1   Int  J Adv  Manuf  Technol (2003) 21:807819 Ownership   and  Copyright 2003  Springer-Verlag  London  Limited A Parametric-Controlled Cavity Layout Design System for a Plastic Injection Mould M. L. H. Low and K. S. Lee Department   of  Mechanical  Engineering,  National  University  of  Singapore,  Singapore Today,   the  time-to-market   for  plastic   products   is   becoming shorter, thus  the  lead  time  available  for  making  the  injection mould  is  decreasing.  There  is  potential  for  timesaving  in  the mould design stage because a design process that is repeatable for   every   mould   design   can   be   standardised.   This   paper presents  a  methodology   for  designing   the  cavity   layout  for plastic  injection  moulds  by  controlling  the  geometrical  para- meters  using  a  standardisation  template.  The  standardisation template  for  the  cavity  layout  design  consists  of the  configur- ations for the possible layouts. Each configuration of the layout design  has its own layout design table of all the geometrical parameters.  This standardisation  template  is pre-defined  at the layout design level of the mould assembly design.  This ensures that  the  required  configuration  can  be  loaded  into  the  mould assembly design very quickly,  without  the need to redesign  the layout.  This  makes  it  useful  in  technical  discussions  between the product  designers  and mould designers  prior to the manu- facture of  the  mould.  Changes  can  be  made  to the  3D  cavity layout design  immediately  during  the  discussions,  thus  saving time and avoiding miscommunication.  This standardisation tem- plate for the cavity  layout  design  can be customised  easily  for each  mould  making  company  to their  own  standards. Keywords:  Cavity    layout   design；    Geometrical   parameters； Mould  assembly；  Plastic  injection  mould  design；  Standardis- ation  template on  it  and  provides  the  mechanism  for  molten  plastic  transfer from  the  machine  to  the  mould,  clamping  the  mould  by  the application of  pressure  and  the  ejection  of  the  formed  plastic part. The injection  mould is a tool  for transforming  the molten plastic  into  the  final  shape   and  dimensional   details   of  the plastic  part.  Today,  as  the  time-to-market  for  plastic  parts  is becoming  shorter, it is essential to produce the injection mould in a  shorter  time. Much  work  had  been  done  on  applying  computer  techno- logies to injection  mould  design  and the  related  field. Knowl- edge-based systems  (KBS)  such  as  IMOLD  1,2,  IKMOULD 3,  ESMOLD   4,  the   KBS   of  the  National   Cheng  Kang University, Taiwan  5, the KBS of Drexel  University  6, etc. were  developed for injection mould design. Systems such as HyperQ/Plastic 7, CIMP  8, FIT 9,  etc.  are  developed for the   selection   of  plastic   materials   using   a  knowledge-based approach.  Techniques   have  also  been  developed   for  parting design  in injection  moulding  1012. It  has been  observed  that  although  mould-making  industries are  using  3D  CAD  software  for  mould  design, much  time  is wasted in  going  through  the  same  design  processes  for  every project.  There  is  great  potential  for  timesaving  at  the  mould design stage if the repeatable  design processes can be standard- ised to avoid routine tasks. A well-organised  hierarchical  design tree in  the mould assembly  is also an important  factor 13,14.   However,  little  work  has  been  done  in  controlling  the  para- meters  in  the  cavity  layout  design；  thus  this  area  will  be  our main  focus.  Although  there  are  many  ways  of  designing  the 1. Introduction Plastic  injection  moulding  is a  common  method  for  the  mass production  of plastic parts with good tolerances.  There are two main  items  that  are  required  for  plastic  injection  moulding. They   are  the  injection-moulding   machine   and  the  injection mould. The injection-moulding machine has the mould mounted Correspondence   and  offprint  requests  to :  K.  S.  Lee,  Department  of Mechanical  Engineering,  National  University  of  Singapore,  10  Kent Ridge   Crescent,    Singapore    119260.    E-mail    address:    mpeleeks .sg Received  8 January  2002 Accepted  16  April  2002 cavity layout 15,16, mould designers tend to use only conven- tional  designs,  thus there  is a need  to apply  standardisation  at the cavity  layout  design  level. This  paper  presents  a methodology  for designing  the  cavity layout for plastic injection moulds by controlling the parameters based  on  a  standardisation   template.   