾。超濾后，將混合多肽分子量分為4段：>30 k，30～10 k，10～3 k，<3 k。多肽含量和ACE抑制活性見圖3。

1.2.2 冷卻水路模型構建

2.2.2 翹曲變形分析

1.2.3 實體網格與壓縮區網格的構建

將瓶蓋、預填料與冷卻水路模型導入Moldex 3D進行撒點，根據分析精度要求，針對瓶蓋撒點進行加密，并將生產網格形態設為BLM5 層的四面體實體網格（預填料無需單獨構建實體網格）。為避免壓縮區與型芯冷卻水路發生干涉，根據預填料先壓縮后充模的生產過程，在瓶蓋內部中心區域建立圓柱形壓縮區，并使用棱柱體實體網格，提高分析效率與準確率。最終，模擬仿真的實體網格構建完成，總計1 568 932個網格，如圖6所示。

1.3 成型工藝參數設定

壓縮時間設定為0.023 4 s，壓縮方向為上下合模方向，最大壓縮速度為600 mm/s，壓縮速度多段設置為一段，最大壓縮力為10

N，熔融塑料溫度為150 ℃，模具溫度為20 ℃，空氣溫度為25 ℃，推出溫度為70 ℃，冷卻時間為1.31 s，開模時間為0.9 s，開模后至推出溫度時間為0.7 s。參數設定界面如圖7所示。

查閱文獻，統一自主設計調查問卷。開展預調研，根據反饋結果完善問卷設計。統一培訓調研人員，保證調研質量。對回收問卷嚴格審查，剔除無效問卷。

2 模擬結果分析與討論

2.1 預填料克重波動對制品性能的影響

在實際生產過程中，由于生產環境變化、設備的老化程度以及操作技術員經驗程度不同，從擠出機口模擠出的瓶蓋預填料克重會產生波動，瓶蓋生產廠家靠多年生產經驗將瓶蓋預填料克重控制在標準克重1.91 g 的可接受范圍內（±0.05 g），以確保壓縮得到的瓶蓋無缺陷。對于克重的波動，具體會導致哪些性能產生變化在實際生產中難以確定和分析。

以下根據試驗過程中測得的瓶蓋克重范圍（1.89～1.95 g）為依據，探究瓶蓋預填料克重波動對制品性能的影響，為實際生產提供相關參考數據。

在模擬仿真過程出現預填料克重為1.89 g 的組別充填不滿的情況，如圖8所示記錄檔提示，需要提供更大壓縮力或壓縮速度完成充填；該情況會使瓶蓋生產不穩定，成型的制品易出現缺陷。因此實際生產中需要維持擠出機擠出恒定的標準克重預填料，避免克重1.89 g及以下的蓋坯出現。

2.2 1.90～1.95 g預填料模擬仿真結果分析

當預填料克重在1.90～1.95 g 時，通過圖9（a）可以看到蓋底密度在0.989～0.998 g/cm

波動。由于型腔體積固定不變，當預填料克重偏大時，預填料的大部分最終會被壓縮到蓋底，使蓋底更加致密、密度更大，在成型后瓶蓋底部應力也更大，蓋底易產生凹陷。

在旱災監測技術方面，引進了區域蒸散量遙感監測估算、干旱遙感監測與預報、數字化區域旱情監測系統等旱情監測技術和設備；利用3S技術，開發了遙感數據處理與反演分析軟件；成果在2006年重慶、2007年河南及2008年海河流域的干旱監測中進行成功應用；提高了我國旱情的遙感監測與預報能力，為減輕我國大范圍旱災損失提供了技術支撐。

瓶蓋口厚度較薄，任何的應力作用都會導致瓶蓋口的圓度發生變化，影響與瓶口的契合。當預填料克重在1.90～1.95 g 時，瓶蓋口圓度在0.029～0.035 mm 波動,如圖9（d）所示。克重波動變化，在壓縮過程主要體現在瓶蓋底部密度更大、更致密，這容易在冷卻過程導致底部凹陷翹曲、瓶蓋口圓度變化和瓶蓋整體收縮率變化，但對開模后制品的溫度影響不大，不會導致成品的收縮變化。

