塑料微管擠出模具CAD系統開發

李萬虎

1 研發背景

隨著微/納米科學技術的蓬勃發展，產品逐漸向微型化、小型化、輕量化方向發展，塑料成型技術也正悄然發生變化，傳統的塑料擠出成型技術也正朝著微型化方向發展，出現了塑料微擠出成型技術。成型出的微小截面塑料制品如介入導管、新型塑料光纖、汽車油氣路塑料微管等在醫學、通訊、汽車等領域應用越來越多，尤其是高技術含量、高附加值的介入療法用微細導管。介入治療是一種新興療法，在不開刀的情況下，通過皮膚、血管上的微小通道，利用影像設備和醫療器械直接對病處進行局部微創治療，由于這是一種簡便安全、創傷小、副作用小的治療方法，患者恢復速度快，藥物使用量少，故發展迅速。介入醫療器械除導管外還包括導管接頭和導絲等，隨著介入醫療技術的發展，其需求量越來越大。介入導管是連接人體內外管腔制品的總稱，在排液、投藥、采血、灌流、輔助導入其他醫療器具和通過感應原件檢測生物體狀況等方面應用廣泛。其具有尺寸微小（外徑<2隱、壁厚<0.2隱）、截面形狀復雜、幾何精度高、衛生指標高、生化穩定性高等特點。受擠出設備、擠出模具和配套生產工藝技術的制約，目前我國醫用介入導管主要依賴進口，其價格昂貴，每支從幾十至幾百或上千美元，嚴重制約了我國介入醫學技術的研究和臨床應用。醫用導管目前已成為一個高附加值、高技術含量的新興產業，作為醫療器械的重要組成部分，具有很大的發展潛力。在某種程度上，一個國家醫用制品的生產技術、消費水平和產量，反映了該國的科技和經濟水平.導管接頭的主要作用是輔助導管完成介入治療過程，其類型豐富，有接頭開關、單腔管接頭、雙腔管接頭、螺紋管接頭、Y型接頭等多種結構形式，每種接頭均發揮著其不同的作用，可以滿足不同的使用需求，如輔助控制導管的走向、將導管與其他裝置相連、保護導管和控制藥劑流量等。通過不同導管接頭間的配合使用，各類介入醫療器械被整合成一個整體，為治療過程提供了方便。研發意義聚合物擠出成型中，擠出模具是基礎，也是擠出成型的重點和難點，它直接決定了擠出制品的質量和形狀。對多腔微管擠出機頭來說，合理的流道設計是擠出流動均勻性達到最佳，得到最好質量和形狀產品的關鍵。

目前，國內外微擠出模具設計主要通過理論計算或軟件模擬仿真兩種途徑來完成。模具流變學設計公式一般較為復雜，需要進行大量的計算，設計周期較長，耗費了大量人力物力。軟件模擬仿真雖然不用人為進行大量計算，但盲目性較大，為達到最優設計，需要反復對具有不同尺寸參數的機頭進行模擬分析。舉例來說，如果有四個未知尺寸參數，每個參數取四個水平值，就需要進行4X4X4X4=256次模擬試驗，即使采用正交試驗方法，選用4因素4水平正交試驗表，也需進行至少16次試驗，每次試驗均需手動進行三維建模和CAE分析，消耗了大量時間。此外，有限元法對使用者的軟件使用水平要求較高，使用者需要花費大量的時間進行軟件學習，t能保證模擬結果的準確性，所以設計周期仍然較長。

擠出模CAD系統將計算機技術與擠出機頭設計方法有機的結合在一起，利用計算機技術實現擠出模設計的參數化和自動化。擠出模CAD系統通過特征建模的方法建立數據模型，方便了數據的直觀輸入和加工信息的提取，并根據聚合物流變學理論規范了機頭結構。同時，擠出模CAD系統也是擠出模柔性制造單元（FMC）的信息源頭和基礎，為擠出模多品種、小批量的高效率、低成本加工提供了保證。研究的擠出模CAD系統，通過微擠出機頭流變學設計理論公式的自動化計算、三維參數化建模和仿真，實現了擠出模從尺寸計算、模擬仿真到零件設計再到工程圖出圖的一體化設計，可以大幅度縮短設計周期，并有效提高設計精度，具有重要的研究意義和應用價值。介入導管接頭可以通過注塑成型來進行量產，隨著介入醫療技術的飛速發展，對導管接頭尺寸精度和互換性以及衛生質量要求越來越高，本文在導管研究的基礎上，對兩種類型的微管接頭注塑模具進行了研制，搭配擠出模具，形成了較為完整的介入醫療器械生產體系，具有重要的實用意義。

