Cadmould仿真軟件： 注塑成型可持續性的數據化呈現及自動評估

塑料行業在實現可持續發展和減少其環境足跡方面正面臨著重大挑戰。鑒于氣候變化、能源成本上漲以及歐盟《包裝和包裝廢棄物法規》（PPWR）等法規的實施，資源高效型和能源節約型生產已成為企業保持競爭力的關鍵所在。作為LCA4Sim項目（塑料注塑成型仿真中的生命周期評估）的一部分，漢諾威應用科技大學生物塑料與生物復合材料研究所（IfBB）攜手項目合作伙伴Simcon、beku-plast、Greendelta等企業，和弗勞恩霍夫木材研究所（WKI）共同研發創新解決方案，以改善塑料產品的生態足跡。該項目的核心在于將生命周期評估（LCA）組件整合至注塑成型仿真流程，從而推動資源節約、環境友好的生產工藝的發展。

標題圖：當LCA組件融入注塑成型仿真，可持續性的希望幼苗將茁壯成長 © IfBB（AI生成）

目前，如何優化選擇注塑機、模具、高效的設備參數以及聚合物材料，對于保障產品和公司的效率及盈利能力至關重要。在規劃和生產階段，諸如Cadmould等注塑成型仿真軟件已能發揮重要作用。若要評估產品的環境影響，則可依據DIN EN ISO 14040/44標準進行生命周期評估。此時，可采用Greendelta GmbH公司開發的openLCA等軟件，該軟件以數據庫的形式集成了復雜的產品和工藝價值鏈，因此能夠精準映射產品和服務全生命周期中的排放和資源消耗情況。

項目成果表明，采用Cadmould軟件不僅可以避免在后期開發階段進行成本和資源密集型修正，還能在產品規劃過程中就將產品的可持續性納入考量。

將可持續性融入產品開發過程

LCA4Sim項目的核心在于將源自UVEK數據庫（德國聯邦環境、交通、能源和通信部（DETEK））并經openLCA處理后的可持續性相關數據集成至Cadmould仿真軟件中。這種集成使工程師能夠在產品開發之初就綜合考慮其產品和注塑成型工藝的可持續性。這相較于以往在開發后期才將可持續性因素納入考量且往往需要付出高昂代價才能更改設計方案的做法有了顯著改進。該功能通過openLCA 和Cadmould之間的接口來實現，它為產品全生命周期（包括生產環節）的前瞻性可持續性評估奠定了技術基礎。

圖1：Cadmould和openLCA之間的接口實現了塑料產品的前瞻性可持續性評估（來源：IfBB；圖表：© Hanser）

圖2：可建模原材料、運輸和加工步驟的個體流程圖（來源：IfBB；圖表：© Hanser）

可持續性評估先于首次注塑

OpenLCA可持續性數據與Cadmould軟件的融合通過一個全新集成的LCA4Sim按鈕直觀呈現。用戶可通過該按鈕在產品的整個制造過程中調用該接口，計算其模擬的注塑成型工藝的環境影響，如全球變暖潛能值（GWP）（圖1）。該模型能精準界定材料和能源消耗，完整呈現從材料選擇、混配到注塑成型的全部流程，并支持納入干燥等其他工藝步驟。此外，還可配置不同國家和地區的電網結構以及多種運輸方式（圖2）。

得益于LCA4Sim工具的集成，用戶可通過友好的輸入界面將產品供應鏈和所用電力結構等重要參數導入Cadmould并即時計算全球變暖潛能值（GWP）。若缺乏特定數據，還可訪問內置數據庫，該數據庫提供多層級平均值數據，因此即使在供應鏈和參數未知的情況下仍能實現可靠建模。