First,  a  well-organised mould  assembly  hierarchy  design  tree  had  to  be  established. Then,  the  classification  of  the  cavity  layout  configuration  had to  be  made  to  differentiate  between  those  with  standard  con- figurations   and  those  with  non-standard   configurations.   The standard configurations will be listed in a configuration database and  each  configuration  has  its  own  layout  design  table  that controls  its  own  geometrical  parameters.  This  standardisation   2 808  M. L. H. Low and K.  S. Lee  Fig. 1. Front  insert  (cavity)  and  back  insert (core). template  is pre-defined  at the layout  design level of the  mould assembly  design. 2. Cavity Layout Design for a Plastic Injection Mould An  injection  mould  is  a  tool  for  transforming  molten  plastic into the  final shape  and  dimensional  details  of  a  plastic  part. Thus, a mould contains  an inverse  impression of the final part. Most of the moulds are  built  up of two halves:  the front insert and  the  back  insert.  In  certain  mould-making  industries,  the front  insert  is also  known  as the cavity  and the back  insert  is known  as the  core.  Figure 1 shows  a front  insert  (cavity)  and a   back   insert   (core).   Molten   plastic   is   injected   into   the impression  to  fill  it.  Solidification  of  the  molten  plastic  then forms   the   part.   Figure 2   shows   a  simple   two-plate   mould assembly.  Fig. 2. A simple  mould  assembly. 2.1   Difference Between a Single-Cavity  and a Multi-C a vity  Mould Very  often,  the  impression  in  which  molten  plastic  is  being filled is also called  the cavity.  The arrangement  of  the cavities is called  the cavity  layout.  When  a mould  contains  more  than one cavity, it is referred to as a multi-cavity mould. Figures 3(a) and 3(b) shows a single-cavity  mould and a multi-cavity  mould. A  single-cavity  mould  is normally  designed  for  fairly  large parts such as plotter covers and television housings. For smaller parts such  as hand phone  covers  and gears,  it  is always  more economical to design  a multi-cavity  mould  so that  more  parts can be produced  per moulding  cycle.  Customers  usually  deter- mine  the  number  of   cavities,   as  they  have  to  balance   the investment  in the  tooling  against  the  part  cost. 2.2   Multi-Cavity  Layout A  multi-cavity  mould  that  produces  different  products  at  the same  time  is  known  as  a  family  mould.  However,  it  is  not usual to design  a mould  with  different cavities,  as the cavities may not  all  be  filled at  the  same  time  with  molten  plastic  of the  same  temperature. On  the  other  hand,  a  multi-cavity  mould  that  produces  the same product  throughout  the  moulding  cycle  can  have  a  bal- anced  layout  or  an  unbalanced  layout.  A  balanced  layout  is one  in  which  the  cavities  are  all  uniformly  filled at  the  same time under  the  same  melt  conditions  15,16.  Short  moulding can  occur  if an  unbalanced  layout  is being  used,  but  this  can be  overcome  by modifying  the length  and cross-section  of  the runners  (passageways   for  the  molten   plastic   flow   from  the sprue  to  the  cavity).  Since  this  is  not  an  efficient  method,  it is  avoided  where  possible.  Figure 4  shows  a  short  moulding situation  due  to an unbalanced  layout. A balanced  layout can be further classified into two categor- ies: linear and circular. A balanced linear layout can accommo- date 2, 4, 8, 16, 32 etc.  cavities,  i.e. it  follows  a 2n     series.  A balanced  circular  layout  can  have  3, 4, 5, 6 or more  cavities, but  there  is  a  limit  to  the  number  of  cavities  that  can  be accommodated in a  balanced  circular  layout  because  of space constraints.  Figure 5  shows  the  multi-cavity  layouts  that  have been  discussed. 3. The Design Approach This  section  presents  an  overview  of  the  design  approach for the development  of a parametric-controlled cavity layout design system   for   plastic   injection   moulds.  An   effective   working method of mould design involves organising the various subas- semblies  and  components  into  the  most  appropriate  hierarchy design   tree.   Figure 6  shows   the  mould   assembly   hierarchy design  tree  for  the  first  level  subassembly  and  components. Other  subassemblies  and  components  are  assembled  from  the second  level  onwards  to  the  nth  level  of the  mould  assembly hierarchy design  tree. For  this system,  the focus  will be made only  on the  “cavity  layout  design”.   3     Fig. 3. (a) A single  cavity  mould.  (b) A  multi-cavity  mould. A  Cavity Layout  Design System 809 3.1    Standardisation Procedure   Fig. 4. Short  moulding  in  an  unbalanced  layout. In   order  to  save   time   in  the  mould   design   process,   it  is necessary to  identify  the  features  of the  design  that are  com- monly used. The design processes that are  repeatable  for every mould  design  can  then  be  standardised.  