具有“零脫模斜度”的注射模塑零件的設(shè)計(jì)與制造方法
【專(zhuān)利摘要】方法可包括生成待使用注射模塑工藝制造的工件的第一電子模型。然后，可以分析第一電子模型，并且然后在第一電子模型中的工件可以根據(jù)分析被選擇性地扭曲。然后可以生成扭曲工件的第二電子模型。然后，工件可以在使用第二電子模型生成的模具內(nèi)被注射模塑。此后，工件可以被冷卻，使得注射模塑工件逐漸呈現(xiàn)在第一電子模型中的工件的形狀或基本上在第一電子模型中的工件的形狀。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
具有“零脫模斜度”的注射模塑零件的設(shè)計(jì)與制造方法
【背景技術(shù)】
[0001]注射模塑工藝被廣泛地用于生產(chǎn)成本低并且相對(duì)較復(fù)雜的零件。注射模塑的一個(gè)益處是其生產(chǎn)大量相同零件的能力。然而，注射模塑工藝要求工件(零件)的設(shè)計(jì)遵循非常具體的準(zhǔn)則，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的可制造性。注射模塑工藝將某些約束施加于制造工藝，諸如均勻的壁厚、圓角、脫模斜度角度等。
【附圖說(shuō)明】
[0002]圖1是注射模塑機(jī)的框圖圖示。
[0003]圖2是示出示例性工件的成型深度(drawdepth)與脫模斜度角度之間的關(guān)系的圖不O
[0004]圖3是示出零件幾何形狀隨脫模斜度角度和成型深度改變的表。
[0005]圖4是示出具有零脫模斜度角度的示例性模具以及具有設(shè)計(jì)的目標(biāo)配置的工件的透視圖和前視圖的圖。
[0006]圖5是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方法的方面的流程圖。
[0007]圖6是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有非零脫模斜度角度和修改的幾何形狀的示例性模具以及具有在冷卻和/或脫模工件后獲得的基本上零脫模斜度角度和目標(biāo)幾何形狀的工件的透視圖和前視圖的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]具有“零度”脫模斜度角度的注射模塑零件的生產(chǎn)用多個(gè)零件(例如，分割)的模具設(shè)計(jì)是可行的。然而，由此類(lèi)分割模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)的零件通常將帶有從裝飾性的觀點(diǎn)來(lái)看一般不期望的證示線(xiàn)。
[0009]圖1是具有注射模塑工具的注射模塑機(jī)的框圖圖示。如圖所示，注射模塑機(jī)100可包括與注射模塑工具120可操作地聯(lián)接的注射單元110。在注射模塑工藝中，注射單元110輸送原材料(例如，聚合物)到包含模具的注射模塑工具120。將原材料熔融，并且然后通過(guò)注射模塑機(jī)100注射到模具中。在一些實(shí)施例中，注射模塑工具120適配到注射模塑機(jī)100的標(biāo)準(zhǔn)化接收器中。以這種方式，各種尺寸和形狀的多個(gè)零件能夠使用一個(gè)模塑機(jī)100簡(jiǎn)單地通過(guò)交換不同的注射模塑工具120進(jìn)行模塑。
[0010]注射單元110可以負(fù)責(zé)既加熱原材料又注射原材料到模具中。注射單元110可包括容器，在所述容器中存儲(chǔ)原材料并且材料從該容器被饋送到筒體中。筒體包含用于加熱材料和注射材料到模具中的機(jī)構(gòu)(例如，推桿注射器、往復(fù)螺桿等)O將原材料通過(guò)在注射模塑工具120內(nèi)的模具通道注射到包含在其中的模具中。然后，已經(jīng)注射到模具內(nèi)部的熔融原材料在其與模具部件(即，芯和腔體)的表面進(jìn)行接觸時(shí)開(kāi)始冷卻。當(dāng)原材料冷卻時(shí)，其凝固，有希望地成為期望的工件形狀。應(yīng)當(dāng)注意的是，注射單元110可具有其它部件，并且上述部件中的一些可以被提供在注射模塑機(jī)100的其它單元中。
[0011 ]在注射模塑工藝期間和在該注射模塑工藝之后，塑料材料隨著其冷卻而收縮。當(dāng)其冷卻時(shí)，塑料材料趨于非常緊密的夾緊模具的芯(陽(yáng)工具，腔體是陰工具)，常常使得難以或不可以從模具脫模模塑工件。為了正確地從模塑工具釋放注射模塑零件，塑料零件最常在模具運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)計(jì)有錐度。該錐度在注射模塑零件的工程圖紙上通常被稱(chēng)為“脫模斜度”。圖2示出了脫模斜度角度對(duì)零件幾何形狀的影響。如所指示的，在工件的側(cè)壁的內(nèi)部表面和外部表面上的脫模斜度應(yīng)當(dāng)相等并平行以維持壁的均勻性(當(dāng)然，假設(shè)期望壁的均勻性)。在本示例中，脫模斜度角度表示模具的芯和腔體的側(cè)壁取向與設(shè)計(jì)的用于所得注射模塑工件的側(cè)壁的角度之間的差值。在圖2中，側(cè)壁已經(jīng)設(shè)置有非零脫模斜度角度，以便于從模具脫模工件。
