基于CAE的医疗器械底座浇口优化分析_余钰洋.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）基于 的医疗器械底座浇口优化分析余钰洋，朱银锋，周典航，唐欣，詹杰，宋钢，（安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 ；合肥安生托马斯学校，安徽 合肥 ；中国科学院合肥物质研究院，安徽 合肥 ）摘要：医疗器械底座为达到高精密金属丝杆的平行安装要求，同时满足加压驱动模块的紧密配合。建立符合使用要求的医疗器械底座三维模型，通过计算机辅助技术 对浇口位置匹配性进行了分析，设定了种浇口方案，对不同方案进行了注塑模拟分析，对比了种方案的充填时间、熔接线、锁模力和所有效应变形，通过比对这些数据确定了单浇口位于底座中部位置的浇口方案最佳，其中单浇口方案相比较于多浇口方案锁模力由 下降至 ，降低了 ，有效提升了模具的使用寿命。由此得到可行的注塑方案，为生产实践提供了指导，有利于生产效率的提高。关键词：医疗器械底座；计算机辅助技术；注塑浇口；优化分析中图分类号：文献标识码：引言随着国内医疗水平的巨大进步和国家健康政策的实施，同时对国内医疗设备产品的发展起到了重大的影响与促进，也使得国内医疗产品市场成为全球最大的生产与消费市场。医疗器械产品开发同时也是多学科交叉科技产业，集电子、机械、化工、医药、塑料多种行业于一体。医疗器械行业所用的塑料结构产品越来越复杂，类型的增加以及形状结构的配合精度要求的不断提升。医疗器械底座一方面支撑内部的传感器等电子元器件，另一方面与医疗器械的外壳配合，因此形状、外观及质量可靠的塑料外壳十分关键。浇口的数量和位置会对塑件的熔接痕、变形等表面质量有显著影响，同时影响注塑成型周期。本试验以医疗器械底座为实例，利用计算机辅助技术 对的浇口的数量和位置进行优化分析，以填充时间、熔接线、锁模力和所有效应变形为试验指标，得到了可行的注塑方案。注塑物料熔体流道运动模型熔体浇口流道运动的模型方程熔体在不同数量浇口流道中运动注塑成型，其连续运动形式属于连续介质力学的数学模型应用范畴。注塑物料熔体的基本设定为不可压缩的具有黏性的宏观牛顿流体，不同浇口流道的简化连续性运动方程为式（）：（）由于注塑物料熔体有以上不可压缩且具有黏性的牛顿流体设定，在运动过程中不考虑其质量与惯性力，不同浇口流道的压力与黏性力关系简化动量方程为式（）：（）注塑物料熔体中，浇口尺寸以及模具型腔尺寸至毫米量级，连续运动的注塑物料熔体依旧遵循能量守恒定律，在注塑物料熔体为不可压缩的且具有黏性的宏观牛顿流体的设定下的能量守恒方程为式（）（）：（）（）?（）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；安徽省高校自然科学研究重点项目（）。作者简介：余钰洋（），男，安徽六安人，硕士，研究方向：数字化设计与制造。通讯作者：宋钢（），男，安徽蚌埠人，研究员，研究方向：先进反应堆物理设计与分析、中子学实验与辐射安全。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年熔体运动的黏度与温度模型方程注塑物料熔体运动时把运动流体看作是广义的牛顿流体，熔体的运动行为可作为剪切流动，注塑物料熔体其黏度的剪切速率描述模型，从概念清晰，剪切速率准确反映黏度变化角度选用 物理模型：?，（）?（）（）模型表达式中：?为注塑物料熔体的温度与剪切速率；为温度；为零点剪切黏度；为熔体松弛时间；为熔体黏度变化的幂律指数。温度变化对注塑物料熔体的状态下剪切速率有直接影响，选取 模型作为拟合模型，（零点剪切黏度）可描述为以下方程为式（）：（）（）（）模型表达式中：为温度；为压强；为注塑物料熔体玻璃化时的转变温度；，为拟合模型常数。医疗器械底座结构分析及网格划分结构分析图（）为某型号医疗器械底座，图（）为在 中建立的医疗器械底座的三维模型，塑件尺寸为 ，零件较为复杂，但壁厚较为均匀，最大壁厚 ，最小壁厚。（）正面（）背面图医疗器械底座正面与背面网格划分将模型导入 软件后进行网格划分，模型的使用双面层的类型网格类型，设定网格的全局边长为，图为最后选择划分的网格，三角形单元共 个，连接的节点 个，表面积 ，总体积为 。结构的纵向横向的最大最小值分别为 ，平均值为。匹配与匹配达到了，。材料选择及工艺参数确定医疗电子注塑成型的机械结构零件，材料成型后要求具有支撑受力抗扭性能强、耐热性好、抗电磁干扰、表面耐磨硬度高和具有一定程度的耐化学腐蚀等物理特性可以保证注塑零件精度要求以及多环境气候下正常使用。选择医疗器械底座的材料为 公司牌号为 的塑料，在 塑料的基础上加入 的玻璃纤维，提高了耐候性、抗冲击性、耐热性等物理性能。表是本次注塑料的工艺推荐参数。在分析参数设置中，由工艺推荐参数设置为：模具注塑的表温为，物料熔体温为 ，填充到 压力，剩余参数设置为默认。