塑料微管挤出模具CAD系统开发

李万虎

1 研发背景

随着微/纳米科学技术的蓬勃发展，产品逐渐向微型化、小型化、轻量化方向发展，塑料成型技术也正悄然发生变化，传统的塑料挤出成型技术也正朝着微型化方向发展，出现了塑料微挤出成型技术。成型出的微小截面塑料制品如介入导管、新型塑料光纤、汽车油气路塑料微管等在医学、通讯、汽车等领域应用越来越多，尤其是高技术含量、高附加值的介入疗法用微细导管。介入治疗是一种新兴疗法，在不开刀的情况下，通过皮肤、血管上的微小通道，利用影像设备和医疗器械直接对病处进行局部微创治疗，由于这是一种简便安全、创伤小、副作用小的治疗方法，患者恢复速度快，药物使用量少，故發展迅速。介入医疗器械除导管外还包括导管接头和导丝等，随着介入医疗技术的发展，其需求量越来越大。介入导管是连接人体内外管腔制品的总称，在排液、投药、采血、灌流、辅助导入其他医疗器具和通过感应原件检测生物体状况等方面应用广泛。其具有尺寸微小（外径<2隱、壁厚<0.2隱）、截面形状复杂、几何精度高、卫生指标高、生化稳定性高等特点。受挤出设备、挤出模具和配套生产工艺技术的制约，目前我国医用介入导管主要依赖进口，其价格昂贵，每支从几十至几百或上千美元，严重制约了我国介入医学技术的研究和临床应用。医用导管目前已成为一个高附加值、高技术含量的新兴产业，作为医疗器械的重要组成部分，具有很大的发展潜力。在某种程度上，一个国家医用制品的生产技术、消费水平和产量，反映了该国的科技和经济水平.导管接头的主要作用是辅助导管完成介入治疗过程，其类型丰富，有接头开关、单腔管接头、双腔管接头、螺纹管接头、Y型接头等多种结构形式，每种接头均发挥着其不同的作用，可以满足不同的使用需求，如辅助控制导管的走向、将导管与其他装置相连、保护导管和控制药剂流量等。通过不同导管接头间的配合使用，各类介入医疗器械被整合成一个整体，为治疗过程提供了方便。研发意义聚合物挤出成型中，挤出模具是基础，也是挤出成型的重点和难点，它直接决定了挤出制品的质量和形状。对多腔微管挤出机头来说，合理的流道设计是挤出流动均勻性达到最佳，得到最好质量和形状产品的关键。

目前，国内外微挤出模具设计主要通过理论计算或软件模拟仿真两种途径来完成。模具流变学设计公式一般较为复杂，需要进行大量的计算，设计周期较长，耗费了大量人力物力。软件模拟仿真虽然不用人为进行大量计算，但盲目性较大，为达到最优设计，需要反复对具有不同尺寸参数的机头进行模拟分析。举例来说，如果有四个未知尺寸参数，每个参数取四个水平值，就需要进行4X4X4X4=256次模拟试验，即使采用正交试验方法，选用4因素4水平正交试验表，也需进行至少16次试验，每次试验均需手动进行三维建模和CAE分析，消耗了大量时间。此外，有限元法对使用者的软件使用水平要求较高，使用者需要花费大量的时间进行软件学习，t能保证模拟结果的准确性，所以设计周期仍然较长。

挤出模CAD系统将计算机技术与挤出机头设计方法有机的结合在一起，利用计算机技术实现挤出模设计的参数化和自动化。挤出模CAD系统通过特征建模的方法建立数据模型，方便了数据的直观输入和加工信息的提取，并根据聚合物流变学理论规范了机头结构。同时，挤出模CAD系统也是挤出模柔性制造单元（FMC）的信息源头和基础，为挤出模多品种、小批量的高效率、低成本加工提供了保证。研究的挤出模CAD系统，通过微挤出机头流变学设计理论公式的自动化计算、三维参数化建模和仿真，实现了挤出模从尺寸计算、模拟仿真到零件设计再到工程图出图的一体化设计，可以大幅度缩短设计周期，并有效提高设计精度，具有重要的研究意义和应用价值。介入导管接头可以通过注塑成型来进行量产，随着介入医疗技术的飞速发展，对导管接头尺寸精度和互换性以及卫生质量要求越来越高，本文在导管研究的基础上，对两种类型的微管接头注塑模具进行了研制，搭配挤出模具，形成了较为完整的介入医疗器械生产体系，具有重要的实用意义。

