具有“零脱模斜度”的注射模塑零件的设计与制造方法
【专利摘要】方法可包括生成待使用注射模塑工艺制造的工件的第一电子模型。然后，可以分析第一电子模型，并且然后在第一电子模型中的工件可以根据分析被选择性地扭曲。然后可以生成扭曲工件的第二电子模型。然后，工件可以在使用第二电子模型生成的模具内被注射模塑。此后，工件可以被冷却，使得注射模塑工件逐渐呈现在第一电子模型中的工件的形状或基本上在第一电子模型中的工件的形状。
【专利说明】
具有“零脱模斜度”的注射模塑零件的设计与制造方法
【背景技术】
[0001]注射模塑工艺被广泛地用于生产成本低并且相对较复杂的零件。注射模塑的一个益处是其生产大量相同零件的能力。然而，注射模塑工艺要求工件(零件)的设计遵循非常具体的准则，以便实现无缺陷的可制造性。注射模塑工艺将某些约束施加于制造工艺，诸如均匀的壁厚、圆角、脱模斜度角度等。
【附图说明】
[0002]图1是注射模塑机的框图图示。
[0003]图2是示出示例性工件的成型深度(drawdepth)与脱模斜度角度之间的关系的图不O
[0004]图3是示出零件几何形状随脱模斜度角度和成型深度改变的表。
[0005]图4是示出具有零脱模斜度角度的示例性模具以及具有设计的目标配置的工件的透视图和前视图的图。
[0006]图5是示出根据一个实施例的方法的方面的流程图。
[0007]图6是示出根据一个实施例的具有非零脱模斜度角度和修改的几何形状的示例性模具以及具有在冷却和/或脱模工件后获得的基本上零脱模斜度角度和目标几何形状的工件的透视图和前视图的图。
【具体实施方式】
[0008]具有“零度”脱模斜度角度的注射模塑零件的生产用多个零件(例如，分割)的模具设计是可行的。然而，由此类分割模具设计生产的零件通常将带有从装饰性的观点来看一般不期望的证示线。
[0009]图1是具有注射模塑工具的注射模塑机的框图图示。如图所示，注射模塑机100可包括与注射模塑工具120可操作地联接的注射单元110。在注射模塑工艺中，注射单元110输送原材料(例如，聚合物)到包含模具的注射模塑工具120。将原材料熔融，并且然后通过注射模塑机100注射到模具中。在一些实施例中，注射模塑工具120适配到注射模塑机100的标准化接收器中。以这种方式，各种尺寸和形状的多个零件能够使用一个模塑机100简单地通过交换不同的注射模塑工具120进行模塑。
[0010]注射单元110可以负责既加热原材料又注射原材料到模具中。注射单元110可包括容器，在所述容器中存储原材料并且材料从该容器被馈送到筒体中。筒体包含用于加热材料和注射材料到模具中的机构(例如，推杆注射器、往复螺杆等)O将原材料通过在注射模塑工具120内的模具通道注射到包含在其中的模具中。然后，已经注射到模具内部的熔融原材料在其与模具部件(即，芯和腔体)的表面进行接触时开始冷却。当原材料冷却时，其凝固，有希望地成为期望的工件形状。应当注意的是，注射单元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机100的其它单元中。
[0011 ]在注射模塑工艺期间和在该注射模塑工艺之后，塑料材料随着其冷却而收缩。当其冷却时，塑料材料趋于非常紧密的夹紧模具的芯(阳工具，腔体是阴工具)，常常使得难以或不可以从模具脱模模塑工件。为了正确地从模塑工具释放注射模塑零件，塑料零件最常在模具运动方向上设计有锥度。该锥度在注射模塑零件的工程图纸上通常被称为“脱模斜度”。图2示出了脱模斜度角度对零件几何形状的影响。如所指示的，在工件的侧壁的内部表面和外部表面上的脱模斜度应当相等并平行以维持壁的均匀性(当然，假设期望壁的均匀性)。在本示例中，脱模斜度角度表示模具的芯和腔体的侧壁取向与设计的用于所得注射模塑工件的侧壁的角度之间的差值。在图2中，侧壁已经设置有非零脱模斜度角度，以便于从模具脱模工件。
[0012]—般而言，推荐每侧1/2度的脱模斜度为最小值，其中每侧1.5度至3.5度经常被推荐。图3是示出了推荐的脱模斜度角度相对于成型深度的示例的表。实现在模具中的脱模斜度角度通过引入“锥度效应”改变了注射模塑工件的几何形状。实际上，当脱模斜度工件与设计工件不同时，脱模斜度角度改变零件的几何形状。这在模具成型深度(行进距离)非常长时是尤其扩增的。传统上，给定的脱模斜度角度基于工件的尺寸做到模具中。然后，工件在芯与腔体之间不同的温度差下反复冷却，以实现有希望地接近其设计的目标配置的期望的最终工件的配置。通常，设计的目标配置与实际制造的工件的配置之间的差异通过配合零件的稍作修改来弥补(account for)。
