塑料片材真空阴模吸塑成型模拟及实验研究

华中科技大学硕士学位论文塑料片材真空阴模吸塑成型模拟及实验研究姓名：郑超申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：张宜生2011-01-10华中科技大学硕士学位论文I摘要一直以来，注塑和吹塑等工艺为塑料加工领域的主要加工方法。而近10年来这一领域正在迅速转为以热塑成型工艺为主。热塑性成型工艺中一个重要部分是真空吸塑成型工艺。塑料片材的成型技术简单且易于实现，因此广泛应用于商品包装。同时，在模内膜成型技术中，膜的成形因其形状较为复杂，尺寸控制精度要求高等特点，使得塑料片材的成形技术成为其核心技术。此时需要从制品或膜的形状设计及成形工艺入手，控制薄壳或膜的不均匀变薄，从而实现精确制造。本文从塑料片材成形材料特性数据分析开始，采用非线性有限元计算和多物理场耦合的计算方法，模拟塑料片材成形过程，从中获得制品设计与质量控制所需要的工艺参数。研究主要包括实验研究以及真空吸塑成型模拟研究。设计具有典型成型特征的模具并用其加工出制品，对制品的质量进行分析。同时，归纳热塑性工艺的材料特性和成型过程规律，建立三维模型进行计算机模拟分析。经过实验与模拟数据的比较，计算机模拟厚度数据与实测值昀大误差在13%以内。有限元模拟方法有助于控制薄壳或膜的不均匀变薄，从而提高设计和制造质量。针对当前模内膜工艺的应用问题——平面模内标签经吹塑成形为制品外形其平面图案转变为三维图案发身失真的问题，提出了两种解决方案。一种为简单的几何仿真方案，另一种为复杂的有限元模拟方案。两种方案的选择取决于生产工艺要求，其中有限元模拟方案可以提供精确的分析结果。论文引用研究项目中的一个实例来证明了方案的有效性。关键词：吸塑成型数值模拟有限元法网格摄影测量弹塑性华中科技大学硕士学位论文IIAbstractOvertheseyears,injectionmoldingandblowmoldingisthemainlyfieldinplasticsprocessing.Thepast10years,thisareaisrapidlyconvertedtothermoplasticmoldingprocessbased.Vacuumformingprocessisanimportantpartinthermoplasticmoldingprocess.Theplasticsheetformingtechniqueissimpleandeasytorealize,thatiswhy,itiswidelyusedforpackagingcommodities.Similarly,inIn-Mold-Decoration(IMD)moldingtechnology,duetothecomplexgeometryofthemembraneandthehighrequirementofthedimensionalaccuracy,geometricdesignandmoldingtechniquefortheproductshouldbefocusedoncontrollingthethicknessdistributionofshellormembranceplasticproductsinordertoachievehighprecisionmanufacturing.Thispaperstartedwithanalyzingtheperformancedataoftheplasticsheetmoldingmaterial,usingnonlinearfiniteelementmethodandmulti-physicscouplingmethodtosimulatetheplasticsheetformingprocess,andtheresultgivestherequiredparametersforproductdesignandqualitycontrol.TheResearchincludingexperimentalresearch,andplasticssuckingmoldingsimulation.Designmoldwithfeaturesoftypicalshapeanduseittoprocesstheproductsandanalysisthequalityoftheproducts.meanwhile,summerythepropertiesofthermoplasticandtheformingrule,usingcomputersimulationanalysisbuildathree-dimensionalmodel.Forthethicknessdeviation,theexperimentaltestingshowsthatthemaximumdiscrepancybetweenthesimulationandactualresultislessthan13%.Theresearchprovedthatcomputersimulationcancontributetocontroltheinhomogeneityoftheshellormembranesoastoimprovethedesignandthequalityofmanufacturing.ForcurrentprobleminIML,whentheplaneisprocessedbyblowmolding,thepictureonthe2Dplaneisdistortion.Twosolutionsaregiveninthispaper