塑料微管擠出模具CAD系統(tǒng)開發(fā)

李萬虎

1 研發(fā)背景

隨著微/納米科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)品逐漸向微型化、小型化、輕量化方向發(fā)展，塑料成型技術(shù)也正悄然發(fā)生變化，傳統(tǒng)的塑料擠出成型技術(shù)也正朝著微型化方向發(fā)展，出現(xiàn)了塑料微擠出成型技術(shù)。成型出的微小截面塑料制品如介入導(dǎo)管、新型塑料光纖、汽車油氣路塑料微管等在醫(yī)學(xué)、通訊、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，尤其是高技術(shù)含量、高附加值的介入療法用微細(xì)導(dǎo)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(shè)備和醫(yī)療器械直接對病處進(jìn)行局部微創(chuàng)治療，由于這是一種簡便安全、創(chuàng)傷小、副作用小的治療方法，患者恢復(fù)速度快，藥物使用量少，故發(fā)展迅速。介入醫(yī)療器械除導(dǎo)管外還包括導(dǎo)管接頭和導(dǎo)絲等，隨著介入醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，其需求量越來越大。介入導(dǎo)管是連接人體內(nèi)外管腔制品的總稱，在排液、投藥、采血、灌流、輔助導(dǎo)入其他醫(yī)療器具和通過感應(yīng)原件檢測生物體狀況等方面應(yīng)用廣泛。其具有尺寸微?。ㄍ鈴?2隱、壁厚<0.2隱）、截面形狀復(fù)雜、幾何精度高、衛(wèi)生指標(biāo)高、生化穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。受擠出設(shè)備、擠出模具和配套生產(chǎn)工藝技術(shù)的制約，目前我國醫(yī)用介入導(dǎo)管主要依賴進(jìn)口，其價(jià)格昂貴，每支從幾十至幾百或上千美元，嚴(yán)重制約了我國介入醫(yī)學(xué)技術(shù)的研究和臨床應(yīng)用。醫(yī)用導(dǎo)管目前已成為一個(gè)高附加值、高技術(shù)含量的新興產(chǎn)業(yè)，作為醫(yī)療器械的重要組成部分，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谀撤N程度上，一個(gè)國家醫(yī)用制品的生產(chǎn)技術(shù)、消費(fèi)水平和產(chǎn)量，反映了該國的科技和經(jīng)濟(jì)水平.導(dǎo)管接頭的主要作用是輔助導(dǎo)管完成介入治療過程，其類型豐富，有接頭開關(guān)、單腔管接頭、雙腔管接頭、螺紋管接頭、Y型接頭等多種結(jié)構(gòu)形式，每種接頭均發(fā)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(dǎo)管的走向、將導(dǎo)管與其他裝置相連、保護(hù)導(dǎo)管和控制藥劑流量等。通過不同導(dǎo)管接頭間的配合使用，各類介入醫(yī)療器械被整合成一個(gè)整體，為治療過程提供了方便。研發(fā)意義聚合物擠出成型中，擠出模具是基礎(chǔ)，也是擠出成型的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它直接決定了擠出制品的質(zhì)量和形狀。對多腔微管擠出機(jī)頭來說，合理的流道設(shè)計(jì)是擠出流動均勻性達(dá)到最佳，得到最好質(zhì)量和形狀產(chǎn)品的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外微擠出模具設(shè)計(jì)主要通過理論計(jì)算或軟件模擬仿真兩種途徑來完成。模具流變學(xué)設(shè)計(jì)公式一般較為復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的計(jì)算，設(shè)計(jì)周期較長，耗費(fèi)了大量人力物力。軟件模擬仿真雖然不用人為進(jìn)行大量計(jì)算，但盲目性較大，為達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，需要反復(fù)對具有不同尺寸參數(shù)的機(jī)頭進(jìn)行模擬分析。舉例來說，如果有四個(gè)未知尺寸參數(shù)，每個(gè)參數(shù)取四個(gè)水平值，就需要進(jìn)行4X4X4X4=256次模擬試驗(yàn)，即使采用正交試驗(yàn)方法，選用4因素4水平正交試驗(yàn)表，也需進(jìn)行至少16次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均需手動進(jìn)行三維建模和CAE分析，消耗了大量時(shí)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(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行軟件學(xué)習(xí)，t能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以設(shè)計(jì)周期仍然較長。

