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吹瓶设计

在保证产品质量、提供最佳产品价值的同时,包装工业同其他工业一样也必须争取提高生产效率。
在不损失市场需要的情况下,减少包装成本的一个有效途径是使用吹塑成型加工方法生产包装容器,因为树脂用量是成本中最重要的因素。这样,减少容器材料的质量就减少了成本。为了满足包装需要而又能达到制造中的效率,要综合考虑容器质量和加工机器的生产效率。为了生产一个具有功能性的低成本、高效率的制品,要充分考虑到设计、美学、消费者的运输、加工过程和容器性能等各方面的因素。
4.1 吹塑成型加工的基本形状
吹塑成型加工中最佳容器的设计需要考虑三种基本形状。
圆管  用封闭底部的试管状型坯注塑吹塑(图4.1)。
牙膏形管  挤出吹塑成型的型坯下落到型腔内并用瓶颈中心定位,设想瓶子底部是椭圆形,顶部是圆形的形状(图4.2)。
平枕形   挤出吹塑成型的型坯落在瓶颈外部(图4.3)。
4.2 型坯吹胀的简单假设(实际机理更复杂)
假设型坯横断面形状膨胀,但是在接触到模具内表面以前,它应保持壁厚相对一致的均匀变薄。
假设型坯的厚度在一接触到模具内表面就迅速冻结,仍在空间的型坯继续保持匀速变薄直到全部接触模具内表面为止。 
4.3 吹瓶设计基本原理
高密度聚乙烯的挤出吹塑成型有四个基本原则(这些原则对其他树脂及注塑成型吹塑稍有不同)。
(1)型坯直径对瓶子的最小直径的吹胀比不应超过4:1,如图4.4所示。这个规则也适用于断面带有手柄的瓶子。吹胀比越低,壁厚就越均匀一致。用高吹胀比吹塑厚瓶底的瓶子时将会使瓶重增加、冷却时间增长,而制品几乎没有强度。
(2)所有表面是弧面、斜面和锥面(图4.5)。虽然弧面、斜面和锥面可以呈现方形的效果,但应避免带有尖锐转角的方形和平面,如图4.6所示。因为薄壁处强度低,壁厚变化显著,而平面处厚且易变形。厚壁处的变形是由于冷却效果差和收缩不均引起的。图4.7显示了改进容器底部的形状,从图中可见平面也几乎没有负载上部的载物强度。图4.8显示的是使用瓶肩和颈环的实例。
(3)尖角处可以出现截留气体的现象。它是由模具表面和塑料之间挤压而瞬时汇集成的,它能使拐角处的塑料变得非常薄,并引起冲击性能下降。
(4)时刻要避免断面和外形的突然变化。
4.3.1 加强筋并不总是增强
型坯覆盖的表面积愈多,壁厚就愈薄。水平筋易产生波纹或折叠,使制品较易弯曲。如果设计者希望制品弯曲,使用这种设计很有效。然而,如果需要刚性,就应避免使用这种设计。分析这种结构,如果弯曲产生了,应注意到弯曲处就会出现铰链点。为了阻止铰链效应,可设法改变设计,图4.9显示了水平筋和竖式筋的设计情况。
作为一般原则,使用圆形容器可以改善圆周的刚性,但要注意断面不能产生如前面所述的折皱现象。方形容器也会使刚性减小,它能减少顶部负载强度,也减少耐膨胀性。图4.10显示了拱形凹陷的情况。
4.3.2 横截面
确定的合模线必须使制品有一个可以接受的吹胀比,而且还使型腔的几何形状不出现“过方”的现象(断面深度比宽度长),如图4.11所示。缺陷经常出现在手柄上,有时在雕刻的字体上出现(图4.12)。
4.3.3 瓶颈、螺纹和开口