[0013]模塑具有“零脱模斜度”模具的零件的一种方式是提供具有分割腔体的模具。然而，分割腔体模具设计通常更加复杂，并且注射模塑零件将总是带有反映模具分割线的位置的前述可见证示线。从装饰的观点来看，期望生产带有不具有此类证示线的“干净”的外表面的注射模塑工件(零件、部件)。
[0014]本文参照附图描述了注射模塑工艺和设备的实施例。然而，特别的实施例可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或与其它已知的方法、材料和设备结合进行实践。在下面的描述中，阐述了许多具体细节，诸如具体材料、尺寸、工艺参数等，以提供透彻的理解。在其它示例中，公知的制造工艺和装置没有被特别详细描述，以避免不必要地模糊所要求保护的主题。参考整个本说明书的“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书的各个地方的短语“在一个实施例中”的出现不一定指同一实施例。此夕卜，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
[0015]图4是示出了没有脱模斜度角度的示例性模具，以及没有脱模斜度角度的工件设计目的的透视图和前视图的图。在图4中，忽略差异冷却和从模具中拔出工件的潜在困难的影响，所示的模具200具有将生成工件206的零脱模斜度，所述工件是对于工件的设计目的的物理化身。然而，在现实世界中，冷却对工件的注射模塑材料的影响不能被忽略。实际上，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及其腔体204之间的温度设定上的差值产生不同的冷却速率，不同的冷却速率导致整个工件厚度的差异收缩、翘曲和/或几何形状的改变。当工件被冷却和/或从模具200脱模时，工件的较热的表面将比其相对较冷的表面收缩更多。例如，根据工件的刚性，在工件的外表面208和内表面210之间可发生差异收缩。此类差异收缩可以建立内应力，这转而可引起工件206的不期望翘曲。此类差异冷却可不仅引起工件的侧壁朝向彼此不期望地弯曲，而且工件的弯曲部分212的实际形状也不期望地翘曲或以其他方式改变为显著不同于其预期和用于设计的形状的形状。此类零件或工件可能不根据设计进行工作和/或与其它零件紧密配合。
[0016]图5是示出根据一个实施例的方法的方面的流程图。需注意，在块B51-块B55中详述的一些功能可以省略或与块B51-块B55中的其它块组合和/或与在本文未示出的其它功能块组合。如图所示，块B51要求生成待使用注射模塑工艺制造的工件的第一电子模型。例如，第一电子模型可以是待注射模塑的工件的三维(3D)表面计算机辅助设计(CAD)文件。然后，全特征化的3D功能CAD模型可以由在块B51中生成的3D表面CAD文件生成。然后，供应商或其它实体可以执行可制造性设计(DFM)审查，以事实上确定模塑工件是否可以通过注射模塑工艺来制造，并且可在其它问题当中确定适当的一个或多个脱模斜度角度，以易于工件从模具的脱模。然后，来自DFM审查的意见或指示中的一个或多个可以实现，并且可以生成具有零脱模斜度和详图的最终3D CAD模型。在该阶段，既不是脱模斜度角度也不是对于设计目的工件几何形状的任何修改已经实现或考虑。在该阶段生成的详图可以例如对应于在图4中206处所示的零脱模斜度、设计的目标配置。值得注目的是，收缩、翘曲和热诱导的几何变形未加以考虑，并且在详细CAD图中所描绘的工件代表期望的最后产品；S卩，在其最终设计的理想形式中的工件。
