塑料包裝是最常見的包裝形式,具有防潮隔濕,壽命長,可塑性好等優(yōu)點,廣泛應用于食品藥品、電子機械產(chǎn)品和日用商品等包裝。塑料包裝有軟包裝和硬包裝之分。一般將薄膜厚度在0.25 mm以下的片狀塑料包裝定義為軟包裝。硬包裝以容器形式居多。為滿足塑料包裝結構設計既符合產(chǎn)品的功能需求、美學要求、人機工程學要求,又符合塑料結構件的成型工藝要求,需要借助計算機輔助手段進行設計。在設計的同時,使用計算機輔助工程(CAE)進行模擬和優(yōu)化。塑料包裝設計是計算機輔助設計(CAD)與CAE模擬仿真交替進行,不斷重復,直至確定最佳設計方案。
廣泛應用于現(xiàn)代包裝設計的CAD技術,已經(jīng)可以實現(xiàn)對包裝材料緩沖設計,并將設計方案繪制進行三維展示,以及最后的打樣。根據(jù)繪圖環(huán)境的不同分為二維CAD和三維CAD。其中,二維CAD主要進行二維圖形的設計,三維CAD主要進行三維實體造型設計。包裝設計中常用的二維CAD軟件是AutoCAD軟件。1982年,美國Autodesk公司首次推出了AutoCAD軟件。AutoCAD軟件具有開放的體系結構,允許用戶進行修改擴充,已經(jīng)在實際應用領域,開發(fā)出基于AutoCAD的實際應用軟件。常用的三維CAD軟件有Pro/E,SolidWorks等。通常先利用三維CAD軟件進行三維造型設計,再運用其工程制圖模塊導出二維工程圖,然后將其導入專用的二維CAD軟件中進行修改、尺寸標注等二維設計,生成最終的二維圖紙。常用對塑料包裝模具進行有限元分析的軟件是美國Ansys公司開發(fā)的Ansys軟件。Ansys軟件可以進行結構應力分析、成型過程的流體分析以及熱分析等。
1 AutoCAD軟件應用于管式折疊硬質塑料包裝盒的外形設計
對于包裝行業(yè),CAD軟件功能包括盒型庫、繪圖功能、自動標注尺寸、模擬折盒、自動拼版等。在管式折疊硬質塑料包裝盒的設計程序中,盒體采用二維作圖,將平面劃為X軸和Y軸,繪圖設計以坐標軸為準,將盒體不同點之間的線性關系用函數(shù)表示。使用AutoCAD軟件自動篩選,得到盒體成型所需的預折線和作業(yè)線。盒底設計時使用AutoCAD軟件中包含的繪圖命令,根據(jù)尺寸參數(shù)畫出剪裁線的長度和寬度。盒蓋是獨立結構,起密封作用。盒蓋的結構有密封式、抽插式和黏合式。在編程時可采用盒底鏡像編程,盒蓋多余結構根據(jù)尺寸參數(shù)另行編程。然后運行繪圖指令直至運行成功。使用AutoCAD軟件中的接口輸出設計圖樣。將以上設計出的管式折疊硬質塑料包裝系統(tǒng)安裝在Windows XP系統(tǒng)中,程序設計完成后可以進行仿真試驗。使用AutoCAD軟件對管式折疊塑料包裝進行設計,可以提高設計效率,減少生產(chǎn)成本。
2 基于Pro/E軟件的塑料飲料瓶設計
Pro/E軟件由美國參數(shù)化技術公司開發(fā),具有參數(shù)化設計、模塊化、給予特征建模、單一數(shù)據(jù)庫等特點。首先用Pro/E軟件勾勒出飲料瓶輪廓圖形,再對瓶體進行回轉截面設計,確立關鍵參數(shù)進行控制后執(zhí)行旋轉命令,得到瓶體基體三維模型。由于瓶體拐角尖銳,制作過程中會出現(xiàn)裂痕,且不安全,采用Pro/E軟件中倒圓角命令,對尖銳拐角光滑處理。此時,瓶體的基本功能可以滿足。功能設計完成后還要滿足特征設計。