基于Pro/E Mechanica的塑料包装容器优化设计①

摘要:应用pro/EINGINEER建立塑料包装容器的三维参数化模型,运用Pro/e mechanic结构分析功能模块对容器进行仿真模拟,通过分析容器在适当的约束和载荷下的变形,给出结构优化设计方案,实现塑料包装容器的减量化。

关键词:塑料包装容器Pro/e mechanic优化设计减量化

中图分类号:TB3文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)09(c)-0112-01

塑料容器具有质量轻、易成型、耐腐蚀、不易碎、不生锈、材料价格低、品种齐全的特点,因此是包装容器中发展和应用速度最快的一类,据报道,目前中国的塑料瓶产量在300万吨以上。其中1996年PET瓶的产量为30亿只,2009年已经超过了250亿只,年平均增长在20%以上,是塑料包装材料增长幅度最大的品种[1]。但是,与目前PET饮料瓶的高消费量而言,其再生利用率并不高,造成资源浪费和环境污染。

随着国家发展低碳经济,对环境保护认识的逐步深入,绿色包装的3R原则(Reduce减量包装、Reuse重复使用、Recycle回收利用)理念被众多PET瓶生产企业及使用企业接受,饮料瓶特别是PET瓶的轻量化,减少PET材料的使用量,已成为包装行业目前最盛行的趋势之一。PET瓶的包装轻量化是在满足保护商品基本功能的前提下,通过分析产品环境,进行巧妙的结构设计,减少原材料的使用量,提高原材料的使用效率,满足包装生命周期评价标准[2]。

1塑料容器结构设计要素分析

塑料容器的结构设计应在满足使用要求的前提下,尽可能做到简化模具结构,符合成型工艺特点[3]。因此在结构设计时应充分发挥其性能上的优点,避免或补偿其缺点。塑料容器最常见的外形有圆柱形、球型、椭圆形、双曲圆筒形等回转体型,从使用角度来看,它们各自有其优缺点。圆柱形容器成本低,适于旋转印刷,但瓶体易产生缺陷;球型容器成型容易,受力均匀,外形美观,且面积容积比最小,但在倾倒内状物及放置稳定性方面有明显的缺陷,故实用性差;椭圆形容器外观尺寸形象佳,但成型时瓶体壁厚不宜控制,难以保证均匀性;双曲圆筒形执握方便,外形美,但同样成型稍难,故经济性差。

PET饮料瓶要求美观、轻便、牢固,结构设计要解决产品的刚度与外形的关系,因此重点考虑印刷表面、边缘和抹角、瓶口、底部的设计优化。饮料瓶多为吹塑成型,型坯吹胀时首先接触的部位先行硬化,壁厚较大,而边缘与转角部位是型坯吹胀最后接触的部位,壁厚较小。因此容器的边缘和转角部位应设计成圆角,即瓶身与瓶颈(肩)连接处、瓶底与瓶身连接处都应采用较大的弯曲半径。容器外形尽可能接近于椭圆形或圆形,这样便能以较少的材料吹制出容量最大的容器。另外在瓶身上增加一些花纹或波纹,不仅增加容器的刚度,也可增加瓶型的美感。容器的底部是容器力学性能的薄弱部位,为便于容器的堆放,增加容器的堆码稳定性,容器的底部一般设计成内凹形;与容器口配合使用的塑料件主要为盖和密封器,容器口的设计应重点考虑如何使容器口能更好地与盖和密封器配合。而瓶盖的外部边缘一般设计成凹凸不平,是为增加拧瓶盖时的摩擦力。

2PET瓶的优化设计

在外界和内部压强的加载作用下,可以看出,PET瓶会发生变形、位移、应变等变化,且各个部分所受应力和形变并不相同,在设计瓶体结构时应注意考虑以下问题。

(1)塑料容器应具有一定的厚度以保证必要的力学强度。若厚度过大,既浪费材料,增加成本,又延长了模塑时间。容器最小厚度应满足对容器刚度和强度的要求,能耐受脱模机构引起的振动冲击,能承受装配时的紧固力。同一塑料容器各部分壁厚应尽量均匀,不要出现过厚或过薄的现象,尤其角隅处厚薄不应相差很大,尽量采用圆角过渡,否则由于收缩不均匀,造成应力集中而出现裂纹和变形等缺陷。如果塑料结构必须有厚度不均匀时,应采取平缓过渡以避免突变。

(2)如容器高度较长,为减少容器壁厚,可在容器中部表面增加周向凹槽或凸筋,以提高容器的刚度和耐弯曲性。在容器纵向设计一些凹槽或加强筋,可消除容器在长期负荷下的偏移、下垂或变形现象。

(3)瓶肩处形状应近似流线型的圆锥形,以具备良好的缓冲作用,将所受载荷压力均匀地分布到瓶身各处。

由于不同类型的饮料对容器强度的要求有差异,如碳酸饮料瓶子的内部有很大的压力,因此瓶颈和瓶底要设计地更厚些,以承受灌装过程以及碳酸饮料本身带来的内部压力。而非碳酸饮料由于内部不会产生气压,瓶颈和瓶底的厚度容易降低,实现轻量化。

3结语

在全球资源日趋紧张、环境保护日益受到人们普遍重视的今天,商品包装减量化问题已经倍受关注和提倡。在满足容器强度的条件下,合理设计容器各处结构及壁厚,优化瓶型,得到功用与外观并存的完美的包装设计,实现塑料容器的轻量化。

参考文献

[1]刘铁峰.我国PET瓶的现状及发展趋势[J].塑料包装,2010,20(3):19～20.

[2]蔡明池,张春林.塑料包装行业2008年简况及2009年行业发展的几点建议[J].塑料包装,2009,19(2):9～13.

[3]金国斌.塑料包装容器设计[M].北京:化学工业出版社,2003.