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　1 注塑成型 CAE 技術(shù)概述

　　鑒于數值模擬技術(shù)在美國航空航天領(lǐng)域的成功應用， 1978年，澳大利亞人 Austin 創(chuàng )立了 Moldflow 公司，開(kāi)始預測注塑成型加工中的型腔充填過(guò)程，開(kāi)始了最早的注塑成型 CAE （ Computer-Aided-Engineering ）技術(shù)，即計算機輔助工程（用計算機屏幕上的顯示結果取代真實(shí)的生產(chǎn)試模過(guò)程）。 1992年，美國 Cornell 大學(xué) K.K.Wang 研究小組完成了注塑成型 CAE 技術(shù)里程碑式的工作，建立了二維平面問(wèn)題流動(dòng)充填、保壓、冷卻過(guò)程之集成數學(xué)模型和可行的數值算法； 1999年，三維實(shí)體模型流動(dòng)計算開(kāi)始實(shí)現商品化[1，2] 。目前專(zhuān)業(yè)化的成型加工模擬軟件有： Moldflow公司的 MPI MPA ， MPX 系列，華中科技大學(xué)的 HSCAE6.10，鄭州大學(xué)的 Zmold 軟件，及臺灣科盛公司的 Moldex3D 軟件[[3，4]，這些軟件基本能完成注塑成型加工中的充填、保壓、冷卻及其變形分析預測。

　　在塑料制品生產(chǎn)中，高分子材料、模具、成型工藝三者關(guān)系密切；在加工中，由于制品形狀復雜、材料本身的特性以及復雜的邊界條件和不確定因素使材料成型過(guò)程經(jīng)歷了相當復雜的變形歷史和相態(tài)變化。面對復雜的變形歷史和相態(tài)變化，傳統解析法 / 半解析法的應用受到很大限制，以有限元法為代表的數值模擬方法開(kāi)辟了嶄新的應用前景。通常，注塑成型過(guò)程數值模擬的實(shí)現包含以下四個(gè)方面[5]：

　?。?1 ） 工程問(wèn)題的描述和凝練。在對成型過(guò)程和模具設計的正確認識和理解基礎上，用一個(gè)具有工程背景、力學(xué)涵義的“理論模型”描述該問(wèn)題；

　?。?2 ） 高分子材料特性的描述。在“理論模型”框架下，用一系列狀態(tài)參數和本構模型描述高分子成型過(guò)程中受到溫度、壓力作用下隨著(zhù)時(shí)間變化的形式，以明確塑料原料在制品成型過(guò)程中的行為；

　?。?3 ） 明確“數學(xué)模型”。根據所確定的描述成型過(guò)程參數，建立成型過(guò)程的數學(xué) - 物理 - 力學(xué)方程；

　?。?4 ） 用合適的數值計算方法實(shí)現對成型過(guò)程的數值分析。

　　注塑成型CAE技術(shù)常用的數學(xué)模型和方法，詳見(jiàn)文獻[5-7]和相關(guān)文獻，這里不再細述。

　　在原料價(jià)格日益上漲，能源、人力成本不斷增加的情況下，產(chǎn)品的質(zhì)量與成本已成為企業(yè)生存發(fā)展的生命線(xiàn)。實(shí)踐證明，注射成型 CAE 技術(shù)對加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本起著(zhù)關(guān)鍵作用，是支持企業(yè)確立競爭優(yōu)勢的強有力的手段。但CAE技術(shù)通常要求較強的專(zhuān)業(yè)知識背景，使得 CAE 技術(shù)普及推廣有一定難度，進(jìn)而難于發(fā)揮 CAE 技術(shù)的作用。

　　本文主要介紹 CAE 技術(shù)在傳統注塑成型，以及革新成型中的應用，結合實(shí)例，說(shuō)明 CAE 技術(shù)的正確使用方法，了解其對生產(chǎn)實(shí)踐的指導作用和應用局限。