It  can  be  seen  from Fig. 7  that  there  are  two  sections  that  interplay  in  the  stan- dardisation procedure for the “cavity layout design”: component  assembly  standardisation  and  cavity  layout  confi guration  stan- dardisation.   4 810  M. L. H. Low and K.  S. Lee  Fig. 5. Multi-cavity  layouts.  Fig. 6. Mould  assembly  hierarchical  design  tree.  Fig. 7. Interplay  in  the  standardization  procedure. 3.1.1   Component Assembly  Standardisation Before   the  cavity   layout   configuration   can  be   standardised, there is a need to recognise  the components  and subassemblies that are  repeated  throughout  the  various  cavities  in  the  cavity layout. Figure 8 shows  a  detailed  “cavity layout  design”  hier- archy  design tree.  The main  insert  subassembly  (cavity)  in the  Fig. 8. Detailed  “cavity layout  design”  hierarchical  design  tree. second  level  of  the  hierarchy   design  tree  has  a  number  of subassemblies  and  components  that  are  assembled  directly  to it  from  the  third  level  onwards  of  the  hierarchy  design  tree. They  can  be  viewed  as  primary  components  and  secondary components.  Primary  components  are  present  in  every  mould design. The secondary components are dependent on the plastic part that is to be produced,  so they may or may not be  present in the  mould  designs. As   a  result,  putting   these  components   and   subassemblies directly under  the main  insert  subassembly, ensures  that every repeatable   main  insert  (cavity)  will  inherit  the  same  subas- semblies  and  components  from  the  third  level  onwards  of the hierarchy  design   tree.   Thus,   there   is  no  need   to   redesign similar  subassemblies  and  components  for  every  cavity  in the cavity layout. 3.1.2   Cavity Layout Configuration  Standardisation It is necessary  to study and classify  the cavity layout  configur- ations  into  those  that  are  standard  and  those  that  are  non- standard.  Figure 9  shows  the  standardisation  procedure  of  the cavity layout  configuration. A cavity  layout  design, can be undertaken  either as a  multi- cavity  layout   or  a  single-cavity   layout,   but   the   customers always determine this decision. A single-cavity  layout is always considered  as  having  a  standard  configuration.  A  multi-cavity mould  can  produce  different  products  at the same  time  or the   5  A  Cavity Layout  Design System 811  Fig. 10. The  standardization  template. design   table.  The  configuration   database  consists  of  all  the standard  layout  configurations,  and  each  layout  configuration has  its  own  layout  design  table  that  carries  the  geometrical parameters. As  mould-making  industries  have  their  own  stan- dards,  the  confi guration  database  can  be  customised   to  take into  account  those  designs  that  are  previously  considered  as non-standard. Fig. 9. Standardisation  procedure  of  the  cavity  layout  configuration. same   products   at  the   same   time.   A  mould   that   produces different   products   at  the  same  time  is   known   as  a  family mould,  which  is  a  non-conventional  design.  Thus,  a  multi- cavity family  mould  has  a non-standard  configuration. A  multi-cavity  mould  that  produces  the  same  product  can contain either a balanced layout design or an unbalanced layout design.  An unbalanced  layout  design  is seldom  used and, as a result, it is considered  to possess  a  non-standard  configuration. However, a balanced  layout  design  can  also  encompass  either a linear layout design  or a circular layout design. This depends on the  number  of cavities  that  are  required  by the  customers. It  must  be noted,  however,  that  a  layout  design  that  has  any other   non-standard   number   of  cavities   is  also   classified   as  having  a non-standard  configuration. After classifying  those layout designs that are standard, their detailed  information  can  then  be  listed  into  a  standardisation template.  This  standardisation   template  is  pre-defined  in  the cavity  layout  design  level  of  the  mould  assembly  design  and supports all  the  standard  configurations.  This  ensures  that  the required   configuration   can  be  loaded   very  quickly   into  the mould assembly design without the need to redesign the layout. 3.2 Standardisation  Template It  can  be  seen  from  Fig. 10  that  there  are  two  parts  in  the standardisation template:  a configuration  database  and a layout 3.2.1   Configuration  Database A  database  can  be used  to contain  the list  of all the  different standard  configurations.  