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注塑加工成型中的CAE技術(shù)及其應(yīng)用
1 注塑成型 CAE 技術(shù)概述
鑒于數(shù)值模擬技術(shù)在美國(guó)航空航天領(lǐng)域的成功應(yīng)用， 1978年，澳大利亞人 Austin 創(chuàng)立了 Moldflow 公司，開始預(yù)測(cè)注塑成型加工中的型腔充填過程，開始了最早的注塑成型 CAE （ Computer-Aided-Engineering ）技術(shù)，即計(jì)算機(jī)輔助工程（用計(jì)算機(jī)屏幕上的顯示結(jié)果取代真實(shí)的生產(chǎn)試模過程）。 1992年，美國(guó) 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，建立了二維平面問題流動(dòng)充填、保壓、冷卻過程之集成數(shù)學(xué)模型和可行的數(shù)值算法； 1999年，三維實(shí)體模型流動(dòng)計(jì)算開始實(shí)現(xiàn)商品化[1，2] 。目前專業(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(tái)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(yù)測(cè)。
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(fù)雜、材料本身的特性以及復(fù)雜的邊界條件和不確定因素使材料成型過程經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的變形歷史和相態(tài)變化。面對(duì)復(fù)雜的變形歷史和相態(tài)變化，傳統(tǒng)解析法 / 半解析法的應(yīng)用受到很大限制，以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法開辟了嶄新的應(yīng)用前景。通常，注塑成型過程數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)包含以下四個(gè)方面[5]：
?。?1 ） 工程問題的描述和凝練。在對(duì)成型過程和模具設(shè)計(jì)的正確認(rèn)識(shí)和理解基礎(chǔ)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(shù)和本構(gòu)模型描述高分子成型過程中受到溫度、壓力作用下隨著時(shí)間變化的形式，以明確塑料原料在制品成型過程中的行為；
（ 3 ） 明確“數(shù)學(xué)模型”。根據(jù)所確定的描述成型過程參數(shù)，建立成型過程的數(shù)學(xué) - 物理 - 力學(xué)方程；
?。?4 ） 用合適的數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)對(duì)成型過程的數(shù)值分析。
注塑成型CAE技術(shù)常用的數(shù)學(xué)模型和方法，詳見文獻(xiàn)[5-7]和相關(guān)文獻(xiàn)，這里不再細(xì)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。實(shí)踐證明，注射成型 CAE 技術(shù)對(duì)加快新產(chǎn)品開發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本起著關(guān)鍵作用，是支持企業(yè)確立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)有力的手段。但CAE技術(shù)通常要求較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)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(tǒng)注塑成型，以及革新成型中的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)例，說明 CAE 技術(shù)的正確使用方法，了解其對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用和應(yīng)用局限。
2.CAE 技術(shù)在傳統(tǒng)注塑成型中的應(yīng)用
在注塑成型加工的生產(chǎn)實(shí)踐中，試模和量產(chǎn)的問題八成出在產(chǎn)品與模具設(shè)計(jì)，因此做好設(shè)計(jì)工作，調(diào)模時(shí)試錯(cuò)（ trials and errors ）調(diào)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(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題、理清問題的原因以及找出解決方案， 有了 CAE ，設(shè)計(jì)的工作可以高效高質(zhì)量的進(jìn)行[8]。
CAE 作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(yīng)用過程。
圖 1 CAE 分析的基本流程圖[9]
用 CAE 技術(shù)可以預(yù)測(cè)在注塑成型加工中問題[9，10]，如是型腔否充填滿，是否產(chǎn)生飛邊，凹痕，熔接線等；模具結(jié)構(gòu)是否合理，如多澆注系統(tǒng)的平衡，制品厚度設(shè)計(jì)、冷卻管路的設(shè)計(jì)是否合理等；成型工藝參數(shù)的設(shè)定，如保壓切換點(diǎn)，射出速度、保壓時(shí)間等，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。
目前的 CAE 軟件都能對(duì)充填的常見問題進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)。這里從制品的成型品質(zhì)角度介紹 CAE 的應(yīng)用。
2.1 熔接線預(yù)測(cè)
大陽摩托車的后視鏡注塑制品，如圖 2 所示，材料為 ABS ，制品在設(shè)計(jì)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(yīng)用的軟件是鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)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(shè)計(jì)是否合理，并確定熔接線的位置。
從圖 2 可知，兩個(gè)模擬結(jié)果對(duì)頂部預(yù)測(cè)熔接線的位置 A ，預(yù)測(cè)較好；對(duì)于中部的薄壁部分 B ，模擬結(jié)果 1 和注射樣品比較吻合，模擬結(jié)果 2 對(duì)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(shù)值算法的處理技巧上，模擬 2 所用的軟件忽略了兩個(gè)平面問題的匹配，模擬有些失真。
另外，制品對(duì)制品表面氣穴（ air trap ）的預(yù)測(cè)，也可以通過流動(dòng)分析完成。
圖 2 摩托車后視鏡的模擬結(jié)果[5]
圖 3 塑料制品成型常見的缺陷
2.2 成型中其他外觀缺陷的預(yù)測(cè)
注塑成型生產(chǎn)中出現(xiàn)的常見缺陷，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法提高，成本無法降低。 CAE 技術(shù)目前可以解決一些問題，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(jù)流動(dòng)、保壓分析的結(jié)果人工判斷，壓力過高則容易產(chǎn)生飛邊，不像熔接線、氣穴的位置，軟件可以自動(dòng)識(shí)別。
● 流痕，對(duì)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，通過充填分析的結(jié)果，可判斷出設(shè)計(jì)的方案是否出現(xiàn)短射。