[0012]—般而言，推薦每側(cè)1/2度的脫模斜度為最小值，其中每側(cè)1.5度至3.5度經(jīng)常被推薦。圖3是示出了推薦的脫模斜度角度相對(duì)于成型深度的示例的表。實(shí)現(xiàn)在模具中的脫模斜度角度通過(guò)引入“錐度效應(yīng)”改變了注射模塑工件的幾何形狀。實(shí)際上，當(dāng)脫模斜度工件與設(shè)計(jì)工件不同時(shí)，脫模斜度角度改變零件的幾何形狀。這在模具成型深度(行進(jìn)距離)非常長(zhǎng)時(shí)是尤其擴(kuò)增的。傳統(tǒng)上，給定的脫模斜度角度基于工件的尺寸做到模具中。然后，工件在芯與腔體之間不同的溫度差下反復(fù)冷卻，以實(shí)現(xiàn)有希望地接近其設(shè)計(jì)的目標(biāo)配置的期望的最終工件的配置。通常，設(shè)計(jì)的目標(biāo)配置與實(shí)際制造的工件的配置之間的差異通過(guò)配合零件的稍作修改來(lái)彌補(bǔ)(account for)。
[0013]模塑具有“零脫模斜度”模具的零件的一種方式是提供具有分割腔體的模具。然而，分割腔體模具設(shè)計(jì)通常更加復(fù)雜，并且注射模塑零件將總是帶有反映模具分割線(xiàn)的位置的前述可見(jiàn)證示線(xiàn)。從裝飾的觀點(diǎn)來(lái)看，期望生產(chǎn)帶有不具有此類(lèi)證示線(xiàn)的“干凈”的外表面的注射模塑工件(零件、部件)。
[0014]本文參照附圖描述了注射模塑工藝和設(shè)備的實(shí)施例。然而，特別的實(shí)施例可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)的情況下或與其它已知的方法、材料和設(shè)備結(jié)合進(jìn)行實(shí)踐。在下面的描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，諸如具體材料、尺寸、工藝參數(shù)等，以提供透徹的理解。在其它示例中，公知的制造工藝和裝置沒(méi)有被特別詳細(xì)描述，以避免不必要地模糊所要求保護(hù)的主題。參考整個(gè)本說(shuō)明書(shū)的“實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)施例”或“一些實(shí)施例”意味著結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)本說(shuō)明書(shū)的各個(gè)地方的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”的出現(xiàn)不一定指同一實(shí)施例。此夕卜，特定特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任何合適的方式組合。
[0015]圖4是示出了沒(méi)有脫模斜度角度的示例性模具，以及沒(méi)有脫模斜度角度的工件設(shè)計(jì)目的的透視圖和前視圖的圖。在圖4中，忽略差異冷卻和從模具中拔出工件的潛在困難的影響，所示的模具200具有將生成工件206的零脫模斜度，所述工件是對(duì)于工件的設(shè)計(jì)目的的物理化身。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，冷卻對(duì)工件的注射模塑材料的影響不能被忽略。實(shí)際上，在聚合物或其它材料被注射到模具200中之后，在模具200的芯202及其腔體204之間的溫度設(shè)定上的差值產(chǎn)生不同的冷卻速率，不同的冷卻速率導(dǎo)致整個(gè)工件厚度的差異收縮、翹曲和/或幾何形狀的改變。當(dāng)工件被冷卻和/或從模具200脫模時(shí)，工件的較熱的表面將比其相對(duì)較冷的表面收縮更多。例如，根據(jù)工件的剛性，在工件的外表面208和內(nèi)表面210之間可發(fā)生差異收縮。此類(lèi)差異收縮可以建立內(nèi)應(yīng)力，這轉(zhuǎn)而可引起工件206的不期望翹曲。此類(lèi)差異冷卻可不僅引起工件的側(cè)壁朝向彼此不期望地彎曲，而且工件的彎曲部分212的實(shí)際形狀也不期望地翹曲或以其他方式改變?yōu)轱@著不同于其預(yù)期和用于設(shè)計(jì)的形狀的形狀。此類(lèi)零件或工件可能不根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行工作和/或與其它零件緊密配合。
