阻鼾器下牙套注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

丁永峰，龍嬋娟

(重慶文理學院 機電工程學院，重慶 402160)

注塑成型(IM)具有成型周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高、較好的機械性能及較低的生產(chǎn)成本[1]等特點，因而在企業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的使用。阻鼾器作為一種用于治療阻塞性睡眠呼吸暫停通氣綜合征(OSAHS)的方法[2]，在醫(yī)療上取得了越來越廣泛的應用。它是一種下顎前移矯治器，主要靠吸附力將上顎牙弓固定下來，用以改善狹窄的上氣道[3]。其臨床操作時間短，制作簡單，患者戴用舒適，在國內(nèi)外已廣泛使用。

阻鼾器作為一種醫(yī)用塑料制件，在生產(chǎn)過程中若出現(xiàn)較大的翹曲變形及收縮等缺陷[4]，會嚴重影響佩戴患者的臨床體驗，降低患者對產(chǎn)品的耐受度。本文以阻鼾器下牙套為例，以有限元模擬軟件MoldFlow為分析平臺，以DOE為主要試驗設計手段，分析熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力等對產(chǎn)品翹曲變形的影響規(guī)律，并得出該條件下的最佳工藝參數(shù)，以達到減少產(chǎn)品缺陷、降低制造成本、提高塑件的質(zhì)量的目的。

1 產(chǎn)品成型分析

1.1 產(chǎn)品結(jié)構及工藝性分析

阻鼾器下牙套產(chǎn)品模型如圖1所示，產(chǎn)品外輪廓尺寸為66.3mm×45.0mm×13.0mm，體積為5.50cm3，最大投影面積約為12.90cm2，塑件最薄處壁厚為1.4mm，最厚處壁厚為6.5mm，分布不均勻，易于因冷卻不當造成產(chǎn)品翹曲變形。作為通用醫(yī)療產(chǎn)品，制品尺寸精度取MT3級，上表面要求光滑，不允許有斑點、熔接痕及成型接縫等特征，以免對患者舌面造成不適[5]，下表面要求無成型缺陷，脫模斜度為30′～1°，擬采用注塑成型工藝，澆口位置擬設置在塑件下表面，分模面為產(chǎn)品最大投影處，脫模方式可采用推桿推出機構。

圖1 阻鼾器下牙套產(chǎn)品模型

1.2 產(chǎn)品材料性能分析

阻鼾器下牙套所用材料為乙烯-醋酸乙烯共聚物，牌號為Evaflex P1407，在常溫下為固態(tài)，具有良好的柔軟性，橡膠般的彈性，良好的防震、緩沖性能。透明性和表面光澤性好、化學穩(wěn)定性良好、抗老化性好、無毒性。為密閉泡孔結(jié)構、不吸水、防潮、耐水性能良好，與填料的摻混性好，著色和成型加工性好，并在一定的溫度下塑形后能保持特定的形狀，特別適合作為牙套材料。

乙烯-醋酸乙烯共聚物基本性能指標為：比熱容Cp2910J/kg·℃，熔體密度ρ10.79g/cm3，固體密度ρ20.93g/cm3，收縮率0.7%～0.9%，熔點160～190℃。

2 創(chuàng)建有限元模型

2.1 網(wǎng)格劃分

將3D數(shù)值模型導出為*.IGES格式，導入至Autodesk Moldflow CAD Doctor中進行前處理，診斷、修復并處理模型在轉(zhuǎn)換過程中的短曲線、碎面、自由邊、自相交環(huán)線、環(huán)路中間隙等缺陷[6]，以提高其在Autodesk Moldflow Insight(AMI)軟件中網(wǎng)格劃分的成功率及匹配率。網(wǎng)格劃分類型采用Fusion網(wǎng)格，平均邊長為1.2mm，網(wǎng)格數(shù)量12248個，節(jié)點數(shù)6126，最大縱橫比9.5，平均縱橫比1.82，網(wǎng)格匹配比81.3%，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

2.2 創(chuàng)建澆注系統(tǒng)

進行澆口位置分析后，分析零件的特點，選擇底部外緣卡扣處為澆口位置，采用點澆口進料，依次創(chuàng)建澆口、分流道、主流道，劃網(wǎng)格，設置注射位置，并進行連通性診斷，完成澆注系統(tǒng)的創(chuàng)建。

2.3 創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)

冷卻對塑件的質(zhì)量影響較大，會使塑件表面產(chǎn)生翹曲，直接影響到塑件的表面質(zhì)量、機械性能以及其他性能。阻鼾器零件形狀相對復雜，采用手工方式進行冷卻系統(tǒng)的構建，通過指定合理的直線及柱體參數(shù)，使冷卻水管盡可能的貼近塑件表面，以達到良好的冷卻效果。設置冷卻液入口位置，冷卻水溫度為25℃，完成下牙套零件有限元分析模型的創(chuàng)建，如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

