注塑瓶蓋的技術革新之路——模具 3D 打印隨形水路

來源:榮格國際塑料商情    關鍵詞:3D打印, 模具,    發布時間:2019-10-29

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瓶蓋是食品藥品包裝中的重要一環,也是消費者最先與產品接觸的地方,而瓶蓋具有保持產品密封性與穩定品質的特性,以及有防盜開啟及安全性方面的功能,被廣泛應用在有內容物的瓶裝產品上,所以瓶蓋為食品、飲料、藥品、酒、制藥業的上游產業,是塑料瓶容器包裝的重要零部件。瓶蓋產品市場需求穩定,并且呈現出逐年上升的趨勢;塑料瓶蓋質量穩定,市場占比也逐漸提升。
精致、個性、獨特造型,注塑瓶蓋何去何從?
瓶蓋的發展早期是使用軟木材質,旋鐵蓋等。至今續開發出鋁質的長頸鋁蓋、碳酸飲料鋁蓋、熱充填鋁蓋、注射液鋁蓋、藥蓋、塑膠瓶蓋等產品。鋁蓋雖有部份被塑蓋取代,但主要應用于酒及機能性飲料,需求穩定成長,而爪蓋的需求比則變動大,塑料蓋的需求穩中有升。由于瓶蓋為包裝工業的重要一環,下游消費市場的需求變化將直接影響到對瓶蓋的市場需求。
在產品質量與外形要求日益嚴苛的當下,小如瓶蓋也要做到精致、美觀、獨樹一幟,這勢必對瓶蓋的生產技術造成沖擊,如何在保障質量的同時提高生產效率,成為瓶蓋模具制造的技術難題。
瓶蓋有兩種制作工藝,分別為:注塑成型與壓鑄成型。注塑蓋生產工藝的流程為:吸料機將混合好的材料吸入注塑機炮筒,在炮筒內加熱到熔融塑化狀態后,注射到模具型腔中,在型腔中冷卻定型、脫模、再經過切環加墊,完成注塑生產。而壓塑蓋工藝流程為:吸料機將混合好的材料吸入注塑機炮筒,在炮筒內加熱到半熔融塑化狀態后,定量擠出到模具型腔內,上下模具合模,壓塑并冷卻定型、脫模,再經過切環加墊,最終完成注塑生產。
從瓶蓋的的兩種制作工藝中我們不難看出,其中都存在最重要的一環——冷卻定型。產品成型離不開冷卻成型,因此冷卻水路系統是瓶蓋產品制作的關鍵所在。
而冷卻水路是模具的重要組成部分。瓶蓋質量好壞、速度快慢,大多取決于冷卻水路。
傳統制模中,冷卻水路一般采用CNC加工方式(如圖1)。冷卻水路只能通過銑床鉆孔的方式加工產生內部水路網絡,并通過內置止水栓和外置堵頭的方式來調整水路流向。這樣就導致水路布置有很大的局限性,水路只能為圓柱形直孔,無法百轉環繞于模具內腔之中。當遇見形狀復雜的模具產品時,傳統水路無法完全貼近注塑件表面,冷卻效率低且冷卻不均勻,導致注塑周期長、產品變形量大。
圖1:傳統水路3D模型圖
在最開始生產飲料等塑膠蓋與爪蓋時,傳統水路還是能夠勝任的,但隨著產品包裝造型越發復雜,瓶蓋的形狀也越來越獨特,形體凹凸不平,導致傳統水路的冷卻作用捉襟見肘。
新征程:3D打印獲取創新的契機
但隨著3D打印技術的發展,特別是金屬3D打印(SLM,選擇性激光燒結)技術發展至今已經相當成熟,SLM技術現在已廣泛應用于航空航天、醫療制造業中。在航空航天領域,GE用驗證機對35%的3D打印零部件進行了驗證、C919對3D打印件進行了大規模使用。
而瓶蓋模具技術,也因為3D打印迎來了新生。3D打印技術又稱為增材制造,是一種采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術,相對于傳統的材料去除——削切加工技術,增材制造是一種“從無到有”的制造方式。
針對化妝品瓶蓋造型,通過這種逐層累加的3D打印技術,可以制造出一種無所不能的冷卻水路——隨形水路(如圖2),它可根據產品輪廓的變化而變化,到達模腔任何地方,模具內部將無任何冷卻盲點。
圖2:隨形水路3D模型圖及側截面圖
