Modular design of injection mould
Abstract This work applies modular design concepts to designating beverage-container injection molds. This study aims to develop a method of controlling costs and time in relation to mold development, and also to improve product design. This investigation comprises two parts: functionality coding, and establishing a standard operation procedure,specifically designed for beverage-container injection mold design and manufacturing. First, the injection mold is divided into several modules, each with a specific function.Each module is further divided into several structural units possessing sub-function or sub-sub-function. Next, dimensions and specifications of each unit are standardized and a compatible interface is constructed linking relevant units.This work employs a cup-shaped beverage container to experimentally assess the performance of the modular design approach. The experimental results indicate that the modular design approach to manufacturing injection molds shortens development time by 36% and reduces costs by 19sim;23% compared with the conventional approach. Meanwhile, the information on modularity helps designers in diverse products design. Additionally, the functionality code helps effectively manage and maintain
products and molds.
Keywords ：Beverage container . Injection mold . Modular design . Product family
1 Introduction
Recently, growing market competition and increasingly diverse customer demand has forced competitors to increase the speed at which they deliver new products to the market. However, developing a mold for mass production requires considering numerous factors, including product geometry, dimensions, and accuracy, leading to long product development time. Introducing modular design concepts into product design appears a key mean of facilitating product development, since it increases design flexibility and shortens delivery time [1–4]. Mean-while, a high level of product modularity enhances product innovativeness, flexibility, and customer services [5].
Modularity is to subdivide a complex product into modules that can be independently Created and then are easily used interchangeably [6, 7]. There are three general fields where modularity could be implemented including modularity in design (MID), modularity in use (MIU), and modularity in production (MIP) [8]. MID involves standardizing basic structural units which perform specific functions, thus facilitating flexible assembly of various products [9, 10]. MID can reveal product structure, namely the relationship among different products. Related products are termed product family and include both basic and specific functions. Developing product families offers benefits in terms of multipurpose design and thus reduces production costs [11, 12]. MIU is consumer-driven decomposition of a product with a view to satisfying the ease of use and individually. MIP enables the factory floor to pre combine a large number of components into modules and these modules to be assembled off-line and then brought onto the main assembly line to be incorporated into a small and simple series of tasks.
MID has been broadly applied to numerous areas and has exerted significant effects in terms of cost reduction and design diversity [13, 14]. However, there is limited empirical research that has applied modular design to molds [15–18]. This study thus aims to reduce mold development time by applying modular design and develop a standard operation procedure for designing beverage-container injection molds, which are characterized by scores or even hundreds of components.
2 General procedures of designing injection molds
Basically, an injection mold set consists of two primary components, the female mold and the male mold. The molten plastic enters the cavity through a sprue in the female mold. The sprue directs the molten plastic flowing through runners and entering gates and into the cavity geometry to form the desired part. Sides of the part that appear parallel with the direction of the mold opening are typically angled slightly to ease rejection of the part from the mold. The draft angle required for mold release is primarily dependent on the depth of the cavity and the shrinkage rate of plastic materials. The mold is usually designed so that the molded part reliably remains on the male mold when it opens. Ejector pins or ejector plate is placed in either half of the mold, which pushes the finished molded product or runner system out of a mold. The standard method of cooling is passing a coolant through a series of holes drilled through the mold plates and connected by hoses to form a continuous pathway. The coolant absorbs heat from the mold and keeps the mold at a proper temperature to solidify the plastic at the most efficient rate. To ease maintenance and venting, cavities and cores are divided into pieces, called inserts. By substituting interchangeable inserts, one mold may make several variations of the same part.
General mold design process contains two parts [19]:part design and mold design. The part design process contains five major procedures: defining main pulling direction, defining core and cavity, calculating shrinkage rate, defining draft angle, and then defining parting line.The mold design process mainly includes choosing a mold base, positioning the molded part, designing core and cavity, designing components, designing coolant channels,creating returning pin, adding ejector pin, creating gate and runner, adding locating ring and sprue bushing in sequence.
