【转帖】注塑成型CAE技术

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注塑成型CAE技术  
   
  
一、 概述
模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助工程（CAE）技术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。美国上市公司Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。
二、 CAE技术的作用
利用CAE(Moldflow)技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。这是发展的必然趋势。
注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。传统的注塑成型方法基本步骤如图1所示，图2为现代模具CAE开发步骤。传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用CAE技术，可以完全代替试模，CAE技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。
图1 传统设计流程  
  
图2 CAE开发步骤
现代注塑成型CAE技术的作用在于以下几个方面。
1. 优化塑料制品设计
塑件的壁厚、浇口数量、位置及流道系统设计等对于塑料制品的成败和质量关系重大。以往全凭制品设计人员的经验来设计，往往费力、费时，设计出的制品也不尽合理。利用Moldflow软件，可以快速地设计出最优的塑料制品。
2. 优化塑料模设计
由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往要经过反复试模、修模才能成功。利用Moldflow软件，可以对型腔尺寸、浇口位置及尺寸、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模，可大大提高模具质量，减少试模次数。
3. 优化注塑工艺参数
由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。Moldflow软件可以帮助工程技术人员确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间等，以注塑出最佳的塑料制品。
三、 CAE技术的应用
近年来，CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用CAE技术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程，即制品设计、模具设计和注塑成型。
1. 制品设计  
制品设计者能用流动分析解决下列问题。
(1)制品能否全部注满　这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目，尤其是大型制件，如盖子、容器和家具等。
(2)制件实际最小壁厚　如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。
(3)浇口位置是否合适　采用CAE分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。
2. 模具设计和制造  
CAE分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计。
(1)良好的充填形式　对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、经济。单向充填是一种好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。
(2)最佳浇口位置与浇口数量　为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。
(3)流道系统的优化设计　实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。
(4)冷却系统的优化设计　通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。
(5)减小反修成本　提高模具一次试模成功的可能性是CAE分析的一大优点。反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱。此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。
3．注塑成型  
注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到CAE技术的帮助。
(1)更加宽广更加稳定的加工“裕度”　流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。
(2)减小塑件应力和翘曲　选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。  
(3)省料和减少过量充模　流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。
(4)最小的流道尺寸和回用料成本　流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。
四、Moldflow应用实例
制件为一电动工具，一模一腔，塑料材料采用Honeywell PA6 GF33% Capron 8233G，要求为确定出浇口位置、数量及其工艺参数。
1. 建模
可在其他CAD软件中建模，Moldflow通过图形接口，直接读入CAD模型，或在Moldflow建模模块中建模。模型及浇注系统如图3所示。浇注系统初始设计使用一个侧浇口。
2. 输入工艺条件
根据工艺要求选择材料为PA6 GF33%，熔体温度为280℃，注射时间为4.5s，冷却时间为22s。
保压曲线 压力　时间　 型腔模温　60deg.C
　　　　70MPa 4s　　型芯模温　80deg.C
　　　　50MPa 2s
　　　　40MPa 2s
图3 模型及浇注系统
3.分析计算
(1)原始方案　图4为Z方向的变形情况，a处变形最大为1.17mm，b处变形为0.24mm，图5为Y方向的变形情况，c处变形最大为0.9mm，d处变形为0.34mm，c处与d处之间的变形差别为0.56mm。
图4 Z方向的变形　　　　  
图5 Y方向的变形图　
(2)修改方案　为了降低翘曲变形量，在充填末端设计一溢料井。如图6所示。　　　　　　　  
图6 溢料井
图7为Z方向的变形情况，e处变形最大为0.44mm，f处变形为0.19mm，图8为Y方向的变形情况，g处变形为0.59mm，h处变形为0.23mm，g处与h处之间的变形差别为0.36mm。与原方案相比，变形量大大降低。这是由于增加了溢料井，可获得较理想的充填效果，分子取向分布均匀，故翘曲变形较小。
图7 Z方向的变形
图8 Y方向的变形
  

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