The  total  number  of  configurations  in this  database  corresponds  to  the  number  of  layout  configur- ations  available  in the  cavity layout  design  level  of the mould design assembly.  The information  listed  in the database  is the configuration number, type, and the number of cavities. Table 1 shows an  example  of  a  configuration  database.  The  configur- ation  number   is  the  name  of  each  of   the  available   layout configurations   with   the   corresponding   type   and  number   of cavities.   When   a   particular   type  of  layout   and  number   of cavities  is  called  for,  the appropriate  layout  configuration  will be  loaded  into  the  cavity  layout  design. 3.2.2   Layout Design  Table Each  standard configuration listed in the confi guration  database has   its   own   layout   design   table.   The   layout   design   table contains the geometrical  parameters  of the layout configuration and  is  independent  for  every  configuration.  A  more  complex layout confi guration  will have  more  geometrical  parameters  to control the  cavity  layout. Figures 11(a)  and  11(b)  show  the  back  mould  plate  (core plate) with a big pocket and four small pockets  for  assembling the same  four-cavity  layout.  It is always  more economical  and easier  to  machine  a  large  pocket  than  to  machine  individual smaller pockets  in a block  of steel. The advantages  of machin- ing  a large  pocket  are:   6 S01 Single 1 L02 Linear 2 L04 Linear 4 L08 Linear 8 812  M. L. H. Low and K.  S. Lee Fig. 11. The  back  mould  plate  with  pocketing. Table 1. Sample  of  the  configuration  database. Configuration  number  Type Number  of  cavities   L16  Linear  16 L32  Linear  32 L64  Linear  64 C03  Circular  3 C04  Circular  4 C05  Circular  5 C06  Circular  6 1.  More   space   between   the  cavities   can  be  saved,   thus  a smaller block  of steel  can  be used. 2.  Machining   time   is  faster   for  creating   one  large   pocket compared to machining  multiple  small  pockets. 3.  Higher  accuracy  can  be  achieved  for  a  large  pocket  than for multiple  smaller  pockets. As a result, the default  values  of the geometrical  parameters in the layout design table results in there being no gap between the  cavities.  However,  to  make  the system  more  flexible,  the default values  of  the  geometrical  parameters  can  be  modified to suit  each  mould  design  where  necessary. 3.3 Geometrical Parameters There  are  three  variables  that  establish  the  geometrical  para- meters: 1.  Distances   between   the   cavities   (flexible).   The   distances between  the  cavities  are  listed  in  the  layout  design  table and  they  can  be  controlled  or  modified  by  the  user.  The default  values  of  the  distances  are  such  that  there  are  no gaps between  the  cavities. 2.  Angle  of orientation  of the individual  cavity  (flexible). The angle  of  orientation  of  the  individual  cavity  is  also  listed in the  layout  design  table  which  the  user  can  change.  For a multi-cavity  layout,  all the cavities have to be at the same angle of  orientation  as indicated  in the layout  design  table. If  the  angle  of orientation  is modified,  all the  cavities  will be rotated by  the same angle of orientation  without affecting the layout  configuration. 3.  Assembly  mating  relationship  between  each cavities  (fixed). The  orientation  of the cavities  with respect  to each  other  is pre-defined  for  each  individual  layout  configuration  and  is controlled  by  the   assembly   mating   relationship   between cavities. This  is fi xed  for  every  layout  configuration  unless it is customised. Figure 12  shows  an  example  of  a  single-cavity  layout  con- figuration  and  its  geometrical   parameters.   The  origin  of  the main  insert/cavity  is  at  the  centre.  The  default  values  of  X1 and  Y1  are  zero  so  that  the  cavity  is  at  the  centre  of  the layout (both  origins  overlap  each  other).  The  user can  change the values of X1 and Y1, so that the cavity can be offset appro- priately. Figure 13  shows  an  example  of an  eight-cavity  layout  con- figuration and its geometrical  parameters.  The values  of  X and Y are the dimensions  of the main insert/cavity.  By default,  the values of X1 and X2 are equal  to X, the  value  of Y1 is equal to Y, and thus there is no gap between the cavities. The values of X1,  X2,  and  Y1 can  be  increased  to take  into  account  the gaps between the  cavities in the design. These values are listed in the  layout design  table. If  one of the cavities  has to be oriented  by 90,  the  rest of the  cavities  will  be  rotated  by the  same  angle,  but  the  layout design remains  the same. The user is able to  rotate  the cavities by  changing  the  parameter   in  the  layout  design  table.  