● 凹痕，可用保壓分析結(jié)果中的 Sink Mark Index 參數(shù)進(jìn)行判斷， Sink Mark Index 值越大，說明凹痕出現(xiàn)的概率越大。
● 出現(xiàn)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(dāng)和充填過快造成的，目前的模擬需要實(shí)體模型和分析技巧，常規(guī)的 CAE 模擬軟件難于完成。
● 條紋和亮斑目前無法量化模擬，只能根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)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(shù)值結(jié)果容易偏大。
3 注塑成型 CAE 技術(shù)的拓展應(yīng)用
節(jié)能節(jié)料的先進(jìn)注塑成型技術(shù)，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已取得良好的成效，如傳統(tǒng)注塑成型方面涉及的熱澆道系統(tǒng)、全電式注塑機(jī)、薄殼（ Thin-Wall ）高速注塑機(jī)、微細(xì)注塑成型機(jī)等；多料復(fù)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(nèi)涂裝成型（ In Mold Decoration ）、模內(nèi)網(wǎng)絡(luò)成型（ Molded Interconnected Device ）等。這些成型技術(shù)的節(jié)能、節(jié)料效果良好，但這些技術(shù)的應(yīng)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?yàn)橛行┰淼恼_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(nèi)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?yàn)橥该魉芰现破?，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(rùn)空間的制品，取代玻璃的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，且成型難度較大，所以用今年來解決的透明塑料制品的問題，說明 CAE 技術(shù)的拓展應(yīng)用和對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)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(qū)別，且成型品質(zhì)（主要是光學(xué)性能等內(nèi)在品質(zhì)）也有相應(yīng)的差別。
3.1 成型模具溫度穩(wěn)定時(shí)間的預(yù)測(cè)
問題提出：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)過程不穩(wěn)定，且制品合格率較低。希望能穩(wěn)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(gòu)方程進(jìn)行 CAE 分析，發(fā)現(xiàn)（ 1 ）制品在圓心到右端出現(xiàn)熔接痕，長(zhǎng)度幾乎和制品的半徑一樣；（ 2 ）模具溫度過低，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(jī)提高整體模具的溫度。
可行性用 ANSYS 配合現(xiàn)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(xiàn)：（１）提高模具溫度，能有效減少熔解線，長(zhǎng)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(wěn)定，可以進(jìn)行穩(wěn)定生產(chǎn)。
問題產(chǎn)生是因?yàn)樗芰显铣杀靖?，原始生產(chǎn)方案中只進(jìn)行 8-10 個(gè)周期預(yù)熱模具，沒有進(jìn)入機(jī)臺(tái)的穩(wěn)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(fèi)同時(shí)穩(wěn)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(yīng)力和霧度為指標(biāo)來研究光學(xué)制品的品質(zhì)。一般來講，殘余應(yīng)力大的注塑制品光學(xué)性能會(huì)變差[14] 。在 CAE 分析基礎(chǔ)上，配合一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以通過改變塑料原材料、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(dá)不到技術(shù)要求，通過 CAE 分析并配合光彈測(cè)試設(shè)備、光學(xué)測(cè)量設(shè)備發(fā)現(xiàn)， PC 制品的內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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，問題得以解決。
工藝條件對(duì) PC 殘余應(yīng)力和光學(xué)性能的影響，詳細(xì)見表１、 2[14]，可用來參考設(shè)置工藝參數(shù)。
表 1 不同工藝條件下的 PC 板殘余應(yīng)力變化[14]
工藝參數(shù)
增大的變化趨勢(shì)
應(yīng)力條紋數(shù)
對(duì)殘余應(yīng)力的影響
模具溫度℃
60 ， 70 ， 80
9 ， 7 ， 5
↓ 減少趨勢(shì)
熔體溫度℃
270 ， 290 ， 320
3 ， 6 ， 14
↑ 增大趨勢(shì)
注射壓力 MPa
90 ， 95 ， 100
5 ， 5 ， 4
↓ 減少趨勢(shì)
注射時(shí)間 s
3 ， 4 ， 5
5 ， 5 ， 5
－沒影響
保壓壓力 MPa
50 ， 70 ， 90
5 ， 5 ， 5
－沒影響
保壓時(shí)間 s
3 ， 4 ， 5
8 ， 8 ， 8
－沒影響
冷卻時(shí)間 s
10 ， 20 ， 30
6 ， 7 ， 7
↑ 增大趨勢(shì)
表 2 不同工藝條件下的 PC 板霧度的變化
工藝參數(shù)
增大的變化趨勢(shì)
對(duì)光學(xué)性能霧度的影響
模具溫度℃
60 ， 70 ， 80
↑ 增大趨勢(shì)
熔體溫度℃
270 ， 290 ， 320
↑ 增大趨勢(shì)
注射壓力 MPa
90 ， 95 ， 100
↑ 增大趨勢(shì)
注射時(shí)間 s
3 ， 4 ， 5
－沒影響
保壓壓力 MPa
50 ， 70 ， 90
－沒影響
保壓時(shí)間 s
3 ， 4 ， 5
－沒影響
冷卻時(shí)間 s
10 ， 20 ， 30
↓ 減少趨勢(shì)
4 結(jié)論
CAE 技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)用和提高是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的需要，也是科技進(jìn)步的體現(xiàn)。 CAE 技術(shù)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有積極的指導(dǎo)意義，但它僅僅是輔助工具，解決問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(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)方面，咨詢有經(jīng)驗(yàn)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(tái)灣 CYCU ），感謝鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心（ NERC ），提供所需的研究條件，并分享其研究結(jié)果。