吹塑成型过程一般是利用瓶口和气针配合,将压缩空气吹入型坯中,这样可以在瓶子或容器上产生一个自然的开口。但这种吹入压缩空气的方法也有例外(以后讨论)。在瓶颈处,厚度控制要比制品上其他部位更严格,因为气针和瓶颈的型腔尺寸必须要精确配合。实际上可以把这部分区域看作是压制成型。当然容器灌装入物体后进行储存或运输时,必须使用一些堵塞物或瓶盖来封住开口。因为多数吹塑成型容器都作为包装容器使用,所以设计的螺纹瓶口应是标准螺纹口以便使之能选用封盖封住。推荐使用的尺寸标准已经由塑料工业协会里的塑料瓶分会建立,实例如图4.13所示。图中呈现了L和M两种形状的瓶颈螺纹。L形类似于常用的玻璃瓶,而M形则是典型的塑料容器。完整的形状系列可以在塑料瓶协会中查到。见美国塑料工业学会颁布的表4.1。
为封盖或喷淋附件设计其他的瓶颈开口的典型结构设计类型如图4.13和图4.14所示。
4.4 容器的容积
传统的牛奶容器被充灌得很满,顾客希望他们今天使用的塑料容器也以相同的方式充灌。为了最大限度地降低成本,牛奶工需要的容器不能比规定容器的容积大,因为比额定多的牛奶充灌到容器中将会大大降低利润。为了达到降低成本的目的,塑料牛奶容器的总容积必须仔细调整一致,把容器的容积调整到精确的控制状态。这部分的目的是讨论:第一,怎样测量牛奶容器的容积以及模具制造者怎样校正模具;第二,找出容积测量误差的来源;第三,找出能容易改变容器容积的成型条件。
4.4.1 容器容积的测量
1加仑(3785.4cm3)容积不等于3785.4g的水或3901g的牛奶,这个容量并不因温度的升高或降低而改变。而水、牛奶和果汁这样的产品体积的胀大或缩小是随温度而改变的,例如水在4°C时密度最大,在低于或高于此温度时水都膨胀。3785.4 cm3水在4°C时的水要比3785.4 cm3的水在20°C时的水重。换句话说,在20°C下测量3785.4 cm3的水比冷却到时的水4°C3785.4 cm3的水少大约0.0073925L。然而,在保持精确的条件下,质量也可以用来确定容器的容积,3785.4 cm3的蒸馏水在4°C重3781.082g。
在机器生产线运行期间,要取出容器样品做容积检测时,应进行充分的努力,以使生产条件重复稳定。被测量的容器一般是“新鲜的”,即测量刚生产出来平均为1.5h时的容器。容器的充灌时期是很重要的,因为模塑后的高密度聚乙烯在一段时间内会继续收缩。假定容器在室温下储存,控制其收缩速率,当容器充灌冷的牛奶并且储存在较低温度的地方时,因为保持了容器要求的原形可使容器的收缩速率达到零的理想状态。实际上,不管它是何种尺寸,在那时对充灌的影响都是稳定的。下面的程序常常用来测充灌时期对生产线上的样品容器的平均影响。
1) 从每种型腔中拿出5个样品,称重、分组;
2) 将每种型腔的第一个样品迅速地灌入4°C的蒸馏水,充满容器的边缘,记录空容器质量和装入水后的容器质量;
3) 检测每个型腔的第二个试样,然后,第三个,第四个,直到测量完所有的容器;
4) 为了减少水从一个容器传到另一个容器时水而产生微热的误差,在整组样品测量中途需要用另一个水瓶来置换;
5) 计算出每一种型腔的水的平均净重然后与标准进行比较。
4.4.2 标 准
为了比较指定的容器嵌件的依赖性,可以使用两个充满物体之一的充灌质量标准,比标准依据下面来确定(图4.15)。
3781g   3785.4 cm34°C蒸馏水充灌到离容器顶部12.7mm位置的质量。
15g     加到容器顶部剩余空间的质量。
9g      保险系数附加的质量。
3805g   充满的质量标准Ⅰ
3805g的标准可以在下面3种条件下使用:第一,当测量容器“稳定”时(最短时间为48h),不带容积控制嵌件或带齐平容积控制嵌件;第二,当测量容器“新鲜”时(最长时间为1/2h),并带有标准的凹入容积嵌件;第三,当测量的容器为“新鲜”或将要使用“新鲜”容器时,不带容积控制嵌件。