[0017]此后，如框B52中所示，可以分析第一电子模型，并且可以根据该分析扭曲在第一电子模型中的工件。该分析可包括预测注射模塑工件的变形，同时冷却模具可以被配置为弥补在冷却过程中注射模塑工件的预测变形。根据一个实施例，例如，此类分析可包括计算由于在第一模型中工件的外表面与内表面之间的差异收缩造成的内应力。例如并且根据一个实施例，可以进行有限元分析(FEA)。此类应力和位移分析考虑了注射模塑材料、工件的壁或其它特征的形状和厚度，以及工件在其已经从模具脱模后的冷却速率。然后，可以生成扭曲工件的第二电子模型，如在B53处所示。根据一个实施例，可以在该阶段确定脱模斜度角度，不仅易于工件从模具脱模，而且基于FEA预测工件的扭曲和翘曲。至少部分地基于FEA和在第一模型中工件的预测扭曲，当工件冷却并呈现其最终形状时，该第二电子模型可以模塑和模拟由所述工件的拉伸/压缩载荷(应力或压力)所引起的变形(应变)的量。诸如工件中的所有或一个或多个部分的几何形状、模腔和芯的温度以及它们之间的温度差的参数可以在该第二电子模型中进行调整，使得模拟生成工件形状，这将引起冷却的和/或脱模的注射模塑工件呈现其设计的目标的零脱模斜度配置。例如该材料的组成也可以改变，以减少当工件冷却时的翘曲。然后，可以根据需要调整所生成的第二电子模型(包括具有非零脱模斜度和/或改变的或扭曲的几何形状(例如，样条)的模具)。然后，第二电子模型可以被发送给将生产扭曲工件的模具(即，腔体和芯两者)构造的供应商。该模具可包括脱模斜度角度和工件的配置和/或几何形状的任何改变，这将使在其中模塑的脱模的工件能够冷却并翘曲、收缩和/或变形为其预期设计的目标配置或可接受地接近于此的配置。如在B54处所示，供应商或其他方然后可使用在注射模塑工艺中利用第二电子模型生成的模具以生成扭曲工件，当在预定的温度差下冷却时，所述扭曲工件将呈现其设计的目标形状或基本上且可接受地接近于此。然后，可以冷却注射模塑工件，如在B55处所示，使得其呈现设计的或目标需求或可接受地接近于此。
[0018]图6是示出根据一个实施例的具有非零脱模斜度角度和修改的几何形状的示例性模具以及具有在冷却脱模的工件后获得的基本上零脱模斜度角度和目标几何形状的工件的透视图和前视图的图。如其中所示，模具的芯602和腔体604可以例如使用FEA和/或其它软件被设计有一个或多个非零脱模斜度角度和/或扭曲的或以其他方式修改的几何形状，使得模塑工件606'在冷却后呈现其目标形状或配置，如在606处所示。模塑工件可具有非零脱模斜度角度，如由其成角度的侧面所示，以及模塑工件的侧面的非平行的外面61(T和内面612'。如图所示，进行FEA，使得所得模具602、604生产工件，所述工件最初从其目标形状或配置扭曲，但在冷却和/或从模具脱模后，呈现其目标形状或在设计公差范围内的形状，如在606处所示。在呈现工件的目标形状或配置中，如在606处所示，当其侧面在图6所示的示例中呈现平行配置(其是工件的目标或期望形状)时，所述工件可以以这样的方式缩小。在其最终配置中，工件的侧面的外面610可以是平行(或可接受地接近于平行)于其内面612。这可需要，例如，在侧面的底部处的弯曲部分614被模塑为具有第一形状、样条或曲率半径，这不同于其目标第二形状、样条或曲率半径，使得第一形状、样条或曲率半径在冷却和/或从模具脱模时变为目标第二形状、样条或曲率半径。
[0019]根据一个实施例，至少一部分冷却工艺可以在模具602、604内进行。实际上，模具的芯602可以被控制为在第一温度Tl下，并且模具的腔体604可以被配置为能够在不同于第一温度Tl的第二温度Τ2下。温度差(Τ2-Τ1)可以被控制，以实现期望的冷却诱导的收缩、翘曲或几何形状变换，使得最后结果是具有设计的用于设计的形状(在工件从模具脱模之前和/或之后)的工件。例如，芯602的温度Tl可以设定在示例性85摄氏度，而腔体604的温度Τ2可以设定在示例性60摄氏度，为25摄氏度的差异。在该示例中，该温度差足以将模塑工件在冷却后从其最初的刚刚模塑扭曲配置变为其最终目标配置。可以根据需要选择其它温度和差异。
[0020]虽然已经描述了本公开的某些实施例，但这些实施例仅通过示例的方式呈现，并非旨在限制本公开的范围。实际上，本文所述的新颖的方法、装置和系统可以以各种其它形式呈现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替代和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖将落入本公开的范围和精神内的此类形式或修改。例如，本领域的技术人员将理解，在各种实施例中，实际的物理和逻辑结构可以不同于附图中所示的那些。根据实施例，可以除去在以上示例中所描述的某些步骤，可以添加其它步骤。而且，以上公开的具体实施例的特征和属性可以以不同的方式组合以形成另外的实施例，所有这些都落入本公开的范围内。虽然本公开提供了某些优选实施例和应用，但对本领域的普通技术人员来说，包括其中不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例的其它实施例也在本公开的范围之内是显而易见的。
