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制造論文:吹塑容器開發全過程中的設計細節研究

來源:未知 2020-07-23 10:11

摘要:

  為提高吹塑瓶型的可實現性及生產適應性。利用軟件模擬保證瓶型的壁厚分布、抗壓性等基本設計要求,規范瓶口與瓶肩的間隙、瓶身的曲面要求、瓶底的過渡連接、把手的設計尺寸、

  制造論文:吹塑容器開發全過程中的設計細節研究

   為提高吹塑瓶型的可實現性及生產適應性。利用軟件模擬保證瓶型的壁厚分布、抗壓性等基本設計要求,規范瓶口與瓶肩的間隙、瓶身的曲面要求、瓶底的過渡連接、把手的設計尺寸、瓶子高度等方面的細節設計。進而呼吁每類產品造型設計應深度考慮開發每個環節,關注行業特征,與產品開發真正相融合。

  關鍵詞工業設計;開發過程;吹塑容器;設計細節

  中圖分類號: TB47 文獻標識碼: A 文章編號:

  日用洗化行業競爭激烈,企業會根據市場反饋及時更新洗化配方和香型,因此盛裝內容物的容器基本處于3年一小變5年一大變的生命周期中。瓶型開發中涉及市場預測、設計方案、吹塑生產、貼標、灌裝、物流運輸、商超展示等眾多環節。要設計一款功能與外觀并存的瓶型確有挑戰性,需將機械的專業技術和工藝流程的專業知識與瓶子的創造性理念相嫁接[1],預測、評判每個環節中對瓶型的影響,加強造型細節設計,才能保證容器項目的順利開發。

   吹塑容器開發全過程

  吹塑瓶型開發首先根據市場調研做出造型方向;然后根據定位繪制設計方案,對造型細節進行工藝合理性調整,并利用軟件模擬、經驗分析對方案進行初評并優化;之后做實驗模具,對打樣出的實驗瓶子進行抗壓、壁厚分布、貼標、灌裝、運輸等測試,反饋數據并修正后期的產品模具;最后加工制造產品模具,并吹塑生產,對批量生產的瓶型進行線上的貼標、灌裝、運輸等測試;上市瓶型經消費者反饋進入下一輪開發數據庫。具體步驟見圖1。在開發過程中每個環節得到的實驗和實測數據都會反饋到生產和設計中,去調整生產工藝參數或修正設計方案。

   瓶型的基本要求

  瓶型設計的方案首先要保證工藝的可實現性,在吹塑中壁厚盡可能分布均勻,同時應達到一定的抗壓標準,實現構想與產品技術相統一。

  (一)工藝可行性模擬

  利用軟件對設計方案進行工藝模擬。模擬分為四步:第一步,擠出料胚;第二步,預吹;第三步,吹塑模具閉合;第四部,吹塑成型;第五部,模具保壓定型。通過模擬,能快速評估造型的可實現性。

  (二)壁厚分布模擬

  通過模擬可以得出瓶型壁厚的分布情況[2],同時也可發現最小壁厚處,并分析在實際吹塑過程中是否可以通過生產參數調整以及時糾正[3,4]。對不同瓶型的模擬中可知近圓形容器在吹塑過程中壁厚分布比較均勻,異形容器容易出現壁厚分布不均的問題。瓶型設計方案之初要考慮吹塑工藝的限制,避免過于另類的瓶型,導致壁厚分布不均使其在受力中開裂。

  (三)抗壓模擬

  容器在灌裝、堆垛、運輸等環節要承受加料嘴、壓蓋機構、自身重力等各方面的垂直壓力,必須有足夠的垂直負荷強度,即一定的抗壓性。瓶型不同,其抗壓性各異。經標準實驗測試可知,潔而亮500ml清潔劑抗壓強度平均 為479.63N,清揚400ml洗發水抗壓強度平均為548.49 N,海飛絲400ml洗發水抗壓強度平均為271.4N。抗壓差的瓶型可以通過壁厚進行補償。但是壁厚厚意味著瓶子重量重。對于吹塑行業來講,克重是企業控制成本、競標成功的有力保證,瓶型項目的利潤空間就在1g甚至0.5g的重量差別中。因此需要在經濟型和美觀性之間做出合理取舍。

