Cadmould仿真软件： 注塑成型可持续性的数据化呈现及自动评估

塑料行业在实现可持续发展和减少其环境足迹方面正面临着重大挑战。鉴于气候变化、能源成本上涨以及欧盟《包装和包装废弃物法规》（PPWR）等法规的实施，资源高效型和能源节约型生产已成为企业保持竞争力的关键所在。作为LCA4Sim项目（塑料注塑成型仿真中的生命周期评估）的一部分，汉诺威应用科技大学生物塑料与生物复合材料研究所（IfBB）携手项目合作伙伴Simcon、beku-plast、Greendelta等企业，和弗劳恩霍夫木材研究所（WKI）共同研发创新解决方案，以改善塑料产品的生态足迹。该项目的核心在于将生命周期评估（LCA）组件整合至注塑成型仿真流程，从而推动资源节约、环境友好的生产工艺的发展。

标题图：当LCA组件融入注塑成型仿真，可持续性的希望幼苗将茁壮成长 © IfBB（AI生成）

目前，如何优化选择注塑机、模具、高效的设备参数以及聚合物材料，对于保障产品和公司的效率及盈利能力至关重要。在规划和生产阶段，诸如Cadmould等注塑成型仿真软件已能发挥重要作用。若要评估产品的环境影响，则可依据DIN EN ISO 14040/44标准进行生命周期评估。此时，可采用Greendelta GmbH公司开发的openLCA等软件，该软件以数据库的形式集成了复杂的产品和工艺价值链，因此能够精准映射产品和服务全生命周期中的排放和资源消耗情况。

项目成果表明，采用Cadmould软件不仅可以避免在后期开发阶段进行成本和资源密集型修正，还能在产品规划过程中就将产品的可持续性纳入考量。

将可持续性融入产品开发过程

LCA4Sim项目的核心在于将源自UVEK数据库（德国联邦环境、交通、能源和通信部（DETEK））并经openLCA处理后的可持续性相关数据集成至Cadmould仿真软件中。这种集成使工程师能够在产品开发之初就综合考虑其产品和注塑成型工艺的可持续性。这相较于以往在开发后期才将可持续性因素纳入考量且往往需要付出高昂代价才能更改设计方案的做法有了显著改进。该功能通过openLCA 和Cadmould之间的接口来实现，它为产品全生命周期（包括生产环节）的前瞻性可持续性评估奠定了技术基础。

图1：Cadmould和openLCA之间的接口实现了塑料产品的前瞻性可持续性评估（来源：IfBB；图表：© Hanser）

图2：可建模原材料、运输和加工步骤的个体流程图（来源：IfBB；图表：© Hanser）

可持续性评估先于首次注塑

OpenLCA可持续性数据与Cadmould软件的融合通过一个全新集成的LCA4Sim按钮直观呈现。用户可通过该按钮在产品的整个制造过程中调用该接口，计算其模拟的注塑成型工艺的环境影响，如全球变暖潜能值（GWP）（图1）。该模型能精准界定材料和能源消耗，完整呈现从材料选择、混配到注塑成型的全部流程，并支持纳入干燥等其他工艺步骤。此外，还可配置不同国家和地区的电网结构以及多种运输方式（图2）。

得益于LCA4Sim工具的集成，用户可通过友好的输入界面将产品供应链和所用电力结构等重要参数导入Cadmould并即时计算全球变暖潜能值（GWP）。若缺乏特定数据，还可访问内置数据库，该数据库提供多层级平均值数据，因此即使在供应链和参数未知的情况下仍能实现可靠建模。

验证流程与能耗测量

作为研究项目的一部分，验证流程以Cadmould模拟所得的注塑机配置参数为基础，并通过针对性的实际试生产循环对这些参数进行验证和比对。

图3：该运输箱是新型仿真流程验证阶段的一部分 © IfBB

Cadmould中的数学模型被用于定义特定参数变量，以便对不同注塑机上用多种聚合物生产各类部件时的单位能耗进行分析。项目团队首先明确了对能耗影响最为显著的关键参数变量。随后，在验证阶段针对料筒温度、保压压力、注射时间和模具温度等核心参数进行调控，从而确定其对能耗的影响。针对每个参数变量，团队在验证阶段对十次生产周期的能耗数据进行了测量和比对。验证工作选用五种不同的聚合物并在多地同步开展：薯条盒、拉伸试棒等小型部件在德国汉诺威的IfBB研究所和霍夫泽特木纤维应用中心生产，而运输集装箱（图3）及其锁扣等大型部件则由德国林格的bekuplast公司负责制造并承担工业规模的评估测试。