【主权项】
1.一种方法，所述方法包括: 生成待使用注射模塑工艺制造的工件的第一电子模型； 分析所述第一电子模型，并且根据所述分析扭曲在所述第一电子模型中的所述工件； 生成扭曲工件的第二电子模型； 使用利用所述第二电子模型生成的模具注射模塑所述工件；以及 冷却所述工件，使得所述注射模塑工件逐渐呈现基本上所述工件在所述第一电子模型中的所述形状。2.根据权利要求1所述的方法，其中分析包括计算由于在所述第一模型中所述工件的外表面与内表面之间的差异收缩造成的内应力。3.根据权利要求1所述的方法，其中分析包括在所述工件的所述第一电子模型上进行有限元分析(FEA)。4.根据权利要求1所述的方法，还包括用非零脱模斜度角度配置所述模具。5.根据权利要求1所述的方法，还包括用样条表面配置所述模具，所述样条表面不同于在所述冷却的注射模塑工件上的对应样条表面。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述注射模塑工件在冷却过程中逐渐呈现基本上零脱模斜度配置。7.根据权利要求1所述的方法，其中分析包括预测在冷却过程中所述注射模塑工件的变形，并且其中所述模具被配置为弥补在冷却过程中所述注射模塑工件的所述预测变形。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具包括芯和被配置为与所述芯配合的腔体，并且其中冷却包括控制所述模具的所述芯与所述腔体之间的温度差。9.根据权利要求1所述的方法，其中注射模塑生产没有证示线的所述注射模塑工件。10.根据权利要求1所述的方法，其中生成包括使用计算机辅助设计(CAD)软件生成所述第一模型和所述第二模型。11.一种注射模塑工件，所述注射模塑工件通过权利要求1所述的方法制造。12.—种用于通过注射模塑工艺制造工件的模具，所述模具通过以下步骤进行配置: 生成待制造的所述工件的第一电子模型； 分析所述第一电子模型，并且根据所述分析，扭曲在所述第一电子模型中的所述工件； 生成所述扭曲工件的第二电子模型；以及 使用所述第二电子模型生成所述模具，其中所述生成的模具使所述工件能够被注射模塑，使得当注射模塑工件冷却时，所述注射模塑工件逐渐呈现基本上所述工件在所述第一电子模型中的所述形状。13.根据权利要求12所述的模具，其中分析包括计算由于在所述第一模型中的所述工件的外表面与内表面之间的差异收缩造成的内应力。14.根据权利要求12所述的模具，其中分析包括在所述工件的所述第一电子模型上进行有限元分析(FEA)。15.根据权利要求12所述的模具，其中所述模具还配置有非零脱模斜度角度。16.根据权利要求12所述的模具，其中所述模具还配置有样条表面，所述样条表面不同于在所述冷却的注射模塑工件上的对应样条表面。17.根据权利要求12所述的模具，其中所述模具还被配置为使得所述注射模塑工件在冷却过程中逐渐呈现基本上零脱模斜度配置。18.根据权利要求12所述的模具，其中分析包括预测在冷却过程中所述注射模塑工件的变形，并且其中所述模具被配置为弥补在冷却过程中所述注射模塑工件的所述预测变形。19.根据权利要求12所述的模具，其中所述模具包括芯和被配置为与所述芯配合的腔体，并且在所述工件冷却时所述模具的所述芯与所述腔体之间的温度差被维持。20.根据权利要求12所述的模具，其中所述模具还被配置为生产没有证示线的所述注射模塑工件。21.根据权利要求12所述的模具，其中至少所述第二模型使用计算机辅助设计(CAD)软件生成。
【文档编号】B29C45/26GK105899344SQ201580004011
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月8日
【发明人】W·斯泽瑞米塔, R·G·费尔柴尔德, B·S·尼赫
【申请人】西部数据技术公司