第二个标准是3805g加上60g,适用于两个凹入的容积控制嵌件。设计容积控制嵌件是为了显示出在“新鲜”和“稳定”的容器之间收缩的差别(见Dow化学公司图表)。
51.8g   2个代替水的嵌件重量。
8.2g    保险系数附加的质量。
60.0g   两个嵌件的质量标准。
3805.0g  充满的质量标准Ⅰ。
3865.0g  充满的质量标准Ⅱ
当测量的容器为“新鲜”的容器时,用平齐容积控制嵌件或不用容积控制嵌件测量,并且指定使用“稳定”时,使用3865g标准。这个标准是最常使用的一种,因为大多数模具配有容积控制嵌件,通常测量容器为“新鲜”的用平齐嵌件。
1892.7 cm3牛奶容器的标准如下。
1891g   1892.7 cm34°C蒸馏水的质量去充灌到离容器顶部12.7mm位置。
15g     加到顶部空间的质量。
9g      保险系数附加的质量。
1915g   充满的质量标准Ⅰ
24g     用2个容积控制嵌件代替水的重量。
4g      保险系数附加的质量。
1943g   充满的质量标准Ⅱ
和3785.4 cm3的标准一样,这些1892.7 cm3标准同样可以以相同的方式在相同的条件下使用。
4.4.3 生产线上模具容积的调整
在测量的容器和标准之间,立方体积的差可改变容器底部分型的高度,材料从模具中移出将使容器轻微缩短。
例如,假定测量的容器体积是相当于4°C时3965g的水,容器有平齐的容积控制嵌件并且在半小时后进行测量。标准样瓶是3865g,因而必须减去100g,这相当于100.07cm3。容器底部分型的面积是221.68 cm3,用下面公式计算。
容积(g)×换算系数=减去底部分型的高度
底部分型的尺寸=4.52mm(从高度上减去)
4.4.4 容积校正中的误差
5种误差中,2种是人为的,3种是无意的,都会累积附加到缓冲垫上及累积附加到机器生产线模具的容积校正上。
(1)9g水的允许偏差被加到容器的基本标准上。
(2)对1加仑容积控制嵌件来说,把8.2Gi水的允许偏差加到基本标准上。
(3)容积控制嵌件的尺寸近似地相当于在放置几分钟的容器和放置几天的容器之间发生的收缩 量。当测量的容器是“新鲜”和“平齐”时,一些嵌件上的收缩因数已经产生,这个疏忽也会使容器增加少量体积。
(4)所有的测量都要用水,因为牛奶较重,但更重要的是在充灌阀上牛奶的质量将引起容器胀大一些,这个疏忽也会使容器增加少量体积。
(5)如果不立即测量,流体的质量使塑料材料爱到拉伸也会使容器轻微“鼓胀”,这个疏忽也让容器增加少量体积。
这5个误差近似地把增加了19.5mm到0.03L的额外容积加到了用平齐控制测量的1加仑“新鲜”容器中,在其他条件下或为其他情况设计的测量容器将有极小的误差。
图I显示了从0.0148L到0.0443L顶部空间容积的充灌水平位置
4.4.5 牛奶包装容器模具的容积校正
对于不是充灌生产线上的部分牛奶模具,不使用抽样检查的工序,面是用模具开腔的实际容积测量。。正如容器容积的测量情况一样,为了比较,模具容积测量需用丙个标准之一。怎样使用模具以及是否有容积控制嵌件是要考虑的因素。
根据实际的容器容积测量得出的这些标准,近似地反映了典型容器的质量、收缩和生产条件,一般来说这些标准没有实际容积测量的精确。
4.4.6 生 产 条 件
