吹塑瓶广泛应用于各类饮料食品包装、医药包装、化工产品包装和其他特殊包装上,需要量越来越大,塑料厂添置的吹塑机越来越多,所用PET材料的进货量也不断增加.生产规模的扩大带动了其他相关产业(如模具加工等)的发展,使塑料产业成为经济发展的一个重要方面.
吹塑瓶的生产流程共分三个环节,第一个环节是将PET材料加工成吹塑瓶管坯,第二个环节是将管坯放在烘箱中加热,第三个环节是将加热的管坯放入吹塑机,在模具中吹塑成成品.每当新模具或新管坯投入生产时,为了检验新模具或新管坯所生成的产品是否符合国家标准和客户的要求,总有大量的吹塑瓶被割开测试.目前最常用的办法就是割开吹塑瓶后用游标卡尺测量吹塑瓶壁的厚度,这是此类产品是否合格的一个重要标准.一大批吹塑瓶因为测试的需要而被割裂,造成了材料、人力和资金的浪费.尽管在生产前可以凭着经验去大致判断,但却无法精确地断定哪一种型号的管坯适用于哪一副模具,因此迫切需要新的检测手段,这里我们就提出一种节约、简便、有效的检验方法.
1、问题的分析与研究
吹塑瓶壁的厚度涉及原料性质、生产加工过程和测算过程等诸多因素,这些因素或多或少地影响着最终的结果,用数学方法测算吹塑瓶的壁厚可减少浪费,客观地处理数据,提供各种标准数据.
1.1实验假设
从管坯到成品,假定加工前后PET材料的质量、体积、密度保持不变,吹塑瓶各个部位的厚度相同,各部位展开后均可近似地看成以外表面为下底面、内表面为上底面、瓶壁厚度为高的柱体.不考虑材料因素与加工各环节的技术因素对成品的影响,不考虑吹塑瓶壁的图案花纹对计算结果的影响.
1.2数据的测量
在实验室内对管坯和吹塑瓶进行测量.选取1.25L的吹塑瓶及其相应的管坯作为测量对象.实验分成两组,一组测量管坯,主要测量内容为管坯的质量、管坯的体积、管坯的容积、管坯的各种尺寸.另一组测量吹塑瓶,主要测量内容为吹塑瓶质量、吹塑瓶体积、吹塑瓶容积、吹塑瓶的各种尺寸.
2、实验结果与分析
2.1实验结果
管坯的测量数据:
管坯的质量:40.8g;
管坯的体积(不包括瓶口部分):25mL;
管坯的容积(不包括瓶口部分):37.5mL;
管坯的各种尺寸:26.5mL,109.3mL,
6.7mL,22.2mL,10.6mL.
吹塑瓶的测量数据:
吹塑瓶质量:40.8g;
吹塑瓶体积(不包括瓶口部分):25mL;
吹塑瓶容积(不包括瓶口部分):1253.6mL;
吹塑瓶各种尺寸:86.4mm,158.3mm,
93.8mm,28.6mm,70.3mm,34.0mm.
吹塑瓶壁厚度的测量:
(1)由于PET材料体积即为管坯或吹塑瓶的体积,所以问题解决的关键是测算出吹塑瓶的表面积(不包括瓶口部分).
(2)吹塑瓶可看成一个圆台、一个圆柱、一个球冠的几何组合体.
(3)吹塑瓶壁的厚度=材料体积÷吹塑瓶的表面积(不包括瓶口部分).
圆台侧面积124.7cm2,圆柱侧面积·429.5cm2,球冠表面积92.2cm2,吹塑瓶的表面积(不包括瓶口部分)646.4cm2,吹塑瓶壁的厚度0.40mm.
2.2 实验分析
测量显示,吹塑瓶壁的最小厚度是0.34mm,与计算结果的相差误差达0.06,误差率18%,造成误差的主要原因是吹塑瓶各个部分的壁厚都不大相同,这与初始的假设不同.实际生产中吹塑瓶壁厚的规律是:吹塑瓶圆台部分由上而下按逐步由厚到薄分布,至圆柱部分达最薄,至底部球冠处又有所增厚.壁厚差别的根本原因是管坯在加工过程中的膨胀程度不同,圆台上部因为膨胀程度小,所以壁就厚,圆台下部因为膨胀程度大,所以壁就薄.吹塑瓶底部也是因为膨胀程度不及圆柱部分而壁厚增大.
因此对原方案进行修正:把圆台侧面积按以圆台下底面为底面、以圆台母线长为高的圆柱的侧面积计算,把底部球冠表面积按以球冠底面为底面、以球冠的高为高的圆柱的侧面积加下底面积之和计算.按照修正方案计算方法,则吹塑瓶外表面面积为770.7mm,吹塑瓶壁厚度为0.33mm,与实际壁厚相近,误差为0.01mm,误差率为2.9%,基本达到要求.
修正方案可以推广到其他型号的吹塑瓶,一般的吹塑瓶尽管在形状、图案、容积上各不相同,但均可按以平行于底面的最大截面为底面的柱体来计算其表面积,再根据测得的PET材料的体积,即可求得该吹塑瓶壁的厚度.
修正方案的提出较为逼近实际数据,由于吹塑瓶的圆柱部分壁厚最小且较为稳定,所以只要利用比例关系,在管坯上找到其相应部位,管坯与吹塑瓶相应圆柱的侧面积之比等于两者壁厚之比,由两个圆柱的侧面积和管坯的壁厚三个数据即可求出吹塑瓶的壁厚.
吹塑瓶壁厚度的几何测算方法可来代替目前普遍采用的裂瓶直测法,为了使这种方法操作起来更简便,制订了测算步骤和测算公式.下面列出2种型号的吹塑瓶PET材料的最小用量,并根据PET吹塑瓶最小壁厚的国家标准列出了不同容积的吹塑瓶所用的PET材料的最小用量.550mL吹塑瓶的最小壁厚0.30mm.1250mL吹塑瓶的最小壁厚0.32m,最少用材量40.3g.
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