[0016]圖5是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方法的方面的流程圖。需注意，在塊B51-塊B55中詳述的一些功能可以省略或與塊B51-塊B55中的其它塊組合和/或與在本文未示出的其它功能塊組合。如圖所示，塊B51要求生成待使用注射模塑工藝制造的工件的第一電子模型。例如，第一電子模型可以是待注射模塑的工件的三維(3D)表面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件。然后，全特征化的3D功能CAD模型可以由在塊B51中生成的3D表面CAD文件生成。然后，供應(yīng)商或其它實(shí)體可以執(zhí)行可制造性設(shè)計(jì)(DFM)審查，以事實(shí)上確定模塑工件是否可以通過(guò)注射模塑工藝來(lái)制造，并且可在其它問(wèn)題當(dāng)中確定適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)脫模斜度角度，以易于工件從模具的脫模。然后，來(lái)自DFM審查的意見(jiàn)或指示中的一個(gè)或多個(gè)可以實(shí)現(xiàn)，并且可以生成具有零脫模斜度和詳圖的最終3D CAD模型。在該階段，既不是脫模斜度角度也不是對(duì)于設(shè)計(jì)目的工件幾何形狀的任何修改已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或考慮。在該階段生成的詳圖可以例如對(duì)應(yīng)于在圖4中206處所示的零脫模斜度、設(shè)計(jì)的目標(biāo)配置。值得注目的是，收縮、翹曲和熱誘導(dǎo)的幾何變形未加以考慮，并且在詳細(xì)CAD圖中所描繪的工件代表期望的最后產(chǎn)品；S卩，在其最終設(shè)計(jì)的理想形式中的工件。
[0017]此后，如框B52中所示，可以分析第一電子模型，并且可以根據(jù)該分析扭曲在第一電子模型中的工件。該分析可包括預(yù)測(cè)注射模塑工件的變形，同時(shí)冷卻模具可以被配置為彌補(bǔ)在冷卻過(guò)程中注射模塑工件的預(yù)測(cè)變形。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，例如，此類(lèi)分析可包括計(jì)算由于在第一模型中工件的外表面與內(nèi)表面之間的差異收縮造成的內(nèi)應(yīng)力。例如并且根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以進(jìn)行有限元分析(FEA)。此類(lèi)應(yīng)力和位移分析考慮了注射模塑材料、工件的壁或其它特征的形狀和厚度，以及工件在其已經(jīng)從模具脫模后的冷卻速率。然后，可以生成扭曲工件的第二電子模型，如在B53處所示。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以在該階段確定脫模斜度角度，不僅易于工件從模具脫模，而且基于FEA預(yù)測(cè)工件的扭曲和翹曲。至少部分地基于FEA和在第一模型中工件的預(yù)測(cè)扭曲，當(dāng)工件冷卻并呈現(xiàn)其最終形狀時(shí)，該第二電子模型可以模塑和模擬由所述工件的拉伸/壓縮載荷(應(yīng)力或壓力)所引起的變形(應(yīng)變)的量。諸如工件中的所有或一個(gè)或多個(gè)部分的幾何形狀、模腔和芯的溫度以及它們之間的溫度差的參數(shù)可以在該第二電子模型中進(jìn)行調(diào)整，使得模擬生成工件形狀，這將引起冷卻的和/或脫模的注射模塑工件呈現(xiàn)其設(shè)計(jì)的目標(biāo)的零脫模斜度配置。例如該材料的組成也可以改變，以減少當(dāng)工件冷卻時(shí)的翹曲。然后，可以根據(jù)需要調(diào)整所生成的第二電子模型(包括具有非零脫模斜度和/或改變的或扭曲的幾何形狀(例如，樣條)的模具)。然后，第二電子模型可以被發(fā)送給將生產(chǎn)扭曲工件的模具(即，腔體和芯兩者)構(gòu)造的供應(yīng)商。該模具可包括脫模斜度角度和工件的配置和/或幾何形狀的任何改變，這將使在其中模塑的脫模的工件能夠冷卻并翹曲、收縮和/或變形為其預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)配置或可接受地接近于此的配置。如在B54處所示，供應(yīng)商或其他方然后可使用在注射模塑工藝中利用第二電子模型生成的模具以生成扭曲工件，當(dāng)在預(yù)定的溫度差下冷卻時(shí)，所述扭曲工件將呈現(xiàn)其設(shè)計(jì)的目標(biāo)形狀或基本上且可接受地接近于此。然后，可以冷卻注射模塑工件，如在B55處所示，使得其呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的或目標(biāo)需求或可接受地接近于此。