3 Applying modular design for beverage containers
This study applies modular design to beverage-container injection molds via a five stage process, as follows: (1)product classification and machine specifications, (2)division of injection molds into mod
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注塑模具的模块化设计
摘要：本工作采用模块化设计理念指定饮料容器注塑模具。这项研究目的是建立一个方法控制模具开发的成本和时间，并提高产品设计。这项研究包括两个部分：功能性编码和建立一个标准操作程序，专为饮料容器注塑模具设计与制造。首先，注塑模具分为若干个模块，各有特殊的功能。每个模块又分为几个具有子功能或子功能的子功能结构部件。然后，每个部件的尺寸和方法是标准的，并且兼容接口连接相关部件。这项工作采用杯型饮料容器实验评估性能的模块化设计方法。实验结果表明，模块化的设计方法来制造注塑模具缩短36%开发时间，降低了常用制造19～23%的成本，。同时，基于模块化的帮助信息设计师在设计不同的产品。此外，该功能代码可以有效地管理和维护产品及模具。
关键词：饮料容器 注塑模具 模块化设计 产品系列
1简介
最近，市场竞争的不断加剧，越来越多样化的客户需求已迫使竞争对手增加提供新产品市场的速度。然而，发展进行批量生产模具的问题需要考虑许多因素，包括产品几何形状，尺寸，和准确性，导致长的产品开发时间。引入模块化设计理念融入到产品设计中出现的重要手段促进产品的开发，因为它增加设计的灵活性，缩短了交货时间。平均—同时，高标准的产品模块化增强产品创新性，灵活性，和客户服务。
模块化是一个复杂的产品细分模块可以独立创造，然后是容易互换使用[ 6，7 ]。一般有三种在哪里可以实施包括模块化域模块化设计，模块化(MID)使用(MIU)，和模块化生产(MIP)[ 8 ]。MID涉及基本结构部件，执行特定的功能，从而促进柔性装配各种产品[ 9，10 ]。MID可以发现产品结构，即不同产品之间的关系。相关产品被称为产品系列，包括基本和具体职能。发展系列产品提供产品利益方面的多用途的设计，从而降低生产成本[ 11，12 ]。MIU是消费者驱动的分解—产品位置以期满足易与单独使用。MIU使生产线结合大量组件模块和这些模块离线装配，然后带在主要的生产线将被纳入一个小简单的一系列任务。MIP已被广泛应用于许多领域，产生了重大的影响而言，降低成本设计的多样性[ 13，14 ]。然而，也有有限公司实证研究已经应用模块化设计模具–[ 15 16 ]。因此本研究旨在减少模具开发时采用模块化设计与开发标准操作程序设计的饮料—容器注塑模具，其特点是分数或者甚至数百部件。
2一般程序设计注塑模具
基本上，注射模具由两部分组成，模具的型腔和型芯。熔融塑料通过浇口进入模具的型腔。浇口指进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。两侧的部分出现方向平行的模具开幕典型的角度稍微减轻排斥反应的部分模具。斜度需要脱模主要依赖于型腔的深度和塑料材料的收缩率。模具设计通常是，成型零件可靠仍在公模打开时。顶针或顶出板放置在模具的一半，从而将完成成型产品从模具热流道系统或浇注系统推出。模具冷却方法是使用冷却水管冷却。本冷却剂吸收热量的模具，使模具在适当的温度固化塑料在最有效速度。容易维护和通风，腔和芯分成小块，称为插入。由替代互换插入，一个模具可以使有几个不同的同一部位。
通用模具设计过程分为：零件设计和模具设计。部分的设计过程包含五个主要步骤：确定分型方向，确定核型芯和型腔，计算收缩率，确定拔模角度，然后确定分型线。模具设计过程主要包括选择一个模具制件，成型零件的设计定位，核心和腔设计，组件，设计冷却通道，设计复位杆，推出机构，设计流道，还有定位圈和浇道衬套等。
3采用模块化设计的饮料容器
本研究采用模块化设计，饮料容器注塑模具通过一五个阶段的过程，如下：（1）产品分类和机器的规格（2）注射模具的基本组成（3）划分成多个单独的模块单位分功能，以及之间的关系设计和组装，每个单位，（4）规范结构部件，和（5）编码标准结构部件。这些个别过程如下详细。