图网格划分结果表 推荐有效工艺参数模具表面温度融化温度开模温度剪切应力峰值 熔体黏度变化热传导率（）熔体浇注的方案设计熔体注塑浇口的位置设计图为熔体浇注时流动阻力与匹配性分析结果以及医疗器械底座中浇口位置匹配情况。（）流动阻力（）浇口匹配性图浇口位置分析结果由于底座较为复杂，与外壳和内部的电子元件配合精度高，在熔体进行浇注时根据工艺的要求，对浇注浇口从不同的数量上以及浇口所对位置的选择直接影响着塑件品质试验的目标为降低快速填充，减少填充不均匀性，减少塑件的变形和表面缩痕，同时减少锁模力。通过分析总结，计划设计三种不同的浇口方案，图为具体的浇注方案。（）单浇口位置位于底座的中部位置（图）；（）双浇口位置位于底座的中部两侧位置（图）；第期余钰洋，等：基于 的医疗器械底座浇口优化分析（）四浇口位置分别位于底座的两侧位置（图）。（）单浇口居中位置（）双浇口对称位置（）四浇口对称位置图浇口位置方案（）单浇口方案（）双浇口方案（）四浇口方案图不同数量浇口的填充时间（）方案（）方案（）方案图不同方案的填充时间熔体注塑浇口的系统设计设计有效优化的多种浇注系统有利于熔体在模具腔室内合理填充，提高能量利用效率。为有利于熔体注入，表为针对于流道尺寸设计的三种方案。多浇口对照方案模流分析熔体填充时间塑件成型前由熔体状从模具腔室进入到填充结束的时长称为充填时间，同时作为重要的塑件成型指标。为了保证制件质量，塑料熔融体必须被确保填充完全。图为三种浇口方案的填充时间对比，由图中分析对比可以得出方案、方案和方案的填充时间分别为 ，和 ，充分说明三种浇口方案的可行性，其中，方案所需时间最短，也就是说方案的填充性最好。塑件熔接线分析塑件成型后会出现不同程度的熔接痕迹，在模流分析中通过观察熔接线体现出来。熔接痕的产生对于塑件的表面质量、物理性能以及耐久性都有着极大的影响，于是尽可能的消除熔接痕。图为三种方案的熔接线。表流道系统参数流道区域位置大小方案方案方案佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年主流道入口直径 长度 拔模角 横向流道直径 竖直流道直径 浇口直径 锁模力锁模力是注塑成型过程的重要参数，会直接影响到塑件成型质量。于是，要求注塑机在注塑时提供给注塑模具的最大锁模力能合适的使模具闭合。图为浇口方案、浇口方案和浇口方案锁模力。从图可以看出，三种方案对照的锁模力分别为 ，。通过对照方案的模流分析可得出，在此次塑件成型中单浇口所需锁模力为最小且最为合理，在注塑过程中相同情况下锁模力如果过大，不仅使注塑机液压等器件处于高载荷的状态下，同时也会大大降低模具的使用寿命。所有效应变形变形会影响塑件的外观、装配质量，因此要求成型后的塑件与设计要求模型保持基本一致性。图为设计方案中的模流分析得出不同浇口数量及位置方案的塑件变形结果。从图可以看出，三种方案的最大变形量分别为 ，和 ，种方案的变形量基本一致。（）单浇口方案（）双浇口方案（）四浇口方案图不同浇口数量方案的锁模力方案对比及试模验证表为不同浇口数量及位置布置的各项参数数据对比。从表可以得出，在设计方案中单浇口且居中位置方案的填充时间最短，熔接线最短，锁模力最小，变形相对较小，同时简单较短的流道能减少原料浪费，故选择方案为最终方案。表三种方案比较方案填充时间熔接线锁模力变形方案 短 方案 长 方案 较长 对综合得到的分析数据结果和优化得到的浇口方案进行开模验证，图为开模试模样品。试模样品满足结构与配合公差要求，可以进行实际量化生产。（）单浇口方案（）双浇口方案（）四浇口方案图不同浇口数量的所有效应变形第期余钰洋，等：基于 的医疗器械底座浇口优化分析图试模样品分析某型号医疗器械底座的结构，通过利用 （计算机辅助技术）对设计的三维结构针对浇口设计的不同方案对关键项目进行模流分析，得到了在充填时间、熔接痕、锁模力和所有效应变形量项目上的关键对比数据，由数据的正交分析确定了单浇口位置位于底座的中部位置的浇口方案最佳，其中单浇口方案锁模力由 下降至 ，降低了 ，有效的改善提升了模具的使用寿命。此次分析试验不仅能够在今后类似要求的模具开发设计上提供有效的参考，减少模具的开发周期提高生产效率，降低试模成本，为精密医疗器械底座的生产开发进行有效的指导。参考文献：孟晓我国医疗器械行业发展概况及发展趋势临床医药文献杂志，（）：张云飞，刘小婷，徐人威，等 透明聚丙烯的研究与进展 合成树脂及塑料，（）：孙世仁 基于 的防水底座注射成型分析 模具制造，（）：赵春元 基于 的烟丝水分仪注塑模具浇口位置优化分析塑料科技，（）：谭安平，幸晋渝，刘克威车用保险杠针阀式浇口顺序进浇数值优化 合成树脂及塑料，（）：韩忠冠，段贤勇基于 的仪表前壳浇口位置优化设计 模具制造，（）：吕焕培，涂晶洁，陈光群，等基于 的 塑料外壳浇注系统优化设计 塑料，（）：魏清兰，林明山基于 技术的笔记本外壳体注塑浇口优化设计长春师范大学学报，（）：钟皓东，邓益民基于 的浇口位置分析对熔接痕的影响轻工机械，（）：俞鹏飞，伍先安，许宇轩，等注塑机锁模力优化研究进展 塑料工业，（）：，（，；，；，）：，：；