[0018]圖6是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有非零脫模斜度角度和修改的幾何形狀的示例性模具以及具有在冷卻脫模的工件后獲得的基本上零脫模斜度角度和目標(biāo)幾何形狀的工件的透視圖和前視圖的圖。如其中所示，模具的芯602和腔體604可以例如使用FEA和/或其它軟件被設(shè)計(jì)有一個(gè)或多個(gè)非零脫模斜度角度和/或扭曲的或以其他方式修改的幾何形狀，使得模塑工件606'在冷卻后呈現(xiàn)其目標(biāo)形狀或配置，如在606處所示。模塑工件可具有非零脫模斜度角度，如由其成角度的側(cè)面所示，以及模塑工件的側(cè)面的非平行的外面61(T和內(nèi)面612'。如圖所示，進(jìn)行FEA，使得所得模具602、604生產(chǎn)工件，所述工件最初從其目標(biāo)形狀或配置扭曲，但在冷卻和/或從模具脫模后，呈現(xiàn)其目標(biāo)形狀或在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)的形狀，如在606處所示。在呈現(xiàn)工件的目標(biāo)形狀或配置中，如在606處所示，當(dāng)其側(cè)面在圖6所示的示例中呈現(xiàn)平行配置(其是工件的目標(biāo)或期望形狀)時(shí)，所述工件可以以這樣的方式縮小。在其最終配置中，工件的側(cè)面的外面610可以是平行(或可接受地接近于平行)于其內(nèi)面612。這可需要，例如，在側(cè)面的底部處的彎曲部分614被模塑為具有第一形狀、樣條或曲率半徑，這不同于其目標(biāo)第二形狀、樣條或曲率半徑，使得第一形狀、樣條或曲率半徑在冷卻和/或從模具脫模時(shí)變?yōu)槟繕?biāo)第二形狀、樣條或曲率半徑。
[0019]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，至少一部分冷卻工藝可以在模具602、604內(nèi)進(jìn)行。實(shí)際上，模具的芯602可以被控制為在第一溫度Tl下，并且模具的腔體604可以被配置為能夠在不同于第一溫度Tl的第二溫度Τ2下。溫度差(Τ2-Τ1)可以被控制，以實(shí)現(xiàn)期望的冷卻誘導(dǎo)的收縮、翹曲或幾何形狀變換，使得最后結(jié)果是具有設(shè)計(jì)的用于設(shè)計(jì)的形狀(在工件從模具脫模之前和/或之后)的工件。例如，芯602的溫度Tl可以設(shè)定在示例性85攝氏度，而腔體604的溫度Τ2可以設(shè)定在示例性60攝氏度，為25攝氏度的差異。在該示例中，該溫度差足以將模塑工件在冷卻后從其最初的剛剛模塑扭曲配置變?yōu)槠渥罱K目標(biāo)配置?？梢愿鶕?jù)需要選擇其它溫度和差異。
[0020]雖然已經(jīng)描述了本公開(kāi)的某些實(shí)施例，但這些實(shí)施例僅通過(guò)示例的方式呈現(xiàn)，并非旨在限制本公開(kāi)的范圍。實(shí)際上，本文所述的新穎的方法、裝置和系統(tǒng)可以以各種其它形式呈現(xiàn)。此外，在不脫離本公開(kāi)的精神的情況下，可以對(duì)本文所述的方法和系統(tǒng)的形式進(jìn)行各種省略、替代和改變。所附權(quán)利要求及其等同物旨在覆蓋將落入本公開(kāi)的范圍和精神內(nèi)的此類(lèi)形式或修改。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在各種實(shí)施例中，實(shí)際的物理和邏輯結(jié)構(gòu)可以不同于附圖中所示的那些。根據(jù)實(shí)施例，可以除去在以上示例中所描述的某些步驟，可以添加其它步驟。而且，以上公開(kāi)的具體實(shí)施例的特征和屬性可以以不同的方式組合以形成另外的實(shí)施例，所有這些都落入本公開(kāi)的范圍內(nèi)。雖然本公開(kāi)提供了某些優(yōu)選實(shí)施例和應(yīng)用，但對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，包括其中不提供本文所闡述的所有特征和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例的其它實(shí)施例也在本公開(kāi)的范圍之內(nèi)是顯而易見(jiàn)的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種方法，所述方法包括: 生成待使用注射模塑工藝制造的工件的第一電子模型； 分析所述第一電子模型，并且根據(jù)所述分析扭曲在所述第一電子模型中的所述工件； 生成扭曲工件的第二電子模型； 使用利用所述第二電子模型生成的模具注射模塑所述工件；以及 冷卻所述工件，使得所述注射模塑工件逐漸呈現(xiàn)基本上所述工件在所述第一電子模型中的所述形狀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分析包括計(jì)算由于在所述第一模型中所述工件的外表面與內(nèi)表面之間的差異收縮造成的內(nèi)應(yīng)力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分析包括在所述工件的所述第一電子模型上進(jìn)行有限元分析(FEA)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括用非零脫模斜度角度配置所述模具。