3 試驗參數(shù)設計

3.1 成型窗口分析

利用成型窗口分析可初步確定最佳工藝參數(shù)設置，得到較合理的注射時間、模具溫度、熔體溫度等的推薦參數(shù)[7]，降低試驗設計的盲目性。根據(jù)運算結(jié)果，分析區(qū)域及質(zhì)量云圖，可知當注塑成型質(zhì)量因子最大(0.8119)時，推薦的成型工藝參數(shù)組合為：熔體溫度171.1℃、模具溫度40℃、注射時間0.2829s。

3.2 試驗參數(shù)設計

在注射成型的過程中，由于模具、材料、設備以及工藝參數(shù)不合理等因素的作用下，會不可避免的造成氣穴、翹曲、體積收縮等嚴重的缺陷，其中，尤以翹曲變形為甚。試驗設計以產(chǎn)品的翹曲變形(W)為目標函數(shù)，以熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力為試驗因素，利用正交試驗進行參數(shù)設計。

依據(jù)前述分析結(jié)果及生產(chǎn)經(jīng)驗，合理確定實驗因素水平，完成5因素4水平L16(45)正交因素水平表的設計，如表1所示。

4 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表1中的試驗參數(shù)，設計正交試驗表，并采用AMI進行16組試驗數(shù)據(jù)模擬，得到如表2所示的正交試驗數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果。

表1 試驗因素水平表

表2 正交試驗數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果

對正交試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，選用極差分析的方法[8]，如表3所示。在表3中，Ki表示在各個因素指標下分析得到的翹曲變形量的總和，ki表示各個因素水平指標下分析得到翹曲變形量總和的平均值，R表示在各個因素下翹曲變形量的極差。 由表3可知，影響產(chǎn)品翹曲變形的各因素主次順序依次為C(注射時間)、D(保壓時間)、E(保壓壓力)、B(模具溫度)、A(熔體溫度)。即注射時間對產(chǎn)品的質(zhì)量影響最為顯著，注射時間應確保制件在注射成型過程中能夠完全充填，而過長的注射時間則會使零件的生產(chǎn)效率降低，嚴重情況下甚至可能造成零件出現(xiàn)溢料現(xiàn)象。隨著注射時間的延長，翹曲變形量呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢，總體為增大趨勢。保壓時間次之，過長的保壓時間會使產(chǎn)品翹曲增大，過短則會使制品收縮率增大。隨著保壓時間的延長，翹曲變形量呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢，總體為降低趨勢。隨著保壓壓力的增大，翹曲變形量呈現(xiàn)降低的趨勢。隨著模具溫度的增大，翹曲變形量呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢，總體為降低趨勢。隨著熔體溫度的增大，翹曲變形量呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢。分析k值，最佳的工藝參數(shù)組合為C2D3E4B3A2，即注射時間0.2s，保壓時間為3s，保壓壓力7MPa，模具溫度35℃，熔體溫度170℃。此組數(shù)據(jù)在正交試驗數(shù)據(jù)中并沒有出現(xiàn)，與其較接近的為第11號試驗，其熔體溫度與保壓時間沒有處在最佳水平，而熔體溫度對試驗結(jié)果的影響也是最小的，表2中第11號試驗也是16組試驗中最好的。按C2D3E4B3A2參數(shù)組合再進行一次試驗，如圖4所示，變形選取所有因素：變形，變形比例因子選取1.0，得到此工藝參數(shù)下產(chǎn)品的翹曲變形量為0.4466mm，驗證了試驗設計的可靠性，并獲得了此工藝條件下的最佳產(chǎn)品質(zhì)量。對零件進行了生產(chǎn)試制，得到了合格的產(chǎn)品樣件，如圖5所示。

表3 極差分析

圖4 最優(yōu)工藝參數(shù)下制件的翹曲變形

圖5 試制產(chǎn)品

5 結(jié)論

(1)利用AMI的成型窗口分析，可有效降低試驗設計的盲目性，提升試驗結(jié)果的可靠性，并為后續(xù)試驗設計提供科學的試驗因素水平。

(2)影響阻鼾器下牙套翹曲變形的各因素主次順序為：注射時間>保壓時間>保壓壓力>模具溫度>熔體溫度。當注射時間0.2s，保壓時間為3s，保壓壓力7MPa，模具溫度35℃，熔體溫度170℃時，最小翹曲變形量為0.4466mm。

(3)根據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行了生產(chǎn)試制，驗證了試驗方案的合理性。