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注塑加工成型中的CAE技術及其應用
1 注塑成型 CAE 技術概述
鑒于數值模擬技術在美國航空航天領域的成功應用， 1978年，澳大利亞人 Austin 創立了 Moldflow 公司，開始預測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，即計算機輔助工程（用計算機屏幕上的顯示結果取代真實的生產試模過程）。 1992年，美國 Cornell 大學 K.K.Wang 研究小組完成了注塑成型 CAE 技術里程碑式的工作，建立了二維平面問題流動充填、保壓、冷卻過程之集成數學模型和可行的數值算法； 1999年，三維實體模型流動計算開始實現商品化[1，2] 。目前專業化的成型加工模擬軟件有： Moldflow公司的 MPI MPA ， MPX 系列，華中科技大學的 HSCAE6.10，鄭州大學的 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。
在塑料制品生產中，高分子材料、模具、成型工藝三者關系密切；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程經歷了相當復雜的變形歷史和相態變化。面對復雜的變形歷史和相態變化，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辟了嶄新的應用前景。通常，注塑成型過程數值模擬的實現包含以下四個方面[5]：
（ 1 ） 工程問題的描述和凝練。在對成型過程和模具設計的正確認識和理解基礎上，用一個具有工程背景、力學涵義的“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，用一系列狀態參數和本構模型描述高分子成型過程中受到溫度、壓力作用下隨著時間變化的形式，以明確塑料原料在制品成型過程中的行為；
（ 3 ） 明確“數學模型”。根據所確定的描述成型過程參數，建立成型過程的數學 - 物理 - 力學方程；
（ 4 ） 用合適的數值計算方法實現對成型過程的數值分析。
注塑成型CAE技術常用的數學模型和方法，詳見文獻[5-7]和相關文獻，這里不再細述。
在原料價格日益上漲，能源、人力成本不斷增加的情況下，產品的質量與成本已成為企業生存發展的生命線。實踐證明，注射成型 CAE 技術對加快新產品開發，提高產品質量，降低成本起著關鍵作用，是支持企業確立競爭優勢的強有力的手段。但CAE技術通常要求較強的專業知識背景，使得 CAE 技術普及推廣有一定難度，進而難于發揮 CAE 技術的作用。
本文主要介紹 CAE 技術在傳統注塑成型，以及革新成型中的應用，結合實例，說明 CAE 技術的正確使用方法，了解其對生產實踐的指導作用和應用局限。
2.CAE 技術在傳統注塑成型中的應用
在注塑成型加工的生產實踐中，試模和量產的問題八成出在產品與模具設計，因此做好設計工作，調模時試錯（ trials and errors ）調試的工作量就可以減少，同時量產時的制品的合格率就可以有效提高，省料省時是必然的。 CAE 分析工具可以預測可能發生的問題、理清問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量的進行[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 軟件應用過程。
圖 1 CAE 分析的基本流程圖[9]
用 CAE 技術可以預測在注塑成型加工中問題[9，10]，如是型腔否充填滿，是否產生飛邊，凹痕，熔接線等；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，射出速度、保壓時間等，詳細內容請參考相關文獻。
目前的 CAE 軟件都能對充填的常見問題進行很好的預測。這里從制品的成型品質角度介紹 CAE 的應用。
2.1 熔接線預測
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，并確定熔接線的位置。
從圖 2 可知，兩個模擬結果對頂部預測熔接線的位置 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平面問題的匹配，模擬有些失真。
另外，制品對制品表面氣穴（ air trap ）的預測，也可以通過流動分析完成。
圖 2 摩托車后視鏡的模擬結果[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測
注塑成型生產中出現的常見缺陷，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 技術目前可以解決一些問題，但不是全部，這里做一簡單的歸納。
● 飛邊 / 毛邊的判斷，需要根據流動、保壓分析的結果人工判斷，壓力過高則容易產生飛邊，不像熔接線、氣穴的位置，軟件可以自動識別。