　　2.CAE 技術(shù)在傳統注塑成型中的應用

　　在注塑成型加工的生產(chǎn)實(shí)踐中，試模和量產(chǎn)的問(wèn)題八成出在產(chǎn)品與模具設計，因此做好設計工作，調模時(shí)試錯（ trials and errors ）調試的工作量就可以減少，同時(shí)量產(chǎn)時(shí)的制品的合格率就可以有效提高，省料省時(shí)是必然的。 CAE 分析工具可以預測可能發(fā)生的問(wèn)題、理清問(wèn)題的原因以及找出解決方案， 有了 CAE ，設計的工作可以高效高質(zhì)量的進(jìn)行[8]。

　　CAE 作為現代設計的輔助工具，使用的基本流程和步驟如圖 1 所示。圖 1 中的 5-7 步是大家熟悉的 CAE 軟件應用過(guò)程。

 

圖 1 CAE 分析的基本流程圖[9]

　　用 CAE 技術(shù)可以預測在注塑成型加工中問(wèn)題[9，10]，如是型腔否充填滿(mǎn)，是否產(chǎn)生飛邊，凹痕，熔接線(xiàn)等；模具結構是否合理，如多澆注系統的平衡，制品厚度設計、冷卻管路的設計是否合理等；成型工藝參數的設定，如保壓切換點(diǎn)，射出速度、保壓時(shí)間等，詳細內容請參考相關(guān)文獻。

　　目前的 CAE 軟件都能對充填的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行很好的預測。這里從制品的成型品質(zhì)角度介紹 CAE 的應用。

　　2.1 熔接線(xiàn)預測

　　大陽(yáng)摩托車(chē)的后視鏡注塑制品，如圖 2 所示，材料為 ABS ，制品在設計中，由于裝飾和功能的需要，制品厚度從 3.5mm 變化到 0.8mm ， CAE 分析應用的軟件是鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程中心研制出的 Partmolding 軟件[11]和商品化的 CAE 分析軟件。目的是查看設計是否合理，并確定熔接線(xiàn)的位置。

　　從圖 2 可知，兩個(gè)模擬結果對頂部預測熔接線(xiàn)的位置 A ，預測較好；對于中部的薄壁部分 B ，模擬結果 1 和注射樣品比較吻合，模擬結果 2 對制品薄壁 B 處的模擬有偏差。原因在于模擬用的是雙面模型，在數值算法的處理技巧上，模擬 2 所用的軟件忽略了兩個(gè)平面問(wèn)題的匹配，模擬有些失真。

　　另外，制品對制品表面氣穴（ air trap ）的預測，也可以通過(guò)流動(dòng)分析完成。

 

圖 2 摩托車(chē)后視鏡的模擬結果[5]

 

圖 3 塑料制品成型常見(jiàn)的缺陷

　　2.2 成型中其他外觀(guān)缺陷的預測

　　注塑成型生產(chǎn)中出現的常見(jiàn)缺陷，如飛邊 / 毛邊（ Flash ）、流痕（ Flow Line ）、短射（ Short Shot ）、凹痕 / 縮痕（ Sink Mark ）（圖 3a ）、縮孔（ Void ）、條紋（ Streak ）、射流（ Jetting ）（圖 3b ）、亮斑（圖 3c ）和翹曲（ Warpage ）等，常常使得制品的合格率無(wú)法提高，成本無(wú)法降低。 CAE 技術(shù)目前可以解決一些問(wèn)題，但不是全部，這里做一簡(jiǎn)單的歸納。

　　● 飛邊 / 毛邊的判斷，需要根據流動(dòng)、保壓分析的結果人工判斷，壓力過(guò)高則容易產(chǎn)生飛邊，不像熔接線(xiàn)、氣穴的位置，軟件可以自動(dòng)識別。

　　● 流痕，對塑料制品，尤其是透明塑料制品影響很大，目前還不能模擬。

　　● 短射，通過(guò)充填分析的結果，可判斷出設計的方案是否出現短射。

　　● 凹痕，可用保壓分析結果中的 Sink Mark Index 參數進(jìn)行判斷， Sink Mark Index 值越大，說(shuō)明凹痕出現的概率越大。