The resultant layout  is shown  in  Fig. 14.    Fig. 12. Single-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters.   7  A  Cavity Layout  Design System 813 4. System Implementation A  prototype  of  the  parametric-controlled cavity  layout  design system  for  a  plastic  injection  mould  has  been  implemented using  a  Pentium  III  PC-compatible   as  the  hardware.  This prototype  system  uses a commercial  CAD system  (SolidWorks 2001)  and  a commercial  database  system  (Microsoft  Excel) as  the  software.  The  prototype  system  is  developed  using  the Microsoft  Visual  C  V6.0  programming   language   and  the SolidWorks   API   (Application   Programming   Interface)   in  a Windows  NT  environment. SolidWorks  is chosen  primarily  for two  reasons: 1.  The increasing  trend  in the CAD/CAM  industry  is to  move towards  the  use  of  Windows-based  PCs  instead  of  UNIX workstations mainly because of the cost involved in purchas- ing the  hardware. 2.  The  3D  CAD  software  is  fully  Windows-compatible,  thus it is capable of integrating information  from Microsoft Excel files  into   the   CAD  files  (part,   assembly,   and   drawing) smoothly  17. Fig. 13. Eight-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters without cavity  rotation.  Fig. 14. Eight-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters with cavity  rotation. A   complex   cavity   layout   configuration,   which   has   more geometrical  parameters,  must  make  use  of  equation  to  relate the parameters. This  prototype  system  has  a  configuration  database  of  eight standard  layout  configurations  that  are  listed  in  an  Excel  file. This is shown in Fig. 15(a). Corresponding  to this configuration database,  the  layout  design  level,  which  is  an  assembly  file in  SolidWorks   (layout.sldasm),   has  the  same   set  of  layout configurations.  The configuration  name  in the Excel  file  corre- sponds to the name of the configurations in the layout assembly file, which  is shown  in Fig. 15(b). Every  cavity  layout  assembly  file  (layout.sldasm)   for  each project   will  be  pre-loaded  with  these  layout   configurations. When a required  layout  configuration  is  requested  via the user interface,   the  layout  confi guration  will  be  loaded.  The  user interface   shown  in  Fig. 16  is  prior   to  the   loading   of  the requested  layout   configuration.   Upon   loading   the   requested layout  configuration,   the  current   layout   configuration   infor- mation  will  be  listed  in the  list  box. The  user is then able  to change  the current  layout  configur- ation to any other available layout configurations that are found in the  configuration  database.  This  is illustrated  in  Fig. 17. The  layout  design  table  for the  current  layout  configuration that contains  the geometrical  parameters  can be activated when the  user  triggers  the  push  button  at  the  bottom  of  the  user interface.  When  the  values  of  the  geometrical  parameters  are changed,  the cavity  layout  design  will be updated  accordingly. Figure 18  shows  the  activation  of  the  layout  design  table  of the  current  layout  configuration. 5. A Case Study A  CAD  model  of  a  hand  phone  cover,  shown  in  Fig. 19,  is used  in the  following  case  study. Prior  to  the  cavity  layout  design  stage,  the  original  CAD model  has  to  be  scaled  according  to  the  shrinkage  value  of the moulding  resin to be used. The  main  insert  is then created to  encapsulate   the  shrunk   part.   This   entire   subassembly   is known  as  the  main  insert  subassembly   (xxx  cavity.sldasm),   8 814  M. L. H. Low and K. S. Lee  Fig. 15. The  configuration  database  and  layout  template  for  prototype  system.  Fig. 16. The  user  interface  prior  to  loading  of the  requested  configuration. where  “xxx”  is  the  project  name.  Figure 20  shows  the  main insert subassembly.  After  the  main  insert  subassembly  is  cre- ated,  the  cavity  layout  design  system can  be  used  to  prepare the cavity  layout  of the  mould  assembly. 5.1    Scenario 1: Initial Cavity Layout  Design In  a  mould  design,  the  number  of  cavities  to  be  built  in  a mould  is always  suggested  by the  customers,  as   they  have  to balance  the  investment   in  the  tooling  against  the  part  cost. Initially,  the  customers  had  requested  a  two-cavity  mould  to be  designed  for  this  hand  phone  cover.  After  the  creation  of the main insert subassembly,  the mould designer loads a layout configuration  that  is  of  a  linear  type  which  has  two  cavities using   this   cavity   layout   design   system.   