容积误差或缓冲是作为保险系数防止生产条件在最后装置定位的变化 面留在模具上的。让生产线上的模具工人做的和实际的生产条件完全一样,实际上是不可能的。条件的改变可以很容易地增加或减少容器的容积,第二个容积误差修正必须是在所有的生产条件被稳定之后和牛奶场已适应于设备的情况下进行。由于有了缓冲,通常能迅速地做出修正。多余的体积能从模具底部分型线上除去,如果最初模具估计的尺寸正好,那么第二种调整有时需要用填隙片来调整增大的容积。这些模具增加一个填隙片会使成本增加很多。图4.16显示了一种“在生产模具中”调整容积的简单方法。生产短的(不够尺寸)容器有被重量和检验部门查出的风险。刚开始的牛奶生产线不存在这个问题。
6种能改变容器容积的因素(见Dow Chemical Operators Guide):
(1) 容器质量;
(2) 生产周期;
(3) 吹塑气压;
(4) 熔融温度
(5) 储存温度;
(6) 模具温度。
道 化学公司 的图表显示了这些因素及标准的测试条件。
当用图表显示条件变化时,能对容器的容积有戏剧性的影响。例如,假定牛奶场或模具制造商打算用70g原料成型容器,生产瓶子的周期为8s,储存在不加热的仓库中;进一步假设,冬天,在接近5℃的仓库中存放近10天,模具是经过这些条件校正过的。后来由于树脂价格增加,容器的原料质量降低到60g,生产需要慢下来,因此生产周期增加到10s,仍是冬天并且容器仍保存10天。用这两个改变条件的容器,通过图表,得知容积大出0.037L。在这些条件下生产延续到大旱天,仓库上面的温度达60℃,10天后,容器的容积大了0.060L。这个例子可能不是从实际出发,然而它显示了改变模塑和储存条件如何使高密度聚乙烯容器的容积发生变化的情况。
其他的两种模塑条件也可改弯容器的容积。然而,经验数据此时不能有效地提供这个理论。因为排气时间太短以至于不允许吹胀的压缩空气压力在开模前全部散逸,内部附加的空气压力能使容器拉长和变形,从而增加了多余的体积。也可以用相同的原理去检查漏泄,高压力也能使容器拉长和变形。
4.4.7 结  论
在牛奶容器中,达到精确的容积目标是很复杂的过程,在此过程必须依靠下面几个因素:
① 鉴别所有影响容积的时间、温度、压力等基本因素;
② 了解容积的定义并且是各种转换因素下或被称为“等同”的因素下,以及不清楚这些因素的意义时不要忘记容积的定义;
③ 控制生产条件恒定,只要生产条件恒定和精确,条件愈严格愈好;
④ 用同样的方法和技术测量容器,只要方法恒定和精确,使用的严格方法无关紧要;
⑤ 采用模具尺寸、容积控制嵌件或改变操作条件等方法校正容积。用上述讨论过的条件设计瓶子的实例如图4.17和图4.18所示。
致谢和注释:
吹瓶的生产设计是以Chris Irwin. Johnson Controls的工作作为基础的。容器的容积部分得到Johnson Controls工程组的进一步改进,并由该公司使用了这个程序。4.4.6部分来源于操作指导(Operators Guide)-HDPE的控制和操作,Dow Chemical, Midland,MI.
注释:瓶颈线索的标准可以从塑料瓶分部,S.P.I. Washington,DC中得到。NEPCO是北方工程和塑料协会的简称。此公司是牛奶工业和塑料奶瓶盖的早期制造公司之一。他们原来的“螺丝口”瓶盖成为了其他公司早期仿造的标准,例如Blackhawk公司。今天有大量的各式各样的螺丝口和搭扣式样瓶盖。本章内容得到Johnson Controls和塑料机械部门的认可。

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