為體現(xiàn)瓶內飲料的特性,需要在瓶體上設置特殊圖形。在瓶體軸剖面中設圖案二維造型,再利用投影命令將圖案的輪廓投影到瓶體,輪廓隨瓶體變化呈現(xiàn)出三維曲線,借助曲面混合特征,設計出圖案的三維結構。為使瓶體保持最初的形狀,防止運輸過程中發(fā)生形變損壞,需要一定的結構強度,因此,在瓶底設計星型突狀結構。采用掃描剪切命令,在瓶軸剖面創(chuàng)建掃描軌跡線,截面設計為圓形,截面沿軌跡線運動,在瓶體底部創(chuàng)建內凹圓弧槽,完成星型加強設計。實體特征設計完成后,需要對瓶體薄殼化處理。先進行抽殼處理使得瓶體壁厚均勻,對瓶體進行等厚偏移即可制出所需厚度的瓶體。對于瓶口的設計,由于瓶口是螺紋結構,可以利用Pro/E軟件螺旋掃描功能。確定掃描軌跡、螺距及螺紋截面形狀。由此,使用Pro/E軟件參數(shù)化建模,確定特征命令并輸入?yún)?shù),即可方便地設計出飲料包裝瓶。效果圖能在PDF文件查看,并且可以進行旋轉和平移等操作來優(yōu)化設計流程,很方便地開發(fā)出系列化產(chǎn)品,減少打樣環(huán)節(jié),縮短開發(fā)周期。
3 SolidWorks軟件應用于塑料包裝瓶的造型設計及有限元分析
3.1 塑料包裝瓶的造型設計
SolidWorks軟件是法國達索系統(tǒng)公司旗下的子公司SolidWorks公司開發(fā)的三維CAD軟件,具有零件建模、曲面建模、鈑金設計等模塊。運用SolidWorks軟件可以方便地對塑料包裝瓶進行三維造型和有限元分析。
首先對塑料包裝瓶的結構參數(shù)化,建立特征模型。SolidWorks軟件中零件的參數(shù)化設計可通過內嵌的圖表文件Excel中指定參數(shù)來創(chuàng)建,也可以通過程序的二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化設計。中空塑料瓶幾何形狀相似,大小尺寸不同,輸入?yún)?shù)得到不同尺寸的中空塑料瓶結構, 使結構設計可以重復。系統(tǒng)會在編輯好的驅動函數(shù)調用下,根據(jù)對話框中的參數(shù), 進行自動建模和尺寸控制,并運行宏錄制命令,錄制整個建模過程。
對保存的宏文件進行整理,保留變量聲明、程序入口、程序運行、基準面選擇、圖形插入以及特征創(chuàng)建等代碼,進行錄制整理調試,調用Solidworks軟件中的應用程序接口(API)函數(shù)完善工程圖紙中的信息。建模后,為滿足生產(chǎn)中的不同需求,需要對材質進行質量特性分析。可以使用模型特征樹進行材料選擇,也可加載SolidWorks軟件中的PhotoWorks插件選擇材質。調節(jié)環(huán)境參數(shù)渲染得到很好的展示效果。
SolidWorks軟件可以自動生成所需的包裝容器的三維實體模型,簡化了容器結構設計和圖形繪制,提高了設計效率。
3.2 有限元分析
使用SolidWorks軟件自帶的Simulation插件進行有限元分析,可以自動生成網(wǎng)格,進行跌落試驗、靜應力、密封試驗等分析。碳酸飲料包裝瓶內部有灌裝壓力,需要進行耐內壓強度模擬測試。點擊軟件中的Simulation插件,選取所應用的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)材質,包裝瓶就會被賦予相應材料的特性。設定內邊線固定的瓶體截面,設定所需壓強。采用系統(tǒng)自動加密網(wǎng)格化參數(shù)生成網(wǎng)格,運行測試。例如:苗洪濤等[10]通過使用Simulation插件對碳酸飲料瓶進行有限元分析,確定了瓶底增加的厚度,并對設計內凹瓶底進行結構優(yōu)化。將包裝瓶底部厚度由2 mm改為4 mm,并作凹陷處理的優(yōu)化方案。