The   corresponding configuration  name  is  L02  and  is  listed  in  the  user  interface as shown  in Fig. 21. 5.2   Scenario 2: Modification in the Cavity  Layout Design Technical  discussion sessions between the customers and mould designers  are  common.  This  enables  changes  to  be  made  to the 3D  CAD  files of  both  the  product  and  mould  as  soon  as possible,   prior   to  mould   manufacture.  Changes   are   almost always  inevitable  and  mould  designers  are  never  given  any extension  in  the  lead  time. In  this  case,  during  a technical  discussion  session,  the  cus- tomers  changed  their  minds  and  needed  a  linear  four-cavity mould  instead  of  a  two-cavity  mould  so  that  the  production   9 A  Cavity Layout  Design System 815  Fig. 17. The  user  interface  after  loading  of the  requested  configuration.  Fig. 18. The  user  interface  with  the  layout  design  table.   10  816  M. L. H. Low and K. S. Lee  Fig. 19. The  CAD  model  of a hand  phone. rate  of  the  hand  phone  covers  can  be  increased.  The  mould designer  can  use  the  cavity  layout  design  system  to  modify the existing  cavity  layout  design  to a  linear  four-cavity  mould. The  required  new  layout  configuration  can  be  selected  from the  available  layout  configurations  that  are  listed  in  the  con- figuration  database.  This  is shown  in Fig. 22. Fig. 20. The  main  insert  encapsulating  the  shrunk  part. 5.3   Scenario 3: Gap is Required Between  Cavities Finally,   in  another   technical   discussion   session,   the   mould designer is  required  to introduce  a gap of 20 mm  between  the cavities in the  longitudinal  direction,  as  shown  in Fig. 23.  Fig. 21. A linear  two-cavity  configuration.   11 A  Cavity Layout  Design System 817  Fig. 22. A linear,  four-cavity  layout  configuration  (after  a change  in  the  layout  configuration).  Fig. 23. The  introduction  of a gap  between  the  cavities.   12  818  M. L. H. Low and K.  S. Lee   Fig. 24. Modifying  the  value  of Y1  in  the  layout  design  table.  Fig. 25. The  final design  after  the  addition  of  the  gap.   13 A  Cavity Layout  Design System 819 In  the  cavity  layout  subassembly  level,  the  mould  designer uses  the  cavity  layout  system  to  activate  the  layout  design table  of  the  current  layout  confi guration.  The  value  of  Y1  is changed  from  50 mm  to 70 mm  to  introduce  a gap  of 20 mm between  the  cavities  in  the  longitudinal   direction.  Figure 24 shows  the  change  of  the  value  of  Y1  in  the  layout  design table.  The result  of the final design,  after  addition  of the gap, is shown  in  Fig. 25. 6. Conclusions In  this  paper,  an  approach  using  a standardisation  template  is proposed for the development  of a  parametric-controlled cavity layout design  system.  Since  this  approach  makes  use  of stan- dardisation, it  can  be  further  applied  to  other  components  for mould assembly  design if their design processes  are repeatable or they  have features  that are commonly  used for every mould design. The  advantages  of the  developed  cavity  layout  system are as follows: 1.  The  developed  system  has  user-friendly  interfaces. 2.  Since  it  makes  use  of  databases,  it  is  highly  flexible,  and mould-making industries  that  have  their  own standards  can customise the  databases  to suit  their  needs. 3.  Because  a  pre-defined  standardisation  template  is  available in  the  layout  design  level  of  the  mould  assembly  design, the required layout configuration can be loaded very quickly into the mould assembly design without the need to redesign the  layout. 4.  This system  enables  product  designers  and mould  designers to  have  more  useful  technical  discussions  prior  to  mould manufacture  as changes  to the layout  can be made immedi- ately during  the  discussions. 5.  This system saves time in the mould design process because it removes  redundant  work.  This  is  very  important  for  the mould-making   industries   since   the   lead   time   for   mould making  is decreasing. The  developed  system  has  some  limitations.  Although  the databases and layout design tables can be customised, customis- ation  will  be  more  difficult  for  more  complex  non-standard configurations because  the  correct  geometrical  parameters  have to  be  determined.  We  are  currently  working  on  applying  a standardisation template for other components in mould design. References 1.  K.  S.  Lee,  J. Y.  H,  Fuh,  Y.  F.  Zhang,  A.  Y.  C.  Nee  and  Z.  Li, “IMOLD: an  intelligent plastic injection mold design and assembly system”,  Proceedings  of  the  4th  International  Conference  On   Die and Mould  Technology,  pp. 3037,  Malaysia,  46  June  1997. 