图1 一个饮料容器注塑模具的模块化分类
图2 比较传统的和模块化模具开发过程
3.1产品分类与机规格
这一步将所有的饮料容器的基础上其几何形状和尺寸，并选择注射机提供最适合的规格生产。主要包括五个工艺参数，包括注射机的额定塑化量，最大注射量的校核，锁模力的校核，注射压力的校核，模具与注射机安装部分相关尺寸的校核。
3.2注塑模具根据其功能划分模块
这一步将模具设置成若干模块与个别功能。划分原则，包括一般规则、划分规则、适用规则和转换规则。一般规则，模块必须包含饮料容器注塑模具所有功能。在划分规则，每个功能模块必须至少包含一个基本功能，各单位必须履行其自身的具体职能。适用规则，单位履行单一功能的首选。对交换规则，基本单位应该是可互换的模块之间的模具到产品族划分后。
3.3模块划分成多个部件与子功能之间的关系和设计每个部件和组件
图1说明了一个饮料容器r结构模具，包括几个功能模块。该功能—建议个别模块进一步扩展到通过子功能或结构部件。本分模块包括夹持模块，热流道模块，成型模块，喷射模块，和指导模块。该夹持模块功能的精确个人定位部件和模块的注射成型机。热流道组件保持通过加热熔融塑料的流动性。成型模块控制的几何形状和尺寸精度注塑件。喷射模块弹出注塑件从模腔。指导模块的准确定位和公母模具在合模。
图3设计的几何结构部件：a型容器，b型容器
图4冷却系统的设计：a公模冷却装置，b母模冷却装置
3.3.1几何结构元素设计
标准结构元素制成半成品，成品完成几何轮廓，从而大大缩短了模具的制造交货时间。图2说明了比较模块化设计模具开发过程和常规工艺。标准构件的快速生产因为他们是预制成一般的形状和需要最低限度的生产产出成品。
图3显示了几何设计的饮料容器审查本研究。模具插入，最好的记者与产品形状有一个简单的几何形。例如，圆柱体和长方体是杯形和盆式容器，分别。其余的组件模块化促进其有效整合成一套完整的注塑模具在类似的方式堆叠玩积木。
图5喷射器的设计：a空气喷射器,b推板
3.3.2装配设计的结构部件
数以百计的结构要素参与新产品的开发，每个都包含许多尺寸。组装这样一个复杂的系统可能往往失败，因为小错误发生在尺寸。本研究定义方面涉及结构元素相互装配关系作为联盟的尺寸。这些方面是简化到一个防呆效果。程序结构构件组装以下介绍：
（1）方向模块两个装配线是用来单独的模具在四装配模块。第一行是分模线定义的公模和母模模。二线定义边界之间的前方和后方的热流道板。装配的次序依次为公模、母模、前，后的热流道板。
（2）装配方向每个单元隶属于上述四个模块组装组装在一个序列，即，确认注塑件外观尺寸，进一步证实了这一产品的尺寸的模具插入和模具型腔，固定模具插入该夹持模块，确定尺寸的热流道模块使用结构部件模具的型腔，计算精确的尺寸的夹板，并最终选择注塑机规格。装配序列主要遵循产品，模具插入，夹板，及注塑成型机。
3.4标准化的结构部件
至于饮料容器注塑模具结构部件，产品理念的系列产品进一步介绍提高通用性和互换性的各种功能部件。图4说明了一个例子，相互替代的冷却系统。此外，图5显示了各种设计弹射系统用于产品系列。
3.4.1冷却系统设计
冷却系统由2部分：型芯模具冷却部件和型腔模具冷却装置。型芯模具冷却装置包括喷泉，双螺旋，螺旋，和块板类型列降序顺序冷却效率。根据制造成本和冷却效果，双螺旋式排列。对型腔模具冷却装置，它包括多部分，金属块，U型状，和被降低冷却效率序列的线性类型。根据制造成本和冷却效果，块板是优先。
图6代码模块的功能：a结构部件代码，b产品识别码
3.4.2弹射机制设计
饮料容器通常是薄壁和理想的弹射机制是一个空气喷射器，根据需要防止损害注塑件注塑成型材料。如高收缩，弹射板可以选择顺利分离产品及模具。空气喷射器的设计采用了双出风口周围的模具插入，即，一个出口和一个线型出口型。空气中的L -型出口进入模具的边缘插入和分离的注塑件从模具插入。空气中的线型出口注入零件底部弹出从模具型腔。顶针板是把一个成型的部分核心或出一腔模具。它是连接到一个核心，沿着线性移动的主导。
3.5编码标准结构部件
在指定的结构部件的尺寸，本研究介绍了一个编码系统协助管理这些元件。
3.5.1结构部件代码