2.2.1 密度分析

根據擠出壓縮瓶蓋的生產方式和幾何特征，采用Solidworks 軟件建立冷卻水路模型，并與瓶蓋相互配合還原實際的擠出壓縮模冷卻水路，如圖5所示。

瓶蓋在生產過程中產生的翹曲變形會影響后期使用過程中瓶子的氣密性。如圖9（b）所示，當預填料克重在1.90～1.95g 波動時，瓶蓋口在

、

方向（瓶蓋口平面兩垂直方向）的變形位移量在0.486～0.628 mm波動；蓋底中心在

方向（垂直瓶蓋口平面方向）的變形位移量在0.896～0.953 mm 波動；平均體積收縮率在6.893%～8.932%波動。通過圖9（c）1.91 g 克重組別的3 倍放大翹曲變形效果圖可以看到瓶蓋口向內收縮，蓋底也向內凹陷。預填料增加的克重部分為制品冷卻過程提供了補縮作用，使體積收縮率減小。

式中,A是常數,td是介質層的物理厚度,Vd是通過介質層的電勢差,m*是電子的有效質量,φB為勢壘高度。從式(4)可知,Ig隨著介質層的物理厚度增加將指數性降低。

2.2.3 冷卻變形分析

選取2014年5月—2017年6月在我院接受治療的90例慢性萎縮性胃炎門診及住院患者作為研究對象。將所有患者按照隨機數字表法分為兩組，每組各45例。觀察組：男21例，女24例；年齡22～68歲，平均年齡（41.28±2.82）歲；病程1～10年，平均病程（4.93±1.05）年。對照組：男25例，女20例；年齡22～70歲，平均年齡（42.06±2.14）歲；病程1～10年，平均病程（4.88±1.13）年。兩組患者性別、年齡及病程等一般資料比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

2018年3月21日，《深化黨和國家機構改革方案》全文對外公布。此前，方案中涉及國務院機構改革的內容已由全國人大審議通過，《中共中央關于深化黨和國家機構改革的決定》也已公布。

2.3 產生溢料缺陷的原因分析

從上述定義可以看出，這里的樣本值與隨機試驗的樣本點有關但又有所不同，從隨機試驗的角度看，所謂總體實際上是隨機試驗所有可能的結果，也就是樣本空間，由于隨機變量是樣本空間到實數域的映射，所以也把隨機變量稱為總體．這里的隨機樣本指的是n個隨機變量的笛卡爾積，所以也可以說隨機樣本是一個隨機向量(X1, X2, …, Xn)，且每一個隨機分量都有相同的分布函數．這樣說可能會讓人難以理解，通俗地說，所謂隨機樣本就是從總體中隨機抽取n個樣本點構成的集合．

首先推測溢料缺陷產生的原因是預填料偏離和預填料克重變化，以1.89 g 的預填料進行溢料后制品缺陷的模擬仿真，最大程度還原生產現場場景，探究克重過重對溢料缺陷的影響。

2.3.1 預填料偏離問題

實際生產中會出現少量存在缺陷的瓶蓋，如圖10 所示。究其原因可能與預填料在型腔內的位置偏移、鎖模力、壓縮力相關，為了推測缺陷產生的原因，通過控制相關變量得到模擬仿真結果來驗證缺陷的原因。

構建預填料偏離型腔中心不同距離來研究預填料偏離程度導致的制品缺陷問題，以預填料在型腔中心位置（0）為對照組，如圖11 所示。在瓶蓋壓縮合模完成前，由于蓋坯位置偏移，料多的一側物料提前被擠壓到分型面處；當合模完成會出現一側物料從分型面溢出，一側充填不完全導致壁高不足，造成制品缺陷。

由于模擬過程型腔為封閉整體，無法模擬一側溢料的現象，參考前期模擬的組別，使用1.89 g的預填料還原一側壁高不足的現象進行模擬，最大限度還原生產現場制品樣貌。其充填結果如圖11所示，預填料中心與蓋底中心偏離距離越大，一側壁高降低越多，同時另一側分型面處物料溢出現象越嚴重，且分型面受到物料的壓力變得不均衡。