为了精确测量能耗，他们使用了两套测量系统：Power Q4 Plus功率分析仪（制造商：Metrel）和UMG 96 RM（制造商：Janitza）。两者的对比结果高度一致，充分印证了测量数据的可靠性。验证阶段的另一重要考虑因素在于各个注塑机的独立能耗以及不同外围设备和参数设置之间的交互影响。这使团队能够深入分析加热器和液压泵的间歇运行等现象。这些有价值的发现均在验证阶段被充分吸收并反馈至后续仿真流程用于优化工艺参数。

图4：参数变化对单位能耗的影响 （来源：IfBB； 图表：© Hanser）

对各项参数变量的独立研究显揭示了哪些参数对能耗的影响最为显著（图4）。如若参数设置失当，任何工艺阶段均会产生额外的能耗。在本次研究的参数变量中，冷却时间和料筒温度表现出最大的节能潜力。

图5：验证阶段单个周期内采用不同参数设置的有功功率曲线（单位：[kW]）（部件：运输箱） （来源：IfBB；图表：© Hanser）

两种参数变量的能耗对比

通过仔细观察测试方案V1（绿线）和V2（黄线）在运输箱生产过程中的能耗曲线（图5）可以发现，V2方案的特点是生产周期更短。尽管通过料筒加热圈加热塑料颗粒是一个高能耗过程，且加热元件是间歇运行的，但在所有分析的参数中，模具内塑件的冷却过程对总能耗的影响最为显著。型腔向温控单元冷却介质传热的效率参数表现出最大的优化潜力，它通过缩短冷却时间等措施即可实现能效提升。

图6：注塑件1和注塑件2（薯条碗和拉伸试棒）在验证阶段的决定系数R² （来源：IfBB；图表：© Hanser）

验证阶段最重要的成果之一是实验测量值与仿真能量值高度吻合。通过与多种常用聚合物类型进行对比，团队对所应用模型的稳健性进行了评估。决定系数（R²）是一个统计指标，它反映了模型对因变量变异性的解释能力。R²值越接近1，表明拟合度越高：1代表完全一致，0则意味着毫无相关性。此次研究中的R²值介于0.89至0.99之间（图6），表明Simcon模型与实验结果之间具有高度一致性。这一精准的对应关系使得通过虚拟仿真预测注塑件生产所需的能耗及相应设备参数成为可能。

综上所述，本次验证过程证实了所用测量系统和测量方法的可靠性，同时明确了对注塑机能耗有显著影响的关键参数设置。工艺参数设置对能耗和由此产生的全球变暖潜能值（GWP）具有决定性影响。此外，聚合物牌号、增强纤维、填料和添加剂的选择也至关重要。通过新型接口整合openLCA数据可对选定原材料及加工步骤的排放情况进行模拟。这有助于实现更精准高效的生产工艺设计，从而推动塑料加工领域能耗的可持续下降。

结语

Cadmould和openLCA接口实现的经济性和可持续性设计的精准融合，为塑料行业提供了优化生产流程并最大限度降低成本和环境影响的机会。用户可在早期开发阶段就考虑并优化环境影响和经济效益。LCA4Sim项目表明，对工艺参数进行深入分析和精准优化能够提升能源效率并减轻环境负担。总体而言，该项目为塑料行业的可持续发展开辟了新前景，充分展现了数字化技术在提高生产生态和经济效益方面的潜力。

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Kevin Ullmann, B.Eng.，Dipl.-Ing. (FH) Marco Neudecker，Prof. Dr.-Ing. Andrea Siebert-Raths，Dr. Stephen Kroll，Frederik Block, M.Sc.，Christina Haxter, M.Eng.，Raphael Zimmermann, M.Sc.，Timo Wegebakker, M.Sc.

来源：荣格-《国际塑料商情》

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