   瓶型細節處理

  瓶型除了要通過一系列模擬測試、實際測試來保證容器存儲物體、保護內容物等基本功能外,還要有一定的設計規范和設計細節以適應自動化的流水加工線。吹塑容器一般由瓶口及瓶肩、瓶身、瓶底、把手(取決于容器造型的有無)組成[5]。各個組成部分為配合高速生產線、適應高效的行業特點,必須在各個細節上下足功夫。

  (一)瓶口及瓶肩

  在瓶口及瓶肩的設計中有一處0.5mm左右的設計間隙來確保容器的完全密封。容器的密封依賴瓶口與瓶蓋的配合,配合通常有兩種方式[6]。一種為螺紋配合(見圖2),形成瓶口與瓶蓋的頂密封區域。瓶蓋到位后最低處與瓶肩有0.5mm左右的間隙,保證瓶蓋能完全擰到底,頂密封區實現完全接觸。否則可能出現瓶蓋在未鎖緊之前已碰到瓶肩使其無法擰動,密封區未接觸或未完全接觸。設計間隙過大會影響造型的美觀性。另一種方式為卡扣配合(見圖 3),利用塑料的彈性形成瓶口與瓶蓋之間卡扣的內密封區。瓶蓋到位后頂內壁與瓶口有0.5mm左右的間隙,避免卡扣沒到位瓶蓋已碰到瓶口,出現“假蓋”缺陷。

  (二)瓶身

  瓶身貼標區的細節設計值得關注。貼標區處應為單向曲面,見圖4所示的造型,不能出現雙向曲面,否則會出現翹標、褶皺標等嚴重質量缺陷。為預留一定的工藝偏差,瓶身貼標區尺寸一般比實際的標簽尺寸大3mm左右。在灌裝、運輸、堆碼等過程中,為防止運輸中標簽出現劃痕,貼標區應等距內陷1-1.5mm的深度。對于標簽有特殊的光油涂覆保護或者錐度大的瓶型,標簽不會相互摩擦的則不需要內陷設計細節。

  吹塑容器的生產、貼標、灌裝等環節都離不開高速傳送帶,因此瓶身在長軸最大端面和短軸最大端面(見圖5)都有小的平整接觸面。長軸方向上的平整面是為了傳送帶上瓶與瓶間接觸的穩定,位置一般在1/3的瓶高處,或者是重心同一高度。短軸方向上的平整面保證瓶與傳送帶導軌之間有穩定的摩擦力,便于高速傳輸。

  (三)瓶底

  瓶側壁與瓶底之間曲面的過渡對瓶子的整體抗壓強度至關重要。在連接這兩處相交曲面時,一般用兩段圓弧進行平滑過渡,避免用單一圓弧過渡。兩段圓弧的細節處理能增大瓶底接觸尺寸,提高瓶子抗壓強度,此設計方法尤其適應于有錐度的瓶型(見圖6)。

  瓶底區域為內凹式設計,可以起吸振作用,改善沖擊性能,提高穩定性。凹陷的深度依容器的容量、材料的收縮進行計算補償。另瓶底外圍在短軸方向上有兩條“站立線”,保證底部的線接觸。

  為確保經高速的貼標、灌裝、上蓋等一系列自動化工序后在商超售賣時瓶身與瓶蓋、瓶身與貼標區方向的統一,前后方向一樣的裸瓶在瓶底需添加定位槽。定位槽為漸入式、扇形、對稱性設計,利于吹塑時脫模的平穩,同時方便卡槽切入、定位,限定貼標、灌裝等環節的方向性,保證了瓶身、瓶蓋、標簽間相對位置的一致性(見圖7)。

  (四)把手

  把手處在吹塑過程中易出現堵料、不完形等缺陷,為工藝的可行性和穩定的壁厚分布,把手截面橫向和縱向上需有合適的比例(見圖8)。把手截面為圓形時,,截面為矩形時,。同時把手橫向的X數值不能小于17mm。設計時注意把手起始至結束處的截面保持相對一致性,不能出現過大的變化。