在分型面高度

=11.4 mm 處插入兩對稱探針（15.6，0，12）、（-15.6，0，12）探究分型面在合模過程的壓力變化情況，如圖12所示，隨著預填料的偏移，型腔內壓力由均勻分布變為偏離反方向壓力下降，偏離方向壓力上升。預填料的偏離距離會影響型腔內壓力的分布，偏離距離越大，偏離方向分型面受到的壓力越大，更容易導致溢料缺陷產生。

2.3.2 預填料克重問題分析及成型壓力條件關系

預填料克重由擠出機的擠出速率與切料刀具的旋轉切料速度決定，若擠出機出料與旋轉刀具之間配合不穩定，則落入型腔中的蓋坯克重可能出現偏大或偏小。實際測量發現，溢料瓶蓋克重大于普通瓶蓋最大克重。為了更清晰地反映克重變化對瓶蓋壓縮成型壓力的影響，本案例設置較大的克重梯度進行模擬。

學生作為教學中的接受方，具有一定的差異性，在應用混合式教學的過程中，我們要尊重學生的個性，了解學生的共性，從而選擇合適的混合教學方式。首先，教師要重視學生的個性色彩，根據學生的基礎情況，選擇相應的知識灌輸；另外，學生劃分多個學習小組，基礎相當的學生分到一個小組，根據小組自身學習的需要制定小組內部的學習的方式、內容和數量，充分發揮了學生的學習自主權。最后，不管是什么教學模式都要實現英語學習小組之間的溝通交流，主動參與網上互動，與教師在線互動，及時解決英語難題。所以，在實際的工作中我們不能不切實際脫離生活，英語教育內容應與日常生活息息相關，這樣的混合式教學活動才能得到想要的效果。

在分型面高度

=11.4 mm 以及底面中心插入探針（15.6，0，11.4）、（0，0，-0.3）獲取2 點壓力變化情況，如圖13所示。由圖14（a）可知，瓶蓋充填過程的壓力隨著預填料克重增加而快速增大，通過在瓶蓋整體、底面中心及分型面處壓力變化數據可以看到，在分型面處的壓力變化值（480.4%）遠高于平均壓力（302.4%）和底面壓力（170.4%）。由此推斷，較大的克重容易在分型面處產生更大的壓力，這也是導致瓶蓋在分型面處溢料的一個重要原因。

從圖14（b）設備壓力變化數據可以看出，預填料克重越大，壓縮充填過程的壓縮力和鎖模力則更大。實際生產中，如果壓縮力和鎖模力較小時，預填料克重偏大則容易從分型面處溢出熔融物料。當過重克重預填料在型腔中發生較大偏離時，設備鎖模力不足會導致溢料缺陷概率更高。

3 結束語

通過Moldex 3D 對聚合物瓶蓋高速擠出壓縮成型的過程進行模擬仿真，定量分析成型過程中預填料克重波動、位置偏離等現象對制品質量與成型參數造成的影響，綜合分析產生溢料缺陷的原因，為實際生產提供理論依據，具有參考價值。

（1）對于1.90～1.95 g 的預填料正?？酥夭▌樱酥夭盍繉ζ可w底部的密度有較大影響，使其在0.989～0.998 g/cm

波動，進而對制品的翹曲變形、收縮率以及瓶蓋口圓度造成影響，使

、

方向變形位移量在0.486～0.628 mm 波動，

方向變形位移量在0.486～0.628 mm 波動，平均體積收縮率在6.893%～8.932%波動。綜上分析，預填料克重的正常波動不會對瓶蓋的成型與質量造成過大影響。

（2）對于溢料缺陷，預填料位置的偏離會對型腔內壓力的分布產生影響，導致瓶蓋頂端兩處聚合物流動末端出現壓力不足或壓力過大，極限偏離情況兩末端壓力差可達187 MPa。此外，預填料出現過重克重也會導致模具分型面的壓力急劇上升，當預填料克重為2.15 g（高于最大正?？酥?0.3%）時，分型面處壓力可達413 MPa，使成型所需最大壓縮力與鎖模力急劇上升。綜上分析，導致溢料缺陷的原因可歸結為預填料位置偏離與克重異常所導致的壓力變化。

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