擠出模CAD系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與擠出機(jī)頭設(shè)計(jì)方法有機(jī)的結(jié)合在一起，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)擠出模設(shè)計(jì)的參數(shù)化和自動化。擠出模CAD系統(tǒng)通過特征建模的方法建立數(shù)據(jù)模型，方便了數(shù)據(jù)的直觀輸入和加工信息的提取，并根據(jù)聚合物流變學(xué)理論規(guī)范了機(jī)頭結(jié)構(gòu)。同時(shí)，擠出模CAD系統(tǒng)也是擠出模柔性制造單元（FMC）的信息源頭和基礎(chǔ)，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(tǒng)，通過微擠出機(jī)頭流變學(xué)設(shè)計(jì)理論公式的自動化計(jì)算、三維參數(shù)化建模和仿真，實(shí)現(xiàn)了擠出模從尺寸計(jì)算、模擬仿真到零件設(shè)計(jì)再到工程圖出圖的一體化設(shè)計(jì)，可以大幅度縮短設(shè)計(jì)周期，并有效提高設(shè)計(jì)精度，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。介入導(dǎo)管接頭可以通過注塑成型來進(jìn)行量產(chǎn)，隨著介入醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展，對導(dǎo)管接頭尺寸精度和互換性以及衛(wèi)生質(zhì)量要求越來越高，本文在導(dǎo)管研究的基礎(chǔ)上，對兩種類型的微管接頭注塑模具進(jìn)行了研制，搭配擠出模具，形成了較為完整的介入醫(yī)療器械生產(chǎn)體系，具有重要的實(shí)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(jī)料筒加入后，在旋轉(zhuǎn)螺桿作用下向前運(yùn)動，在向前輸送過程中，由于螺打？的剪切、擠出機(jī)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(jīng)具有特定截面形狀的擠出機(jī)頭，在冷卻定形和牽引裝置作用下，成為橫截面和擠出機(jī)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(jié)構(gòu)

擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)通常有直通式和直角式兩種，微管，尤其是多腔微管，成型時(shí)每個(gè)管腔均需要通氣，且每個(gè)管腔的通氣量也需要嚴(yán)格控制，如果使用直通式結(jié)構(gòu)，氣道加工十分不便，因此通常采用直角式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖及各組成零件名稱。聚合物溶體通過連接管進(jìn)入機(jī)頭，此K域稱為入口區(qū)域；焰體向前流動，在芯棒尾的作用下轉(zhuǎn)過90°角，我們稱此四分之一橢圓弧附近區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)角區(qū)域；溶體繼續(xù)向前流過機(jī)頭體與芯棒尾之間的平直流道，稱為平直段區(qū)域；流過平直段后，到達(dá)由托架、口模和芯棒頭組成的漏斗形區(qū)域，稱為ffi縮區(qū)；過了壓縮區(qū)，溶體就來到擠出機(jī)頭的最后一個(gè)區(qū)域一定型段區(qū)，定型段區(qū)由口模和芯棒頭的平直部分圍成。鄭州大學(xué)的擠出CAE分析系統(tǒng)Z-Swell，是其Z-Mold軟件中的一個(gè)模塊，運(yùn)用有限元和有限差分相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了擠出成型過程中離模膨脹現(xiàn)象的數(shù)值模擬。華南理工大學(xué)的劉斌等[19]利用UG自頂向下的裝配建模技術(shù)，以Visual C++為開發(fā)語言，構(gòu)建了一個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直通式審腔管材擠出機(jī)頭的參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過建立關(guān)系型SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行機(jī)頭參數(shù)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(xué)王仲君，陳定方等用模塊化設(shè)計(jì)思想，利用功能區(qū)圖形庫進(jìn)行擠出模結(jié)構(gòu)選擇和零件設(shè)計(jì)，搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。系統(tǒng)總共包括智能設(shè)計(jì)、自繪圖、參數(shù)化繪圖、立體圖形、流道修整和系統(tǒng)說明等六個(gè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)是在AutoCAD基礎(chǔ)上 發(fā)的。東南大學(xué)的郭麗華等]針對單腔直通式介入導(dǎo)管擠出機(jī)頭，以UGNX 2. 0作為二次開發(fā)平臺，完成了 CAD系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與UG系統(tǒng)的無縫集成，具有良好的人機(jī)交互性，主要用于完成機(jī)頭零件的三維設(shè)計(jì)。武漢交通科技大學(xué)王仲君，陳定方等提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擠出模型芯選擇方法，并搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。該方法減小了經(jīng)驗(yàn)公式使用過程中人的因素的影響，有效地提高了模具的設(shè)計(jì)精度，縮短了設(shè)計(jì)周期。合肥工業(yè)大學(xué)的朱元吉等開發(fā)的塑料異型材擠出模CAD系統(tǒng)Exmold-CAD，主要由五大模塊組成：輸入程序、圖形數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)程序、分析程序和輸出程序。該系統(tǒng)是在386微機(jī)上 發(fā)的，以Turbo Pascal語言作為程序設(shè)計(jì)語言，由AutoCAD完成圖形的繪制，編輯和儲存等作業(yè)。系統(tǒng)充分模擬了人的設(shè)計(jì)思維過程，擁有數(shù)據(jù)查詢和計(jì)算、圖形顯示和繪制等功能。昆明大學(xué)的陳玲，黃曉燕[24]提出一種 式擠出模通用機(jī)頭結(jié)構(gòu)，并開發(fā)出具有設(shè)計(jì)柔性的參數(shù)化CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(fā)完成。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品截面二維圖讀入、零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)和模擬裝配等功能。大連理工大學(xué)的趙丹陽等總結(jié)了各種設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在KBE（KnowledgeBased Engineering）技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用VB6. 0對SolikWorks 2000進(jìn)行二次開發(fā)，并以O(shè)racle 8i作為數(shù)據(jù)庫，搭建了基于知識的擠出模CAD系統(tǒng)。合肥工業(yè)大學(xué)的朱元吉，王曉楓[26]搭建了擠出定型模冷卻CAD系統(tǒng)，程序運(yùn)行結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以精確可靠的進(jìn)行擠出定型模設(shè)計(jì)。中科院合肥智能機(jī)械研究所的孫戰(zhàn)里應(yīng)用VBA程序設(shè)計(jì)語言對AutoCAD 2000進(jìn)行二次 發(fā)，并利用FL0W2000軟件對設(shè)計(jì)完成的參數(shù)進(jìn)行校正，搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。大連理工大學(xué)的趙丹陽等構(gòu)建了一種基于網(wǎng)絡(luò)的擠出模CAD系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ)上，建立了擠出模參數(shù)化圖形庫，采用客戶/服務(wù)器模式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫操作。武漢交通科技大學(xué)的陳定方等對擠出模CAD/CAM系統(tǒng)總體框架和關(guān)鍵技術(shù)（如專家系統(tǒng)、高級人機(jī)界面、智能化仿真技術(shù)、多媒體工作環(huán)境、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和可視化技術(shù)等）進(jìn)行了系統(tǒng)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(huán)CAD等）應(yīng)用于擠出模CAD/CAM系統(tǒng) 發(fā)，并搭建了相應(yīng)的擠出模CAD/CAM系統(tǒng)。