　　● 出現在制品中間的縮孔（圖 4a ），目前商品化的模擬軟件不是容易獲得，需要實(shí)體模型和分析技巧完成。

　　● 射流，由于澆口位置不當和充填過(guò)快造成的，目前的模擬需要實(shí)體模型和分析技巧，常規的 CAE 模擬軟件難于完成。

　　● 條紋和亮斑目前無(wú)法量化模擬，只能根據人工經(jīng)驗提出修改方案。

　　● 翹曲變形分析目前商品化的軟件多可用完成，但是考慮的是熱彈性（不是熱粘彈性）方程，模擬的數值結果容易偏大。

　　3 注塑成型 CAE 技術(shù)的拓展應用

　　節能節料的先進(jìn)注塑成型技術(shù)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已取得良好的成效，如傳統注塑成型方面涉及的熱澆道系統、全電式注塑機、薄殼（ Thin-Wall ）高速注塑機、微細注塑成型機等；多料復合的革新成型技術(shù)（ Multimaterial Multiprocess ），如氣體 / 液體輔助注塑成型、三明治注塑成型、注塑壓縮成型、多成分注塑成型、模內涂裝成型（ In Mold Decoration ）、模內網(wǎng)絡(luò )成型（ Molded Interconnected Device ）等。這些成型技術(shù)的節能、節料效果良好，但這些技術(shù)的應用需要核心模具技術(shù)的搭配才能成功。

　　技術(shù)的革新先于模擬理論，因為有些原理的正確理解需要時(shí)間。目前商品化的軟件可以進(jìn)行氣體輔助注射成型，注塑壓縮成型、多成分注塑成型、模內涂裝成型等分析，但精度、實(shí)用性、方便性有待于進(jìn)一步改進(jìn)完善。

　　因為透明塑料制品，尤其是光學(xué)制品，如光學(xué)鏡片、鏡頭、棱鏡是有較好市場(chǎng)前景和利潤空間的制品，取代玻璃的發(fā)展趨勢日益明顯，且成型難度較大，所以用今年來(lái)解決的透明塑料制品的問(wèn)題，說(shuō)明 CAE 技術(shù)的拓展應用和對實(shí)際生產(chǎn)的指導作用。透明塑料制品常用的塑料有 PC 、 PMMA 、 mCOC 、 PS 等，不同的塑料所用的成型加工方法、成型工藝條件有較大區別，且成型品質(zhì)（主要是光學(xué)性能等內在品質(zhì)）也有相應的差別。

　　3.1 成型模具溫度穩定時(shí)間的預測

　　問(wèn)題提出：用 PC 材料，注射成型加工一模四穴的光學(xué)鏡片，制品中心薄 1.7mm ，邊緣厚 7mm[12，13]，生產(chǎn)過(guò)程不穩定，且制品合格率較低。希望能穩定生產(chǎn)，并提高制品的合格率。

 

圖 4 光學(xué)鏡片的模擬

　　分析方案：用三維實(shí)體模型和粘彈性本構方程進(jìn)行 CAE 分析，發(fā)現（ 1 ）制品在圓心到右端出現熔接痕，長(cháng)度幾乎和制品的半徑一樣；（ 2 ）模具溫度過(guò)低，厚度差異大，流動(dòng)充填不好，且容易產(chǎn)生氣孔。

　　改進(jìn)方法：用模具快速冷卻技術(shù)進(jìn)行模具溫度的控制。在制品圓心（制品最薄處）上方用加熱棒增熱，提高薄壁處的溫度，讓熔體更容易充填；用模溫機提高整體模具的溫度。

　　可行性用 ANSYS 配合現有的 CAE 商品化分析軟件[12]。修改后的方案用 CAE 技術(shù)模擬發(fā)現：（１）提高模具溫度，能有效減少熔解線(xiàn)，長(cháng)度減少 50-70% ，在鏡片毛坯的外圍（使用時(shí)切割掉的地方），進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量；（２）生產(chǎn)用的模具溫度，按原始方案的提供的工藝條件，需要 13-16 個(gè)生產(chǎn)周期后才能穩定，可以進(jìn)行穩定生產(chǎn)。