驗證流程與能耗測量

作為研究項目的一部分，驗證流程以Cadmould模擬所得的注塑機配置參數為基礎，并通過針對性的實際試生產循環對這些參數進行驗證和比對。

圖3：該運輸箱是新型仿真流程驗證階段的一部分 © IfBB

Cadmould中的數學模型被用于定義特定參數變量，以便對不同注塑機上用多種聚合物生產各類部件時的單位能耗進行分析。項目團隊首先明確了對能耗影響最為顯著的關鍵參數變量。隨后，在驗證階段針對料筒溫度、保壓壓力、注射時間和模具溫度等核心參數進行調控，從而確定其對能耗的影響。針對每個參數變量，團隊在驗證階段對十次生產周期的能耗數據進行了測量和比對。驗證工作選用五種不同的聚合物并在多地同步開展：薯條盒、拉伸試棒等小型部件在德國漢諾威的IfBB研究所和霍夫澤特木纖維應用中心生產，而運輸集裝箱（圖3）及其鎖扣等大型部件則由德國林格的bekuplast公司負責制造并承擔工業規模的評估測試。

為了精確測量能耗，他們使用了兩套測量系統：Power Q4 Plus功率分析儀（制造商：Metrel）和UMG 96 RM（制造商：Janitza）。兩者的對比結果高度一致，充分印證了測量數據的可靠性。驗證階段的另一重要考慮因素在于各個注塑機的獨立能耗以及不同外圍設備和參數設置之間的交互影響。這使團隊能夠深入分析加熱器和液壓泵的間歇運行等現象。這些有價值的發現均在驗證階段被充分吸收并反饋至后續仿真流程用于優化工藝參數。

圖4：參數變化對單位能耗的影響 （來源：IfBB； 圖表：© Hanser）

對各項參數變量的獨立研究顯揭示了哪些參數對能耗的影響最為顯著（圖4）。如若參數設置失當，任何工藝階段均會產生額外的能耗。在本次研究的參數變量中，冷卻時間和料筒溫度表現出最大的節能潛力。

圖5：驗證階段單個周期內采用不同參數設置的有功功率曲線（單位：[kW]）（部件：運輸箱） （來源：IfBB；圖表：© Hanser）

兩種參數變量的能耗對比

通過仔細觀察測試方案V1（綠線）和V2（黃線）在運輸箱生產過程中的能耗曲線（圖5）可以發現，V2方案的特點是生產周期更短。盡管通過料筒加熱圈加熱塑料顆粒是一個高能耗過程，且加熱元件是間歇運行的，但在所有分析的參數中，模具內塑件的冷卻過程對總能耗的影響最為顯著。型腔向溫控單元冷卻介質傳熱的效率參數表現出最大的優化潛力，它通過縮短冷卻時間等措施即可實現能效提升。

圖6：注塑件1和注塑件2（薯條碗和拉伸試棒）在驗證階段的決定系數R² （來源：IfBB；圖表：© Hanser）

驗證階段最重要的成果之一是實驗測量值與仿真能量值高度吻合。通過與多種常用聚合物類型進行對比，團隊對所應用模型的穩健性進行了評估。決定系數（R²）是一個統計指標，它反映了模型對因變量變異性的解釋能力。R²值越接近1，表明擬合度越高：1代表完全一致，0則意味著毫無相關性。此次研究中的R²值介于0.89至0.99之間（圖6），表明Simcon模型與實驗結果之間具有高度一致性。這一精準的對應關系使得通過虛擬仿真預測注塑件生產所需的能耗及相應設備參數成為可能。

綜上所述，本次驗證過程證實了所用測量系統和測量方法的可靠性，同時明確了對注塑機能耗有顯著影響的關鍵參數設置。工藝參數設置對能耗和由此產生的全球變暖潛能值（GWP）具有決定性影響。此外，聚合物牌號、增強纖維、填料和添加劑的選擇也至關重要。通過新型接口整合openLCA數據可對選定原材料及加工步驟的排放情況進行模擬。這有助于實現更精準高效的生產工藝設計，從而推動塑料加工領域能耗的可持續下降。

結語

Cadmould和openLCA接口實現的經濟性和可持續性設計的精準融合，為塑料行業提供了優化生產流程并最大限度降低成本和環境影響的機會。用戶可在早期開發階段就考慮并優化環境影響和經濟效益。LCA4Sim項目表明，對工藝參數進行深入分析和精準優化能夠提升能源效率并減輕環境負擔?？傮w而言，該項目為塑料行業的可持續發展開辟了新前景，充分展現了數字化技術在提高生產生態和經濟效益方面的潛力。

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
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.

來源：榮格-《國際塑料商情》

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