  把手的設計在滿足工藝性要求的同時,還要考慮使用上的方便。依據人機工程學對容指空間進行人體生理尺度研究[7,8],消費者操作自如的、方便不同手指使用的容指空間為寬度最小18.5mm,高度尺寸空間見圖9。在設計過程中,根據容器的滿容重量、瓶型設計、貼標區位置等預留容指空間。

  (五)高度

  吹塑模具的橫向長度對于同一個吹塑企業論文而言是不變的,縱向高度根據瓶型高度來調整變化。模具設計時,考慮排氣空間及切斷胚料的刃口長度[9],故瓶型的橫向尺寸影響到模具型腔數量,進而影響到加工效率及產量。如對橫向長度為1230mm的模具而言,設計的方案瓶型橫向最小尺寸為210mm時,模具可以設計為5穴;瓶型橫向最小尺寸為174mm時,模具可以設計為6穴;瓶型橫向最小尺寸在210mm和174mm之間時,模具只能設計為5穴。當瓶型橫向最小尺寸為174mm右側附近的數值時意味著在模具設計中浪費了空間,同時降低了生產效率。所以兼顧成本和效率,保證容量的前提下可適度調整瓶型的橫向長度和縱向高度間的比例。

  商品終端展示環節對瓶型設計的高度也有一定的影響和制約。對于快速低值的洗化用品商超展示按照同類商品放在一起的基本擺放規律[10],即多個品牌同一區域集中擺放。雖然貨架單層高度可調,但是擺放基本規律決定了洗化貨架在使用時層高基本上是固定的,因為商超人員不可能為了一款產品而調整層高。故瓶型設計確保終端上貨時能被正確擺放。如聯合利華旗下的多芬400ml洗發水由于沒法擺放不得不重新定制新模具,把高度從原來232.8mm降到215mm。

    結論

  吹塑瓶型的開發是融合市場、工藝、物流、包材、美學、銷售、經濟等方面的綜合知識,需要層層剝離開發的每個環節,對約束限定因素從容器的各個組成部分做出積極回應,檢查并修正設計細節使瓶型滿足吹塑工藝、高速自動化生產等要求。進而每類產品加工工藝不同,生產線要求各異,企業的工業設計必須以整體設備的思維方式將造型處理涵蓋于完整的開發環節,挖掘行業開發特征,才能真正與產品開發相融合。

  參考文獻:

  [1] Alexander Schau.完美PET瓶子的設計與生產[J].中國包裝工業,2011(5):76-77.

  [2] 秦升學,丁凱,任莉新,等.塑料容器等溫吹塑成型計算機模擬[J].包裝工程,2011,32(19):78-81.

  [3] 曾勁松,曾先鋒.中空吹塑成型型坯壁厚控制的研究[J].塑料工業,2010,38(9):49-52.

  [4] 吳裕農,王樹輝,許中明.塑料擠出吹塑中空成型壁厚均勻性的控制[J].中國塑料,2011,25(1):106-109.

  [5] 趙延偉,王惠群.塑料包裝箱和中空容器設計要點[J].塑料包裝,2008,18(3):34-40.

  [6] Dominick V. Rosato,Andrew V. Rosato,David P. Di Mattia. 吹塑成型手冊[M].北京:化學工業出版社,2007.

  [7] 黎英,王建民.包裝容器造型設計的人機尺度與舒適度[J].包裝工程,2012,33(24):42-45.

  [8] 張久美.電動手工電鉆造型設計的人機設計研究[J].包裝工程,2013,34 (16):50-54.

  [9] 何亮,曾雪東.洗發水瓶擠出吹塑模具設計[J].工程塑料應用,2013,41(8):72-74.

  [10] 宛劍業,許真付,荊建國.NEW-MART 超市洗化用品區貨架布局規劃與仿真[J].遼寧工業大學學報(自然科學版),2011,32(2):120-124.

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