通過使用SolidWorks軟件的中空塑料包裝容器耐內壓強度的有限元分析,可以對塑料碳酸飲料瓶、中空塑料包裝容器結構、包裝容器所使用材料的合理性以及容器耐壓載荷進行測試,提高生產(chǎn)效率。
4 基于Ansys軟件的軟塑包裝熱封強度分析
應用于牙膏等的軟管包裝,熱封強度對軟塑包裝材料是重要的性能指標。夏晶晶等[13]使用Ansys軟件中有限元分析方法對軟塑管的熱封溫度、熱封時間和熱封壓力進行分析。將三維模型導入Ansys Workbench軟件進行分析。在進行靜力學仿真分析過程中,分析了內部氣壓、管尾厚度、管尾長度、管身長度以及材料物理性質對熱封口強度的影響。結果表明:材料密度不會導致熱封失效,同時確定了管壁厚度為0.4~0.5 mm、管身長度為65.0~70.0 mm,管尾長度為44.0~54.0mm,滿足軟塑包裝熱封強度的要求。
5 應用于生鮮農(nóng)產(chǎn)品氣調包裝CAD系統(tǒng)
曹菲使用CAD對果蔬的氣調包裝進行研究,建立數(shù)學模型,在果蔬產(chǎn)品呼吸速度模型和塑料薄膜透氣性數(shù)據(jù)庫的基礎上,開發(fā)出果蔬氣調包裝CAD系統(tǒng)。
常見的生鮮產(chǎn)品采用薄膜包裝。根據(jù)食品種類、保藏要求及包裝材料進行恰當選擇,為確保包裝食品保險質量高、營養(yǎng)成分好,可以采用真空包裝或氣調包裝。例如:選用阻隔性能和機械性能良好的聚碳酸亞丙基酯(PPC)/聚乙烯醇(PVA)/PPC復合膜,對冷鮮肉進行真空包裝并貯藏在4 ℃環(huán)境下,冷鮮肉的貨架期可延長至19天,也可以對冷鮮肉進行充氣包裝(O2的體積分數(shù)為50%,CO2的體積分數(shù)為25%,N2的體積分數(shù)為25%),由PPC/PVA/PPC復合膜和聚酰胺(PA)/聚乙烯膜包裝的冷鮮肉貨架期均可達到23天。將非可降解材料PA和低密度聚乙烯(LDPE)制備成LDPE/PA/LDPE復合膜用于新鮮鱸魚的氣調包裝(O2的體積分數(shù)為10%,CO2的體積分數(shù)為60%,N2的體積分數(shù)為30%),貨架期可延長至17天。用PET/乙烯-乙烯醇(EVOH)/LDPE復合膜對切碎的牛肉進行氣調包裝(O2的體積分數(shù)為50%,CO2的體積分數(shù)為30%,N2的體積分數(shù)為20%),貨架期可延長到40天。
果蔬氣調包裝CAD系統(tǒng)確定了在一定溫度條件下,適合于氣調包裝的薄膜材料以及薄膜的面積,薄膜的厚度,氣體平衡時間和構成等。使用者通過CAD軟件流程操作可以快速進行常見果蔬產(chǎn)品的氣調包裝設計。例如:對產(chǎn)于天津市郊的新鮮尖葉菠菜進行包裝,包裝質量為0.23 kg。通過果蔬氣調包裝CAD系統(tǒng)選取了適合的包裝形式。包裝薄膜為聚丙烯薄膜,其厚度為32 μm,氣調的O2透氣系數(shù)為1 452 mL·μm/[m2·h·(0.1 MPa)],CO2透氣系數(shù)為4 098 mL·μm/[m2·h·(0.1 MPa),薄膜尺寸為35 cm×30 cm,薄膜表面積為0.21 m2。