本研究以三位代码的所有的结构部件（图6）。第一个数字是主要的功能代码，代表产品的几何形状和尺寸，并象征着标准化的结构单位。二位数的子功能的代码，它代表材料，并被广泛应用于材料清单（清单）的结构单位。第三位数代表的特点，每个结构部件，并包括系列产品和尺寸的守则。
3.5.2产品识别码
此代码是专为快速搜索结构部件相互交换产品开发过程。此代码将所有结构部件与制造一个特定的容器，也揭示了信息对模具的几何形状和尺寸，和产品特性，如图6。
图7 标准操作程序开发饮料容器注塑模具
图8 物料杯形模具
4 程序开发容器制品
基于上述模块化设计方法，标准作业程序设计饮料容器注塑模具可以生成。因此，遵循的程序可以很容易地设计模具新产品和确定互换结构单位，可以帮助有效地管理和维护产品和模具。图7显示了标准操作程序饮料容器注塑模具设计。该程序包括九个步骤，说明如下。
步骤1。确认产品规格：为了准确描述的几何形状，尺寸精度，和产品的质量特性，这一步确定了产品的几何特征，诸如宽度，高度，投影面积，和重量。
步骤2。制造设施的分析：基于信息的步骤1，最合适的注塑机是由检查等规格的夹紧力，体积，各种模具厚度，和日光。
步骤3。模块化的注塑模具设计：通过划分成几个功能模块模具，注塑模具的一个特定的容器可以迅速和容易地由模块堆叠。模块设计模具模块包括型芯，型腔模具热流道模块，模块，及其他。
步骤4。产品和单位编码：每个结构部件分配一个组件的代码，并与产品特性产生一个产品复杂的识别代码。因此，相互交换单位可在产品开发阶段。此外，代码系统简化了模具维修和产品管理。
步骤5。列表模块对象：根据结构规格从步骤3，所有组成部分的注射模具中列入物料清单。例如，在一个杯形注塑模具为例，如图8所示。这一步骤有助于缓解处理在随后的报价和生产调度过程。
步骤6。零件图尺寸：由于结构部件是半成品，产品信息列出在步骤5仅仅是初级阶段的模具设计。因此，所有的结构部件的注塑模具设计的客户的需求和规格必须制定的格式工程制图工程。
步骤7。结构部件制造：以下资料、零件图生成步骤5和6，分别，这一步使生产线进一步制造注塑模具。
步骤8。模具的装配和检验：这一步检查每一个生产步骤7 tassure模具质量。根据装配图纸模具，定位模块和相关的结构部件准确地组装。例如，图9给出了装配图的咖啡杯注塑模具，这是用来确定每一组件之间的关系。
步骤9。老试验和批量生产：在完成以上八个步骤，这是最后一步执行测试的模具在注塑机及批量生产。
5验证与探讨
本研究采用杯状饮料容器实验评估性能的模块化设计方法。由于规范的构造部件使预处理的初始形状和只需要局部预处理获取精确的尺寸，在模具开发，总开发时间将大大减少。表1列出了模具开发一个杯状容器和显示，采用模块化设计，模具开发时间约36%低于传统工艺。而标准化的组件的规格使批量采购的材料，结合高效的制造和设计，可以降低总的制造成本。表2列出了模具开发一个杯状容器和显示，模具制造成本，采用模块化设计，减少了19～23%与常规工艺相比。此外，采用模块化的设计等优点：
1、增加多样性为导向的设计：模块化设计饮料容器注塑模具包括划分成五个模具关键功能模块和14个功能结构部件。一个相互兼容的接口部件之间通过建立的规范和标准化的个别结构部件。此外，产品族功能结构包含各种不同类型的冷却效果插入模具冷却部件和不同类型的喷射效果的注射部件的定义。每个单位的类型是替代，促进产品的装配和拆卸，提高设计灵活性，提高生产能力，适应市场变化，满足各类客户的需求。
图9 咖啡杯注塑模具的装配图：a模具插入,b 母模基准
表1列出制造节省时间的杯状容器
2、信息提供方便快速的产品开发：使用编码系统标准的功能模块和结构单位，使建设一个标准的产品开发程序。这一程序使设计者迅速采取正确的设计步骤和进一步完整详细的注塑模具设计。
3、有效的管理维护和模具：发达的编码系统，使快速反应维修查询提供可用的组件相互更换单位之间举行的股票。此外，结构部件的产品和信息产品的特点是编码使用一个专门的个人识别号码以促进新产品的开发。
6结论
本研究应用模块化设计理论和原则，在发展中国家饮料容器注塑模具。标准作业程序发展相互替代标准件模具设计已被证明。这项工作不仅提出了一个单杯形、盆形容器注塑模具作为一个研究工具，模块化设计，并产生有效的结果而言，节省时间和降低制造成本。基于数据库的结构单位建造的饮
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