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括用樣條表面配置所述模具，所述樣條表面不同于在所述冷卻的注射模塑工件上的對(duì)應(yīng)樣條表面。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述注射模塑工件在冷卻過(guò)程中逐漸呈現(xiàn)基本上零脫模斜度配置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分析包括預(yù)測(cè)在冷卻過(guò)程中所述注射模塑工件的變形，并且其中所述模具被配置為彌補(bǔ)在冷卻過(guò)程中所述注射模塑工件的所述預(yù)測(cè)變形。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模具包括芯和被配置為與所述芯配合的腔體，并且其中冷卻包括控制所述模具的所述芯與所述腔體之間的溫度差。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中注射模塑生產(chǎn)沒(méi)有證示線(xiàn)的所述注射模塑工件。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生成包括使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件生成所述第一模型和所述第二模型。11.一種注射模塑工件，所述注射模塑工件通過(guò)權(quán)利要求1所述的方法制造。12.—種用于通過(guò)注射模塑工藝制造工件的模具，所述模具通過(guò)以下步驟進(jìn)行配置: 生成待制造的所述工件的第一電子模型； 分析所述第一電子模型，并且根據(jù)所述分析，扭曲在所述第一電子模型中的所述工件； 生成所述扭曲工件的第二電子模型；以及 使用所述第二電子模型生成所述模具，其中所述生成的模具使所述工件能夠被注射模塑，使得當(dāng)注射模塑工件冷卻時(shí)，所述注射模塑工件逐漸呈現(xiàn)基本上所述工件在所述第一電子模型中的所述形狀。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中分析包括計(jì)算由于在所述第一模型中的所述工件的外表面與內(nèi)表面之間的差異收縮造成的內(nèi)應(yīng)力。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中分析包括在所述工件的所述第一電子模型上進(jìn)行有限元分析(FEA)。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中所述模具還配置有非零脫模斜度角度。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中所述模具還配置有樣條表面，所述樣條表面不同于在所述冷卻的注射模塑工件上的對(duì)應(yīng)樣條表面。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中所述模具還被配置為使得所述注射模塑工件在冷卻過(guò)程中逐漸呈現(xiàn)基本上零脫模斜度配置。18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中分析包括預(yù)測(cè)在冷卻過(guò)程中所述注射模塑工件的變形，并且其中所述模具被配置為彌補(bǔ)在冷卻過(guò)程中所述注射模塑工件的所述預(yù)測(cè)變形。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中所述模具包括芯和被配置為與所述芯配合的腔體，并且在所述工件冷卻時(shí)所述模具的所述芯與所述腔體之間的溫度差被維持。20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中所述模具還被配置為生產(chǎn)沒(méi)有證示線(xiàn)的所述注射模塑工件。21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模具，其中至少所述第二模型使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件生成。
【文檔編號(hào)】B29C45/26GK105899344SQ201580004011
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日
【發(fā)明人】W·斯?jié)扇鹈姿? R·G·費(fèi)爾柴爾德, B·S·尼赫
【申請(qǐng)人】西部數(shù)據(jù)技術(shù)公司