.Onesimplesolutionisgeometrysimulation,andtheothersolutionisthefiniteelementsimulation.Whichonetochooseisdependingonprocessrequire.Finiteelementsimulationprogram华中科技大学硕士学位论文IIIcanprovideaccurateresultsbutwhichismorecomplex.Aninstanceinresearchprojectisusedtodemonstratetheeffectivenessofthesolutionprogram.Keywords:Plasticssuckingmolding，Numericalsimulation，Finiteelementmethod，GridPhotogrammetry，Elasto-Plasticity独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究背景及意义长期以来，塑料加工领域主要以注塑和吹塑等工艺为主。而近10年来这一领域正在迅速转为以热塑成型工艺为主[1]。热塑成型制品多应用于飞机、汽车、轮船、火车等交通工具及食品包装领域。为了适应市场需求，在产品的外观设计上更加注重产品的个性化与新颖性，热塑成型技术正是在迎合这一市场需求中找准了自己的突破口[2]。目前IML表面装饰技术[3]的发展使得热塑成型工艺更受青睐。装饰薄膜的使用已在汽车装饰领域牢牢占据了主导地位,印有木材纹理或金属外观的热塑成型片材已被广泛用于汽车内窗框架[4]。热塑成型具有很大的魅力，一但使用在某个领域，哪怕只是生产一个小产品，其优势就会很快凸现出来，使人们看到其良好的工业效益。热成型是将热塑性片材加工成各种制品的一种特殊的塑料加工方法。片材在夹框上加热达到高弹态，采用模具与片材间吹气产生负压、或辅助上腔体通入压缩空气等外力作用，使其紧贴模具的型面，取得与型面相仿的形状[5]。待其冷却后，经修整成制品。这种薄壳塑料件在包装行业使用普遍，一般采用PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）或者PVC（聚氯乙烯）等片材或薄膜吹/吸塑成型[6]。同时，在目前新兴的IMD/IML技术中，对于核心部件膜的成形，因为其形状较为复杂，尺寸控制精度要求高等因素，需要从膜的形状设计及成形工艺入手，控制膜的不均匀变薄，从而实现精确制造。判断一种加工成产工艺是否好坏，需要与另外一种加工方法相比较：用该种方法生产的制品的成本是否合理；或者是这两种方法生产的制品成本相同，但是用该方法生产的制品质量得到改进。在许多应用方面，注射模塑成型或注压成形都与热成型相竞争。但就包装技术而言，除非是用纸板作为包装材料，否则热成型技术是没有其他加工方法能与之相竞争的[7]。模内标签（INMOLDLABEL，简称IML)是标签的一种，指将事先印刷模切好的标签放在开放的模具内，先通过热塑性成型，贴合与模具内表面。在昀终塑料制品成型的过程中，标签和树脂熔为一个整体[8]。华中科技大学硕士学位论文2模内贴标技术——IML，能够将涂层或装饰效果添加产品注塑阶段。该技术尤其适用于图片，文字和标志的印刷，并能实现仿皮或木质效果，在某种程度上可以替代喷漆[9]。并且使得塑料制品加工厂商加工出的各种制件看起来像似“没有标签”——标签图案在薄膜与制件的夹层中。其印制上标签图案的质量是某些制品成型后彩饰工艺方法所无法达到的。例如影像照片、轮廓起伏分明的图案、甚至三维全息图案等都可作为产品中的一个整体部分，其质量效果要优于那些标签设在外表面的制品。这种采用模内贴标工艺加工生产的塑料制品在构造上更具有装饰效果，并使得包装制品可减轻10%～15%的质量，而同时又增加制品侧壁的强度。综上所述，模内标签的特点[10]有如下几点：1.标签与塑料制品熔为一体，成型后无需再作任何加工（如印前处理、印刷、贴标等），省去生产环节，节省劳动力，提高效益；2.标签嵌在塑料制品里，提高塑料容器强度，减少容器的树脂用量；3.标签与塑料制品熔为一体，使得商标与塑胶体结合紧密，标签持久不易脱落；4.与在容器表面直接印刷相比，IML能扩大标签使用面积，可为消费者提供更好图案、文字说明，提高产品档次；5.IML标签纸技术含量高，不易仿造，因而有一定的防伪性；6.IML通过树脂势瞬间粘贴进行，操作方法简便；7.采用IML，省去流通程序，可减少塑料瓶的库存量；8.采用IML，配合罐装流水线，可快速包装，效率提高5-20%；9.标签与瓶体完全贴合，耐挤压，可弯曲，适合软瓶包装。鉴于模内标签的突出优点，模内标签技术正逐步被应用于各行业。比如，应用在通讯业上的有，手机按键、镜片、外壳等。应用在家电业上的有，洗衣机、微波炉、电饭堡、空调、电冰箱等的控制装饰面板等。应用在数码业上的有，MP3、MP4、便携式电脑、VCD、DVD、电子记事本等装饰面壳和标识等和应用在汽车业行业上的有仪表盘、标志、内饰件等。虽然模内标签在我国出现的时间并不长，但它正利用自己的优越性，吸引越来越多的厂家注意。在欧美等发达国家，模内标签的发展已开始进入稳定发展的轨道；在我国也正以70%的速度高速发展。在不久的将来，模内标签将会向不干胶标签发起强有力的挑战，并在某些领域取而代之。一个重要因素在于不干胶标签真正使用部分约只占材料的40%，另外60%将被浪费；而IML只有大约5%的部分会在模切华中科技大学硕士学位论文3时被清除，材料有效利用率高达95%左右[11]。因此在材料成本占整个成本比重越来越多的情况下，高利