2.  K.  S.  Lee,  Z.  Li,  J.  Y.  H,  Fuh,  Y.  F.  Zhang  and  A.  Y.  C. 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SolidWorks 2001 Training Manual, “SolidWorks  Essentials  parts assemblies and drawings”, SolidWorks Corporation,  Concord, Mas- sachusetts 01742,  2001.   14 參數(shù)控制型腔布局設(shè)計系統(tǒng)  今天，塑料制品 的生產(chǎn) 時間正在 變 短，因此，籌備時間使注射可用模具正在減少。有潛力的省時模具設(shè)計階段，因為設(shè)計過程中的重復(fù)每個模具的設(shè)計都是 標(biāo)準(zhǔn) 的 。本文提出了一種通過使用注塑模具標(biāo)準(zhǔn)化模板控制腔布局幾何參數(shù) 的 設(shè)計方法。在標(biāo)準(zhǔn)化模板腔布局設(shè)計 中 包括可能布局的配置。每一個布局結(jié)構(gòu)設(shè)計 都有 其自身所有的幾何布局設(shè)計表參數(shù)。這種標(biāo)準(zhǔn)化的模板是預(yù)定義為 模具裝配設(shè)計 的 布局設(shè)計的水平。這將確保，所需的配置可以 很快 裝入模具裝配設(shè)計，而不需要重新設(shè)計布局。這使得制造前模具的產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計之間有用的 技術(shù)討論?？梢栽谟懻撨^程中立即改變?nèi)S腔布局設(shè)計，從而節(jié)省時間，避免誤 差 。這種腔布局的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化模板 使 每個模具制造公司可以很容易地定制自己的標(biāo)準(zhǔn)。  關(guān)鍵詞 ：腔體布局設(shè)計 ；幾何參數(shù) ；模具裝配，注塑模具設(shè)計 ；標(biāo)準(zhǔn)化模板  1.導(dǎo)言  注塑是一種大眾 生產(chǎn)高精度塑件的 通用的方法。有兩種可用于注塑所需的主要項目。他們是注塑成型機，注塑模具。模具安裝在注塑成型機 上 注塑成型機并提供了溶化的塑料 流到 機器的模具，模具的夾具應(yīng)用壓力和形成的塑 件注射壓力 的一部分。注射模具 是表達 熔融塑料 在 最后 階段塑件 的形狀和尺寸的 三維細(xì)節(jié)的工具 。  今 天，塑料件 的生產(chǎn) 時間，是越來越短，必須在較短的時間 里生產(chǎn)出 注塑模具。在注塑模具設(shè)計及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)做了許多應(yīng)用計算機技術(shù) 的研究 。知識系統(tǒng)（ KBS）的如 IMOLD 1,2， IKMOULD3， ESMOLD 4，全國程康的 KBS 大學(xué)，臺灣 5，在德雷克塞爾大學(xué) 6等韓國 的 注射模具設(shè)計 已經(jīng)發(fā)展 。系統(tǒng)，如 HyperQ /塑料 7， CIMP 含量 8，飛度 9等，都 以 制定塑料材料的選擇使用知識為基礎(chǔ) 正在發(fā)展 。技術(shù)也已經(jīng) 成 為設(shè)計注塑 模具的發(fā)展趨勢 10-12。據(jù)觀察，雖然模具制造行業(yè)正在使用的模具設(shè)計 ，三維 CAD 軟件， 許多 時間 被 浪費 是 每 個項目的 同樣設(shè)計過程。同時，如果重復(fù)的設(shè)計過程可以標(biāo)準(zhǔn)化 就能 避免日常任務(wù)，則模具 的 設(shè)計階段巨大 的 省時的潛力。 在 模具裝配 中 一個組織良好的分層設(shè)計樹也是一個重要因素 13,14。然而，腔布局設(shè)計控制參數(shù) 的部分工作已經(jīng)完成，因此這方面將是我們的主要重點。雖然腔布局有許多設(shè)計方法15,16， 但 模具設(shè)計人員往往只使用常規(guī)設(shè)計，因此有必要 使 腔布局設(shè)計水平標(biāo)準(zhǔn)化。   15 本文介紹了 一種 基于標(biāo)準(zhǔn)化模板通過控制參數(shù)設(shè)計注塑模具的 型腔 設(shè)計 的方法 。首先，組織嚴(yán)密模具裝配層次設(shè)計樹已經(jīng)建立起來。 然后，腔布局配置的 分類 必須 作出標(biāo)準(zhǔn)配置和那些非標(biāo)準(zhǔn)配置之間的區(qū)分。那個標(biāo)準(zhǔn)配置將列在配置數(shù)據(jù)庫 并且 每個配置都有自己的規(guī)劃設(shè)計表控制其自身的幾何參數(shù)。這種標(biāo)準(zhǔn)化模板 被預(yù)定義為模具裝配設(shè)計的布局設(shè)計水平。   圖  1 前插入（腔）和后插入（核心）  2. 塑料注塑模具的腔布局設(shè)計  一個注塑模具 是表達 熔融塑料 在 最后 階段塑件 的形狀和尺寸的 三維細(xì)節(jié)的工具 。因此，模具包含最后部分 的 逆印象。對模具大多建立了兩半：前插入和背部插入。在某些模具制造工業(yè)，前面插入也被 稱為 腔和背部插入被稱為核心。圖 1 顯示了前面插入（腔）和背部插入 （核心）。熔融塑料注入印象填充 。熔融塑料的固化，然后 形成塑件 。圖 2 顯示了一個簡單的兩板模裝配。     16 圖 2 一個簡單的模具裝配  2.1 很多時候單腔和多腔模具之間的差異，印象中，塑料 模具的填充 也被稱為填補了腔。腔的安排被稱為腔布局。當(dāng)一個 模具 包含 多個腔時 ，它被稱為是一個多腔模具。圖 3（ a）和 3（ b）顯示了一個單腔模 具 和多腔模具。一個單腔模具通常是相當(dāng)大的設(shè)計部分，如繪圖儀封面和電視外殼。對于較小的如手手機蓋和齒輪部件，它總是 采用 更多經(jīng)濟設(shè)計的多腔模具，使更多的地方可以形成 生產(chǎn)成型周期?？蛻敉ǔ４_定 腔 的 數(shù)量 ，因為要 平衡投資成本。     2.2 一個多腔模 具在同一時間 生 產(chǎn) 不同的產(chǎn)品，作為一個 組合 模具。然而，它不是 模具不同腔的普通 設(shè)計，由于腔未必都是 熔融塑料在同一時間和同樣的溫度 填補。另一方面，多腔模具的生產(chǎn)在整個成型周期同樣的產(chǎn)品可以有一個平衡布局或不平衡的布局。均衡布局在其中一腔都統(tǒng)一 用 相同條件下熔體在同一 時間 填補  15,16 時間 。短成型如果不平衡的布局正在使用，但是這通過修改的長度和跨節(jié)莖加以克服（為熔融塑性 從 澆口流動腔 的通道 ）。由于這不是一種有效的方法，盡可能避免。圖 4 顯示了短期 注塑 情況是由于不平衡的布局。均衡 布局可進一步分為兩類：直線和圓弧。線性均衡布局可容納 2， 4，8， 16， 32 等 型腔 ，即它遵循一個 n2 系列。均衡的圓形布局可以有 3， 4， 5， 6個或更多腔，但有一腔的數(shù)量限制，可安置在一個平衡的，因為圓的空間布局限制。圖 5 顯示了 已經(jīng)被討論的 多腔布局。  3.設(shè)計方法  本節(jié)介紹的設(shè)計方法 是 一個注塑模具參數(shù)控制腔布局設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)的概述。建立有效的工作模具設(shè)計方法是 建立 各種部件和組件到最適當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計樹。圖 6 顯示了模具裝配第一級組件和部件 的 層次設(shè)計樹。其他部件和組件的裝配 是從 第二級開始到第 n 模具裝配水平層次設(shè)計樹。對于這個 系統(tǒng) ，重點將僅在 “ 腔布局設(shè)計 ” 。  3.1 標(biāo)準(zhǔn)化程序  為了節(jié)省在模具設(shè)計過程中的時間，有必要確定設(shè)計通常功能 的 使用。每一個 重復(fù)模具設(shè)計過程，然后可以標(biāo)準(zhǔn)化。圖 7 可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)化  “ 腔布局設(shè)計 ” 的相互作用程序 中 有兩個區(qū)段：組件裝配標(biāo)準(zhǔn)化和模腔布局配置標(biāo)準(zhǔn)化。   17 3.1.1 組件標(biāo)準(zhǔn)化  腔布局配置 前 可以標(biāo)準(zhǔn)化，但必須認(rèn)識到部件和組件 是通過腔布局中各種腔被重復(fù)的 。圖 8 顯示了詳細(xì)的 “ 腔布局設(shè)計 ” 等級設(shè)計樹。  主要插入組件（腔中）層次結(jié)構(gòu)設(shè)計樹 的 第二層有 許多 部件和組裝部件 從層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計樹第三層開始直接 插入 。它們可以被看作是主要部分和次要組件。主要部分存在于每一個模具設(shè)計。次要組成部分依賴于塑 件的 生產(chǎn)，所以他們可能 存在 或可能不存在在模具設(shè)計。因此，把這些元件及部件 歸于 主要插入組件，確保每 一個 重復(fù)的主要插入（腔）繼承從第三級開始層次設(shè)計樹 的 相同的部件和零部件。因此，沒有必要重新設(shè)計類似的部件和組件中的每一個腔腔布局。     18 布局設(shè)計 809圖 3 （ a）單腔模具   （ b）多腔模具   圖  4 在短成型布局不平衡  810 雜木低和堪薩斯州利   19 圖 5 多腔布局   圖 6 模具裝配分層 設(shè)計樹   圖 7 在標(biāo)準(zhǔn)化的相互作用過程  3.1.2 腔布局配置標(biāo)準(zhǔn)化  有必要 把那些有標(biāo)準(zhǔn)的，哪些是非標(biāo)準(zhǔn) 的 腔布局配置 進行 研究和分類。圖 9 顯示了腔布局配置 的 標(biāo)準(zhǔn)化程序。腔布局設(shè)計，也可以采取為多腔布局或單腔布局，但始終 由 顧客確定這一決定。一個單腔布局 20 總是視為標(biāo)準(zhǔn)配置。多腔模具可以在同一時間 生產(chǎn) 不同的產(chǎn)品 或 在同一時間 生產(chǎn) 同一產(chǎn)品。腔布局設(shè)計系統(tǒng) 811 圖 8 詳細(xì)的 “ 腔布局設(shè)計 ” 分層設(shè)計樹  模具 在同一時間生產(chǎn) 不同的產(chǎn)品被稱為 組合 模具，這是一個非傳統(tǒng)的設(shè)計。因此，多腔 組合 模具有一個非標(biāo)準(zhǔn)配置。