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塑料模具 |
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基于TRIZ理论的注射成型工艺创新设计 |
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作者：李吉泉 潘柏松 姜少飞 |
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1 引言
目前注射成型产品的产量约占塑料制品总量的20％一30％，注射模数量约占所有塑料成型模具数量的50％。在电子器件、汽车配件、医疗用品、建筑构件、生活用品等方面获得了广泛的应用。但随着应用的广泛和社会需求的发展，对注射制品的外形和质量要求越来越高，产品种类也变得多样性，传统注射成型工艺面临着挑战。需要进行工艺创新设计以保持其生命力。
发明问题解决理论(简称TRIZ理论)能通过创新原理对矛盾进行创造性地解决来实现创新，被有关文献评价为最好的创新方法。因此本文采用TRIZ理论的冲突问题解决原理。以模具温度为例分析现有注射成型过程中的冲突，说明IRIZ理论在注射成型工艺创新设计中的应用。
2 TRIZ理论概述
TRIZ是俄文发明问题锯决理论单词的词头缩写，英文缩写为TIPS(theory of inventive problan solv-ing)，是1946年由前苏联海军专利调查员ALTSHULLER GS通过200多万个专利进行研究所创立、解决复杂技术问题的技术创新一般规律及其解决方法。其目的是研究人类在发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理、方法和规律。经过50多年的发展，TRIZ已经形成了一套较为完整的理论体系和工具箱。其中包含多种分析方法和工具，主要包括冲突、技术参数、创造性原理、矛盾矩阵、冲突问题的结构表示、物质一场模型(或TOP模型)、TRIZ算法等内容。
创新是通过消除冲突来解决问题，而那些不存在冲突的问题，或采用折衷的方法解决问题则不是创新。TRIZ核心之一就是对冲突的解决。冲突问题的本质是功能之间出现冲突造成的，即产品是功能的实现，TRIZ中冲突的解决都是基于这点的。
TRIZ主要研究技术冲突与物理冲突。物理冲突往往表现为在同一个子系统内2个功能之间发生冲突，导致同时产生了相反的需求。技术冲突往往表现为在不同子系统中的2个功能间发生冲突，并最终可以被转化为某几对技术参数之间的冲突。
技术参数是TRIZ理论通过抽象得出的描述冲突的参数。而创新原理(或称发明原理)是TRIZ理论通过对大量专利分析后得出的解决技术冲突的关键，有巨大的启发意义。矛盾矩阵就是为了解决技术冲突而创造的，矛盾矩阵的X、y轴表示技术参数，X、y轴的交叉点就是解决这2个技术参数之间矛盾的创新原理。
TRIZ通过对设计中遇到的问题的抽象及模型化。引导设计人员应用现有的设计方法，得出理论层面的解决方案。节约大量试验和探索时间。同时。它所提炼出的解决矩阵的方法中还包含了一些尚未成熟的技术或抽象的解决方法，引导人们去探索这个领域的新技术，代表了技术的发展方向，可为技术发展指明可能的方向。
3现有注射成型工艺存在问题一冲突问题建立
模具温度是注射成型工艺中非常重要的工艺参数，对成型过程和产品质量有很重要的影响，其控制的合理性直接关系到注射制品的表面质量、外观及内在质量和生产效率。良好的模具温度控制需要通过合理的模具设计和工艺制定来进行。
较高的模具温度可以降低熔体在模具中的冷却凝固速度，使熔体容易充满型腔，降低注射压力，同时可以提高注射制品的表面粗糙度值和模壁表面复制性，降低熔接痕对制品表面质量和机械强度的影响。但是过高的模具温度也会造成熔体黏度较低，容易出现飞边、缩痕，并且还会明显延长注射周期，降低生产效率。因此，模具温度是注射成型工艺中的一种冲突。
根据TRIZ理论，可以将上述冲突描述成图1所示物质一场功能分析模型。
图1 物质一场功能分析模型
根据上述分析。在以注射成型模具温度场为对象场的情况下。应改善产品表面质量、产品变形情况等特性。应消除能量消耗、成型周期的延长、模具结构的复杂性等消极特性。即存在着产品的表面质量和外形质量与高能耗、长成型周期、模具结构复杂性之间的技术冲突。
将上述涉及参数按标准工程参数进行描述，即可建立模具温度引起标准工程参数的改善和恶化，如表一所示。表1 改善和恶化的标准工程参数
 4基于TRIZ的工艺创新设计
冲突问题解决原理是TRIZ理论的创新核心。通过问题分析将冲突用39个标准工程参数来描述，并分别表示为要改善的问题和会恶化的问题。通过对人类在发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理、方法和规律的分析和归纳，总结出40个标准解。并通过冲突矩阵，建立问题与标准解之间的关系。
通过冲突矩阵，可得到表1所示冲突的标准解，如表2所示。表2 冲突解决问题矩阵
 对于注射成型工艺，根据标准解的含义，可得出可能的改进方案如表3所示。如有现存的特殊注射成型工艺与其相对应，也在表3中列出。表3 标准解的含义及可能改进方案
 在上述可能的改进方案中，高光注射成型工艺是目前通过对模具温度的处理来改进产品表面质量真正有效的方法之一。该工艺的技术要点是将注射模快速加热至聚合物的热变形温度以上进行聚合物熔体充填、保压，在保压后期快速冷却。然后开模取出产品，完成—个注射循环，如图2所示。该技术要点的思路与标准解中的“分离”和“预操作”相吻合。这种新型工艺的出现．验证了TRIZ方法在注射成型工艺创新设计中的有效应用。
图2 高光注射成型工艺循环示意图
5 结束语
模具温度是注射成型工艺中的重要参数，也是一个重要的冲突问题。通过TRIZ的应用和讨论，认为TRIZ是一种有效的工艺创新方法，可在相应的科学和技术支持下，对注射成型工艺的改进提出有效的措施。
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(12/13/2010) |
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