2 擠出成型工藝過程

微管擠出成型的過程是：聚合物從擠出機料筒加入后，在旋轉螺桿作用下向前運動，在向前輸送過程中，由于螺打？的剪切、擠出機的加熱和聚合物顆粒之間的相互摩擦，使塑料塑化格融，之后，流經具有特定截面形狀的擠出機頭，在冷卻定形和牽引裝置作用下，成為橫截面和擠出機頭出口模腔截面形狀相似的型材，最后，在切割裝置作用下被切斷成所需的塑料管材。

3 擠出模具的結構

擠出機頭結構通常有直通式和直角式兩種，微管，尤其是多腔微管，成型時每個管腔均需要通氣，且每個管腔的通氣量也需要嚴格控制，如果使用直通式結構，氣道加工十分不便，因此通常采用直角式結構，其結構示意圖及各組成零件名稱。聚合物溶體通過連接管進入機頭，此K域稱為入口區域；焰體向前流動，在芯棒尾的作用下轉過90°角，我們稱此四分之一橢圓弧附近區域為轉角區域；溶體繼續向前流過機頭體與芯棒尾之間的平直流道，稱為平直段區域；流過平直段后，到達由托架、口模和芯棒頭組成的漏斗形區域，稱為ffi縮區；過了壓縮區，溶體就來到擠出機頭的最后一個區域一定型段區，定型段區由口模和芯棒頭的平直部分圍成。鄭州大學的擠出CAE分析系統Z-Swell，是其Z-Mold軟件中的一個模塊，運用有限元和有限差分相結合的方法，實現了擠出成型過程中離模膨脹現象的數值模擬。華南理工大學的劉斌等[19]利用UG自頂向下的裝配建模技術，以Visual C++為開發語言，構建了一個參數化設計系統，實現了直通式審腔管材擠出機頭的參數化設計，通過建立關系型SQL數據庫進行機頭參數智能選擇，并能夠自動生成零件三維模型。武漢交通科技大學王仲君，陳定方等用模塊化設計思想，利用功能區圖形庫進行擠出模結構選擇和零件設計，搭建了擠出模CAD系統。系統總共包括智能設計、自繪圖、參數化繪圖、立體圖形、流道修整和系統說明等六個模塊。整個系統是在AutoCAD基礎上 發的。東南大學的郭麗華等]針對單腔直通式介入導管擠出機頭，以UGNX 2. 0作為二次開發平臺，完成了 CAD系統的開發。該系統實現了與UG系統的無縫集成，具有良好的人機交互性，主要用于完成機頭零件的三維設計。武漢交通科技大學王仲君，陳定方等提出一種基于神經網絡的擠出模型芯選擇方法，并搭建了擠出模CAD系統。該方法減小了經驗公式使用過程中人的因素的影響，有效地提高了模具的設計精度，縮短了設計周期。合肥工業大學的朱元吉等開發的塑料異型材擠出模CAD系統Exmold-CAD，主要由五大模塊組成：輸入程序、圖形數據庫、設計程序、分析程序和輸出程序。該系統是在386微機上 發的，以Turbo Pascal語言作為程序設計語言，由AutoCAD完成圖形的繪制，編輯和儲存等作業。系統充分模擬了人的設計思維過程，擁有數據查詢和計算、圖形顯示和繪制等功能。昆明大學的陳玲，黃曉燕[24]提出一種 式擠出模通用機頭結構，并開發出具有設計柔性的參數化CAD系統。該系統以SolidWorks 2006為平臺，利用其提供的API接口及大量OLE對象，山VB語言二次開發完成。系統可以實現產品截面二維圖讀入、零部件參數化設計和模擬裝配等功能。大連理工大學的趙丹陽等總結了各種設計規范和設計經驗，在KBE（KnowledgeBased Engineering）技術的基礎上，利用VB6. 0對SolikWorks 2000進行二次開發，并以Oracle 8i作為數據庫，搭建了基于知識的擠出模CAD系統。合肥工業大學的朱元吉，王曉楓[26]搭建了擠出定型模冷卻CAD系統，程序運行結果表明，利用該系統可以精確可靠的進行擠出定型模設計。中科院合肥智能機械研究所的孫戰里應用VBA程序設計語言對AutoCAD 2000進行二次 發，并利用FL0W2000軟件對設計完成的參數進行校正，搭建了擠出模CAD系統。大連理工大學的趙丹陽等構建了一種基于網絡的擠出模CAD系統，在網絡數據庫技術基礎上，建立了擠出模參數化圖形庫，采用客戶/服務器模式，實現了遠程數據庫操作。武漢交通科技大學的陳定方等對擠出模CAD/CAM系統總體框架和關鍵技術（如專家系統、高級人機界面、智能化仿真技術、多媒體工作環境、數據庫管理技術和可視化技術等）進行了系統闡述，提出了將軟件工程思想（并行工程、多軌制分析程序、閉環CAD等）應用于擠出模CAD/CAM系統 發，并搭建了相應的擠出模CAD/CAM系統。