生產(chǎn)同一種產(chǎn)品 的 多 腔模具包含一個平衡的布局設(shè)計和失衡 的 布局設(shè)計。不平衡的布局設(shè)計是很少使用，因此，它被認(rèn)為 是一個 非標(biāo)準(zhǔn)配置。不過，均衡布局的設(shè)計也可以包括任何線性布局設(shè)計或圓形 布局 設(shè)計圖。這取決于那些根據(jù)客戶要求的模腔數(shù)。必須指出， 雖 然，有任何其他腔 非 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù) 量 也 被 列為一個非標(biāo)準(zhǔn)配置。 在 標(biāo)準(zhǔn)的布局設(shè)計分類后 ， 其詳細(xì)信息可以 被列入 標(biāo)準(zhǔn)化模板。這種標(biāo)準(zhǔn)化的模板 被 預(yù)定義 為在 模具裝配設(shè)計和支持所有的標(biāo)準(zhǔn)配置的腔布局的設(shè)計水平。這將確保所需的配置可以很快加載進入模具裝配設(shè)計布局而不需要重新設(shè)計。  3.2 標(biāo)準(zhǔn)化模板 從圖 10 可看出 ，有兩個 部分標(biāo)準(zhǔn)化模板：一個配置數(shù)據(jù)庫和布局設(shè)計表 。   21 配置數(shù)據(jù)庫包括所有布局 的 標(biāo)準(zhǔn)配置，每個布局結(jié)構(gòu) 都 有自己的布局設(shè)計表 的 幾何參數(shù)。由于模具制造行業(yè)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，配置數(shù)據(jù)庫可以 將 那些以前采取定制 的 視為非標(biāo) 準(zhǔn) 設(shè)計。   圖 9 標(biāo)準(zhǔn)化程序腔的布局配置   22 圖 10 標(biāo)準(zhǔn)化模板  3.2.1 配置數(shù)據(jù)庫  數(shù)據(jù)庫可以 被 用來包含的所有不同標(biāo)準(zhǔn)配置的名單。在這個數(shù)據(jù)庫 中的 配置總數(shù)相當(dāng)于 在模具配置的腔布局設(shè)計水平中可用的布局配置的數(shù)量 。在數(shù)據(jù)庫中所列出的 信息 是配置數(shù)量，類型和 腔的 數(shù)量。表 1 顯示了一個配置數(shù)據(jù)庫的例子。 配置數(shù)量是相應(yīng) 類型可用布局配置的每一個名字的腔的數(shù)量 。當(dāng)布局的特殊類型和數(shù)量 被定義時 ，適當(dāng)?shù)牟季峙渲脤⒈患虞d到腔設(shè)計 中。  3.2.2 布局設(shè)計表  在 配置數(shù)據(jù)庫中 的 每一個標(biāo)準(zhǔn)配置 都 有自己的布局設(shè)計表。布局設(shè)計表包含 每一個配置的 布局結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù) 并且 每個配置 是 獨立的。一個更復(fù)雜布局結(jié)構(gòu)將有更多的幾何參數(shù) 去 控制腔布局。圖 11（ a）和 11（ b）顯示回模具板（核心板）與大型腔和裝配四個小型腔相同的四腔布局。它總是更經(jīng)濟，容易加工，而不是機器個別一大型腔在鋼塊小型腔。機械加工的優(yōu)勢一個大型腔是：  812 雜木低和堪薩斯州利   23 圖 11 凹模板  1、可以節(jié)省 腔之間更多的空間，因此，小鋼塊都可以使用。 2、 相對于加工多個小型腔加工大型腔更快 一些 。 3、相對加工 多個較小的型腔 加工 一個大型腔 有更高的精度。因此，幾何參數(shù)的默認(rèn)值在布局設(shè)計中 由表腔之間的距離決定 。然而，為了使系統(tǒng)更加靈活，幾何參數(shù)的默認(rèn)值可以修改以適應(yīng)每一個有需要的模具設(shè)計。  3.3 建立幾何參數(shù)   幾何參數(shù)有三個變量： 1、 腔之間的距離（彈性）。腔之間的距離 要在 布局設(shè)計表中列出他們可以由用戶控制或修改。那個距離默認(rèn)值， 使得 沒有腔之間的 沒有 距 離 。 2、單型 腔 的圓角 方向（彈性）。 單型腔的圓角方向 也要在布局設(shè)計表中列出 ，用戶可以 更改 。 對 多腔布局，所有的腔 的圓角方向都必須和 布局設(shè)計表所示 的相同 。如果修改 圓角方向 ，所有的腔 的圓角都必須改變相同的角度 ，而不影響布局配置。 3、 各腔之間的 組裝 關(guān)系（固定）。 腔的圓角方向要相互配合，在單獨的布局設(shè)計中被預(yù)定義，而且被各腔之間的相互組裝關(guān)系控制，除了定制的，這適用于所有的布局設(shè)計 。圖 12 顯示了一個單腔布局 設(shè)計 例子和幾何參數(shù)。主要插入 /腔的起源是在該中心。  x1 的默認(rèn)值和 Y1 為零，使腔是該布局 的 中心（兩個相互重疊的起源）。用戶可以更改 X1 和 Y1 的 默認(rèn)值 ，使腔可以適當(dāng)?shù)?彌補 。圖 13 顯示了一個八腔布局結(jié)構(gòu)例子和幾何參數(shù)。  X 和 Y 的默認(rèn)值 是主要插入尺寸 /腔。 在 默認(rèn)情況下， x1 和 X2的默認(rèn)值 等于 x， 1 值等于為 Y，因此腔之間不存在距 離 。 X1， X2 和 1 可 被提高 以適應(yīng)設(shè)計中 腔之間的距 離 。這些 默認(rèn) 值 會 在布局設(shè)計表 中列出 。如果 某個 腔 被調(diào)整 90 ， 那么其他 腔 也必須跟著調(diào)整相同的角度 ，但布局設(shè)計 仍保持不變 。用戶可以通過改變布局設(shè)計表格 中 的參數(shù) 來改變腔的角度 。布局如圖14。   24 圖 12 單腔布局結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)  腔布局設(shè)計系統(tǒng) 813 圖 13 八腔布局結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)無腔旋轉(zhuǎn)  一個復(fù)雜的腔 布局配置，有更多幾何參數(shù)，必須使用的相關(guān)方程的參數(shù)。  4.塑料模具的控制腔布局設(shè)計  參數(shù)原型用奔騰三 PC 兼容的硬件執(zhí)行 。這個原型系統(tǒng)使用了商用 CAD 系統(tǒng)（ SolidWorks2001）和商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（ Microsoft Excel） 等 軟件。該原型系統(tǒng)的開發(fā)使用微軟的 Visual C + + V6.0 的編程語言和 SolidWorks 的 API（應(yīng)用編程接口） 在 Windows   25 圖 14 八腔布局結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)與腔旋轉(zhuǎn)  NT 的環(huán)境 中 。 SolidWorks 的選擇主要有兩個原因： 1。 主要由于硬件的采購成本，在 CAD /CAM 行業(yè)的上升趨勢已經(jīng)轉(zhuǎn)向以 Windows 為基礎(chǔ)的個人電腦 的使用而不是基于 UNIX。 2。三維 CAD 軟件完全兼容 Windows，從而它能夠從Microsoft Excel 中 順利整合 信息 到 CAD 文件 中 （零件，裝配和繪圖） 17。這個原型系統(tǒng)有 8 個標(biāo)準(zhǔn)布局配置數(shù)據(jù)庫在 Excel 文件中列出。 如 圖 15 所示。（ 1）。與此相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)庫，布局設(shè)計水平，這是一個具有相同的布局配置SolidWorks（ layout.sldasm） 的裝配文件 。 與 Excel 文件中的配置名稱 相 對應(yīng)的 布局配置文件名稱，如圖 15（ b）所示 。 每腔布局文件（ layout.sldasm）項目將預(yù)先加載這些布局配置。當(dāng)所需的布局配置是通過用戶的要求接口，布局結(jié)構(gòu)將被加載。用戶界面如圖。 16 裝載要求 的 布局配置 要事先下載 。在加載要求 的 布局配置 后 ，當(dāng)前的布局配置信息將在列表框中 列出 。然后用戶可以改變當(dāng)前的布局配置 以適應(yīng)在配置數(shù)據(jù)庫中建立的任何相應(yīng)布局設(shè)計 。 如 圖 17 所示。 當(dāng)用戶按下用戶界面底部的按鈕包含幾何參數(shù)的布局結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計表會被激活 。當(dāng)幾何參數(shù)的 默認(rèn) 值改變 時 腔的設(shè)計亦相應(yīng)更新。圖 18 顯示了當(dāng)前的布局配置激活 的 布局設(shè)計表。  5.案例研究  手機外殼 CAD 模型，如圖 19 所示 ， 是用在下面的案例研究。 原始的 CAD 模型要根據(jù)使用的模具樹脂的收縮默認(rèn)值來縮放設(shè)計插入件來阻止收縮部分，這 26 整個組件被稱為主要插入組件 （三十 cavity.sldasm）， 814 雜木低和堪薩斯州利   圖 15 配置數(shù)據(jù)庫和布局模板原型系統(tǒng)   圖 16 在用戶 登陸 界面之前加載所要求的配置  其中 “xxx” 是項目的名稱。圖 20 顯示的主要插入組件。主要插入 件 創(chuàng)建后，腔布局設(shè)計系統(tǒng)，可用于制備模具裝配 的 腔布局。  5.1 方案 1：初步腔布局設(shè)計在模具設(shè)計 中 ， 所設(shè)計的 模具總是 由 客戶 決定 ，因為他們要平衡 設(shè)備投資 和最初的預(yù)算 ?？蛻粢呀?jīng) 要求設(shè)計一個兩腔模具生產(chǎn) 手機外殼。創(chuàng)建主要插入組件 后 ，模具設(shè)計 師會下載一個使用此腔設(shè)計系 27 統(tǒng)的兩腔線性布局配置 。相應(yīng)配置的名稱是 L02，并在用戶界面中列出如圖 21所示。  5.2 方案 2：腔布局設(shè)計改造與客戶 與 模具設(shè)計者 之間的 技術(shù)討論會是常見的。這使得 對模具制造的 三維 CAD 文件 都要盡可能快的做出調(diào)整 。變化幾乎總是不可避免的，模具設(shè)計人員從來沒有 多余 的時間。在這種情況下，在技術(shù)討論會 上 ，為客戶改變了主意，需要一個四腔線性而不是兩腔模具使 該  甲腔布局設(shè)計系統(tǒng) 815 圖 17 加載所要求的配置 后 的 用戶界面   28 圖 18 與布局設(shè)計表的用戶界面  816 雜木低和堪薩斯州利   圖 19 手的手機 CAD 模型