2 挤出成型工艺过程

微管挤出成型的过程是：聚合物从挤出机料筒加入后，在旋转螺杆作用下向前运动，在向前输送过程中，由于螺打？的剪切、挤出机的加热和聚合物颗粒之间的相互摩擦，使塑料塑化格融，之后，流经具有特定截面形状的挤出机头，在冷却定形和牵引装置作用下，成为横截面和挤出机头出口模腔截面形状相似的型材，最后，在切割装置作用下被切断成所需的塑料管材。

3 挤出模具的结构

挤出机头结构通常有直通式和直角式两种，微管，尤其是多腔微管，成型时每个管腔均需要通气，且每个管腔的通气量也需要严格控制，如果使用直通式结构，气道加工十分不便，因此通常采用直角式结构，其结构示意图及各组成零件名称。聚合物溶体通过连接管进入机头，此K域称为入口区域；焰体向前流动，在芯棒尾的作用下转过90°角，我们称此四分之一椭圆弧附近区域为转角区域；溶体继续向前流过机头体与芯棒尾之间的平直流道，称为平直段区域；流过平直段后，到达由托架、口模和芯棒头组成的漏斗形区域，称为ffi缩区；过了压缩区，溶体就来到挤出机头的最后一个区域一定型段区，定型段区由口模和芯棒头的平直部分围成。郑州大学的挤出CAE分析系统Z-Swell，是其Z-Mold软件中的一个模块，运用有限元和有限差分相结合的方法，实现了挤出成型过程中离模膨胀现象的数值模拟。华南理工大学的刘斌等[19]利用UG自顶向下的装配建模技术，以Visual C++为开发语言，构建了一个参数化设计系统，实现了直通式审腔管材挤出机头的参数化设计，通过建立关系型SQL数据库进行机头参数智能选择，并能够自动生成零件三维模型。武汉交通科技大学王仲君，陈定方等用模块化设计思想，利用功能区图形库进行挤出模结构选择和零件设计，搭建了挤出模CAD系统。系统总共包括智能设计、自绘图、参数化绘图、立体图形、流道修整和系统说明等六个模块。整个系统是在AutoCAD基础上 发的。东南大学的郭丽华等]针对单腔直通式介入导管挤出机头，以UGNX 2. 0作为二次开发平台，完成了 CAD系统的开发。该系统实现了与UG系统的无缝集成，具有良好的人机交互性，主要用于完成机头零件的三维设计。武汉交通科技大学王仲君，陈定方等提出一种基于神经网络的挤出模型芯选择方法，并搭建了挤出模CAD系统。该方法减小了经验公式使用过程中人的因素的影响，有效地提高了模具的设计精度，缩短了设计周期。合肥工业大学的朱元吉等开发的塑料异型材挤出模CAD系统Exmold-CAD，主要由五大模块组成：输入程序、图形数据库、设计程序、分析程序和输出程序。该系统是在386微机上 发的，以Turbo Pascal语言作为程序设计语言，由AutoCAD完成图形的绘制，编辑和储存等作业。系统充分模拟了人的设计思维过程，拥有数据查询和计算、图形显示和绘制等功能。昆明大学的陈玲，黄晓燕[24]提出一种 式挤出模通用机头结构，并开发出具有设计柔性的参数化CAD系统。该系统以SolidWorks 2006为平台，利用其提供的API接口及大量OLE对象，山VB语言二次开发完成。系统可以实现产品截面二维图读入、零部件参数化设计和模拟装配等功能。大连理工大学的赵丹阳等总结了各种设计规范和设计经验，在KBE（KnowledgeBased Engineering）技术的基础上，利用VB6. 0对SolikWorks 2000进行二次开发，并以Oracle 8i作为数据库，搭建了基于知识的挤出模CAD系统。合肥工业大学的朱元吉，王晓枫[26]搭建了挤出定型模冷却CAD系统，程序运行结果表明，利用该系统可以精确可靠的进行挤出定型模设计。中科院合肥智能机械研究所的孙战里应用VBA程序设计语言对AutoCAD 2000进行二次 发，并利用FL0W2000软件对设计完成的参数进行校正，搭建了挤出模CAD系统。大连理工大学的赵丹阳等构建了一种基于网络的挤出模CAD系统，在网络数据库技术基础上，建立了挤出模参数化图形库，采用客户/服务器模式，实现了远程数据库操作。武汉交通科技大学的陈定方等对挤出模CAD/CAM系统总体框架和关键技术（如专家系统、高级人机界面、智能化仿真技术、多媒体工作环境、数据库管理技术和可视化技术等）进行了系统阐述，提出了将软件工程思想（并行工程、多轨制分析程序、闭环CAD等）应用于挤出模CAD/CAM系统 发，并搭建了相应的挤出模CAD/CAM系统。