運用這種水路,它可以使瓶蓋加快冷卻速度,縮短產品的成型周期,此外,它還可冷卻均衡,減少產品缺陷,提高產品良率。
然而這種技術的革新,真的能給企業帶來如此優勢嗎?很多人保持著觀望態度。2007年成立于上海的上海毅速激光科技有限公司(以下簡稱:毅速)是一家3D打印應用技術開發與服務的科技公司,毅速致力于注塑模具前沿技術的研究與開發,并率先對這種技術做出了研究。
針對目前化妝品瓶蓋模具的兩種水路:傳統水路與隨形水路,毅速的模流分析師使用AutodeskMoldflow軟件分析出化妝品瓶蓋在兩種水路中的鑲件溫度、冷卻時間、模溫狀態等數據,從而得出隨形水路是否真的擁有奇效。
案例分析——化妝品瓶蓋
產品名稱:化妝品瓶蓋
項目難點:熱流道倒裝設計空間受限,導致傳統水路無法實現,此外產品成型周期過長,產品澆口處易燙傷。毅速設計師將公模仁鑲件采用3D打印實現隨形冷卻,熱嘴套鑲件走隨形水路,在產品材質上使用毅速研發的3D打印專用金屬粉末EM191不銹鋼進行打印。
在隨形水路形成后,將應用隨形水路與傳統水路的數據進行模流對比。
模流分析圖(見圖3)顯示:化妝品瓶蓋頂部溫度最高,應用傳統水路鑲件溫度最高94.81℃,而應用隨形水路鑲件溫度最高62.17℃,隨形水路比傳統水路鑲件溫度低34.4%(32.6℃)。從上述的模流分析數據我們不難得出結論:應用隨形水路能夠使模具頂出時溫度更低,有利于縮短零件頂出時間。
圖3:毅速ESU化妝品瓶蓋傳統水路與隨形水路鑲件溫度對比圖
產品的冷卻時間與產品的頂出成型時間有著直接關系,從圖4的數據發現,應用傳統水路化妝品瓶蓋的冷卻時間需21.71s,而隨形水路僅需要6.07s,單個瓶蓋的時間就可以縮短72%(15.64s),可想而知,化妝品瓶蓋制造商使用含隨形水路的模具時,瓶蓋的產出速度、成型周期將會是多么快,這為制造商帶來多大的經濟效益。
圖4:毅速ESU化妝品瓶蓋傳統水路與隨形水路冷卻時間對比圖
圖5是化妝品瓶蓋的模溫周期圖,它代表著產品平均表面溫度變化,X軸為時間,Y軸為溫度,從圖中的曲線示意圖我們可以很清晰地看出,隨形水路模溫比較低,且隨著時間的推移,有一個下降的過程,然而傳統水路的模溫較高且隨著時間的推移一直升高。
圖5:毅速ESU化妝品瓶蓋傳統水路與隨形水路模溫周期對比圖
圖6、圖7分別是化妝品瓶蓋實際產品圖,因為傳統水路無法完全覆蓋到模具型腔之中,且化妝品瓶蓋的頂部正是傳統水路無法到達的區域,所以產品冷卻不均衡,頂部溫度過高,非常容易造成澆口燙傷;而隨形水路運用3D打印技術,可以將水路遍布模具型腔的任意位置,因此冷卻均衡,很好地避免了這個問題。
圖6:應用傳統水路澆口處明顯燙傷
圖7:隨形水路澆口處無燙痕,產品合格
從隨形水路與傳統水路的幾組模流分析對比圖上,我們可以很清晰地了解到化妝品瓶蓋生產過程中的鑲件溫度、冷卻時間、模溫周期各自是怎么樣的一個變化。從這些分析中我們可以總結以下幾點:
1、根據注塑件形狀復雜程度,可降低冷卻時間20%至50%;
2、根據注塑件形狀,可減少變形量15%至90%;
3、模具成本略有增加,但綜合注塑產能、良品率等因素,最終效益大幅提高;
4、隨形水路應用范圍廣,可用于多數注塑件的冷卻優化。
3D打印技術的應用,不僅僅在航天航空等高科技領域,技術下沉,注塑瓶蓋與3D打印技術的結合,當實體制造業遇見高新技術,它給你帶來的是實實在在的經濟效益。而當下面對越來越復雜的材料、設計、產品,企業如果再不進行升級轉型,提升自己,難免會被時代淘汰。而3D打印隨形水路在化妝品瓶蓋的應用,無論是生產效率還是產品質量,都帶來了意想不到的驚喜。
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