　　問(wèn)題產(chǎn)生是因為塑料原料成本高，原始生產(chǎn)方案中只進(jìn)行 8-10 個(gè)周期預熱模具，沒(méi)有進(jìn)入機臺的穩定工作溫度范圍；改進(jìn)后，用熱水加熱模具，減少原料的浪費同時(shí)穩定了生產(chǎn)，并提高了制品的合格率。

　　3.2 提高制品質(zhì)量的方法

　　這里以殘余應力和霧度為指標來(lái)研究光學(xué)制品的品質(zhì)。一般來(lái)講，殘余應力大的注塑制品光學(xué)性能會(huì )變差[14] 。在 CAE 分析基礎上，配合一些實(shí)驗結果，可以通過(guò)改變塑料原材料、成型工藝條件、成型工藝方法等提高光學(xué)制品的品質(zhì)。

　　一光學(xué)鏡頭，用 PC 加工，其透明度和流明達不到技術(shù)要求，通過(guò) CAE 分析并配合光彈測試設備、光學(xué)測量設備發(fā)現， PC 制品的內應力遠遠大于 PMMA ，在各方條件允許的情況下（主要是制品的功能要求），改用 PMMA 后，問(wèn)題得以解決。

　　工藝條件對 PC 殘余應力和光學(xué)性能的影響，詳細見(jiàn)表１、 2[14]，可用來(lái)參考設置工藝參數。

表 1 不同工藝條件下的 PC 板殘余應力變化[14]

工藝參數
 增大的變化趨勢
 應力條紋數
 對殘余應力的影響
 
模具溫度℃
 60 ， 70 ， 80
 9 ， 7 ， 5
 ↓ 減少趨勢
 
熔體溫度℃
 270 ， 290 ， 320
 3 ， 6 ， 14
 ↑ 增大趨勢
 
注射壓力 MPa
 90 ， 95 ， 100
 5 ， 5 ， 4
 ↓ 減少趨勢
 
注射時(shí)間 s
 3 ， 4 ， 5
 5 ， 5 ， 5
 －沒(méi)影響
 
保壓壓力 MPa
 50 ， 70 ， 90
 5 ， 5 ， 5
 －沒(méi)影響
 
保壓時(shí)間 s
 3 ， 4 ， 5
 8 ， 8 ， 8
 －沒(méi)影響
 
冷卻時(shí)間 s
 10 ， 20 ， 30
 6 ， 7 ， 7
 ↑ 增大趨勢
 

表 2 不同工藝條件下的 PC 板霧度的變化

工藝參數
 增大的變化趨勢
 對光學(xué)性能霧度的影響
 
模具溫度℃
 60 ， 70 ， 80
 ↑ 增大趨勢
 
熔體溫度℃
 270 ， 290 ， 320
 ↑ 增大趨勢
 
注射壓力 MPa
 90 ， 95 ， 100
 ↑ 增大趨勢
 
注射時(shí)間 s
 3 ， 4 ， 5
 －沒(méi)影響
 
保壓壓力 MPa
 50 ， 70 ， 90
 －沒(méi)影響
 
保壓時(shí)間 s
 3 ， 4 ， 5
 －沒(méi)影響
 
冷卻時(shí)間 s
 10 ， 20 ， 30
 ↓ 減少趨勢
 

　　4 結論

　　CAE 技術(shù)，隨著(zhù)計算機技術(shù)、模具加工、成型工藝的進(jìn)步而進(jìn)步[15,16]， CAE 技術(shù)的普及應用和提高是行業(yè)競爭的需要，也是科技進(jìn)步的體現。 CAE 技術(shù)對生產(chǎn)實(shí)際有積極的指導意義，但它僅僅是輔助工具，解決問(wèn)題的能力和水平與使用的人員有較大的關(guān)系，尤其在革新應用和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，咨詢(xún)有經(jīng)驗的 CAE 工程師或研究人員會(huì )得到有益的幫助。

　　5 致謝

　　感謝中原大學(xué)模具研究中心（臺灣 CYCU ），感謝鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心（ NERC ），提供所需的研究條件，并分享其研究結果。