● 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 參數進行判斷， Sink Mark Index 值越大，說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，需要實體模型和分析技巧完成。
● 射流，由于澆口位置不當和充填過快造成的，目前的模擬需要實體模型和分析技巧，常規的 CAE 模擬軟件難于完成。
● 條紋和亮斑目前無法量化模擬，只能根據人工經驗提出修改方案。
● 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 技術的拓展應用
節能節料的先進注塑成型技術，經過十多年的發展，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（ 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 ）、模內網絡成型（ Molded Interconnected Device ）等。這些成型技術的節能、節料效果良好，但這些技術的應用需要核心模具技術的搭配才能成功。
技術的革新先于模擬理論，因為有些原理的正確理解需要時間。目前商品化的軟件可以進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、實用性、方便性有待于進一步改進完善。
因為透明塑料制品，尤其是光學制品，如光學鏡片、鏡頭、棱鏡是有較好市場前景和利潤空間的制品，取代玻璃的發展趨勢日益明顯，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 技術的拓展應用和對實際生產的指導作用。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（主要是光學性能等內在品質）也有相應的差別。
3.1 成型模具溫度穩定時間的預測
問題提出：用 PC 材料，注射成型加工一模四穴的光學鏡片，制品中心薄 1.7mm ，邊緣厚 7mm[12，13]，生產過程不穩定，且制品合格率較低。希望能穩定生產，并提高制品的合格率。
圖 4 光學鏡片的模擬
分析方案：用三維實體模型和粘彈性本構方程進行 CAE 分析，發現（ 1 ）制品在圓心到右端出現熔接痕，長度幾乎和制品的半徑一樣；（ 2 ）模具溫度過低，厚度差異大，流動充填不好，且容易產生氣孔。
改進方法：用模具快速冷卻技術進行模具溫度的控制。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 技術模擬發現：（１）提高模具溫度，能有效減少熔解線，長度減少 50-70% ，在鏡片毛坯的外圍（使用時切割掉的地方），進而提高產品的質量；（２）生產用的模具溫度，按原始方案的提供的工藝條件，需要 13-16 個生產周期后才能穩定，可以進行穩定生產。
問題產生是因為塑料原料成本高，原始生產方案中只進行 8-10 個周期預熱模具，沒有進入機臺的穩定工作溫度范圍；改進后，用熱水加熱模具，減少原料的浪費同時穩定了生產，并提高了制品的合格率。
3.2 提高制品質量的方法
這里以殘余應力和霧度為指標來研究光學制品的品質。一般來講，殘余應力大的注塑制品光學性能會變差[14] 。在 CAE 分析基礎上，配合一些實驗結果，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制品的品質。
一光學鏡頭，用 PC 加工，其透明度和流明達不到技術要求，通過 CAE 分析并配合光彈測試設備、光學測量設備發現， 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，問題得以解決。
工藝條件對 PC 殘余應力和光學性能的影響，詳細見表１、 2[14]，可用來參考設置工藝參數。
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
保壓時間 s
3 ， 4 ， 5
8 ， 8 ， 8
－沒影響
冷卻時間 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
注射時間 s
3 ， 4 ， 5
－沒影響
保壓壓力 MPa
50 ， 70 ， 90
－沒影響
保壓時間 s
3 ， 4 ， 5
－沒影響
冷卻時間 s
10 ， 20 ， 30
↓ 減少趨勢
4 結論
CAE 技術，隨著計算機技術、模具加工、成型工藝的進步而進步[15,16]， CAE 技術的普及應用和提高是行業競爭的需要，也是科技進步的體現。 CAE 技術對生產實際有積極的指導意義，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系，尤其在革新應用和新產品開發方面，咨詢有經驗的 CAE 工程師或研究人員會得到有益的幫助。
5 致謝
感謝中原大學模具研究中心（臺灣 CYCU ），感謝鄭州大學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。
