1 注塑成型 CAE 技术概述

　　鉴于数值模拟技术在美国航空航天领域的成功应用， 1978年，澳大利亚人 Austin 创立了 Moldflow 公司，开始预测注塑成型加工中的型腔充填过程，开始了最早的注塑成型 CAE （ Computer-Aided-Engineering ）技术，即计算机辅助工程（用计算机屏幕上的显示结果取代真实的生产试模过程）。 1992年，美国 Cornell 大学 K.K.Wang 研究小组完成了注塑成型 CAE 技术里程碑式的工作，建立了二维平面问题流动充填、保压、冷却过程之集成数学模型和可行的数值算法； 1999年，三维实体模型流动计算开始实现商品化[1，2] 。目前专业化的成型加工模拟软件有： Moldflow公司的 MPI MPA ， MPX 系列，华中科技大学的 HSCAE6.10，郑州大学的 Zmold 软件，及台湾科盛公司的 Moldex3D 软件[[3，4]，这些软件基本能完成注塑成型加工中的充填、保压、冷却及其变形分析预测。

　　在塑料制品生产中，高分子材料、模具、成型工艺三者关系密切；在加工中，由于制品形状复杂、材料本身的特性以及复杂的边界条件和不确定因素使材料成型过程经历了相当复杂的变形历史和相态变化。面对复杂的变形历史和相态变化，传统解析法 / 半解析法的应用受到很大限制，以有限元法为代表的数值模拟方法开辟了崭新的应用前景。通常，注塑成型过程数值模拟的实现包含以下四个方面[5]：

　　（ 1 ） 工程问题的描述和凝练。在对成型过程和模具设计的正确认识和理解基础上，用一个具有工程背景、力学涵义的“理论模型”描述该问题；

　　（ 2 ） 高分子材料特性的描述。在“理论模型”框架下，用一系列状态参数和本构模型描述高分子成型过程中受到温度、压力作用下随着时间变化的形式，以明确塑料原料在制品成型过程中的行为；

　　（ 3 ） 明确“数学模型”。根据所确定的描述成型过程参数，建立成型过程的数学 - 物理 - 力学方程；

　　（ 4 ） 用合适的数值计算方法实现对成型过程的数值分析。

　　注塑成型CAE技术常用的数学模型和方法，详见文献[5-7]和相关文献，这里不再细述。

　　在原料价格日益上涨，能源、人力成本不断增加的情况下，产品的质量与成本已成为企业生存发展的生命线。实践证明，注射成型 CAE 技术对加快新产品开发，提高产品质量，降低成本起着关键作用，是支持企业确立竞争优势的强有力的手段。但CAE技术通常要求较强的专业知识背景，使得 CAE 技术普及推广有一定难度，进而难于发挥 CAE 技术的作用。

　　本文主要介绍 CAE 技术在传统注塑成型，以及革新成型中的应用，结合实例，说明 CAE 技术的正确使用方法，了解其对生产实践的指导作用和应用局限。

　　2.CAE 技术在传统注塑成型中的应用

　　在注塑成型加工的生产实践中，试模和量产的问题八成出在产品与模具设计，因此做好设计工作，调模时试错（ trials and errors ）调试的工作量就可以减少，同时量产时的制品的合格率就可以有效提高，省料省时是必然的。 CAE 分析工具可以预测可能发生的问题、理清问题的原因以及找出解决方案， 有了 CAE ，设计的工作可以高效高质量的进行[8]。

　　CAE 作为现代设计的辅助工具，使用的基本流程和步骤如图 1 所示。图 1 中的 5-7 步是大家熟悉的 CAE 软件应用过程。

 

图 1 CAE 分析的基本流程图[9]

　　用 CAE 技术可以预测在注塑成型加工中问题[9，10]，如是型腔否充填满，是否产生飞边，凹痕，熔接线等；模具结构是否合理，如多浇注系统的平衡，制品厚度设计、冷却管路的设计是否合理等；成型工艺参数的设定，如保压切换点，射出速度、保压时间等，详细内容请参考相关文献。

　　目前的 CAE 软件都能对充填的常见问题进行很好的预测。这里从制品的成型品质角度介绍 CAE 的应用。

　　2.1 熔接线预测

　　大阳摩托车的后视镜注塑制品，如图 2 所示，材料为 ABS ，制品在设计中，由于装饰和功能的需要，制品厚度从 3.5mm 变化到 0.8mm ， CAE 分析应用的软件是郑州大学橡塑模具国家工程中心研制出的 Partmolding 软件[11]和商品化的 CAE 分析软件。目的是查看设计是否合理，并确定熔接线的位置。

　　从图 2 可知，两个模拟结果对顶部预测熔接线的位置 A ，预测较好；对于中部的薄壁部分 B ，模拟结果 1 和注射样品比较吻合，模拟结果 2 对制品薄壁 B 处的模拟有偏差。原因在于模拟用的是双面模型，在数值算法的处理技巧上，模拟 2 所用的软件忽略了两个平面问题的匹配，模拟有些失真。

　　另外，制品对制品表面气穴（ air trap ）的预测，也可以通过流动分析完成。

 

图 2 摩托车后视镜的模拟结果[5]

 

图 3 塑料制品成型常见的缺陷

　　2.2 成型中其他外观缺陷的预测

　　注塑成型生产中出现的常见缺陷，如飞边 / 毛边（ Flash ）、流痕（ Flow Line ）、短射（ Short Shot ）、凹痕 / 缩痕（ Sink Mark ）（图 3a ）、缩孔（ Void ）、条纹（ Streak ）、射流（ Jetting ）（图 3b ）、亮斑（图 3c ）和翘曲（ Warpage ）等，常常使得制品的合格率无法提高，成本无法降低。 CAE 技术目前可以解决一些问题，但不是全部，这里做一简单的归纳。

　　● 飞边 / 毛边的判断，需要根据流动、保压分析的结果人工判断，压力过高则容易产生飞边，不像熔接线、气穴的位置，软件可以自动识别。

　　● 流痕，对塑料制品，尤其是透明塑料制品影响很大，目前还不能模拟。

　　● 短射，通过充填分析的结果，可判断出设计的方案是否出现短射。

　　● 凹痕，可用保压分析结果中的 Sink Mark Index 参数进行判断， Sink Mark Index 值越大，说明凹痕出现的概率越大。

　　● 出现在制品中间的缩孔（图 4a ），目前商品化的模拟软件不是容易获得，需要实体模型和分析技巧完成。

　　● 射流，由于浇口位置不当和充填过快造成的，目前的模拟需要实体模型和分析技巧，常规的 CAE 模拟软件难于完成。

　　● 条纹和亮斑目前无法量化模拟，只能根据人工经验提出修改方案。

　　● 翘曲变形分析目前商品化的软件多可用完成，但是考虑的是热弹性（不是热粘弹性）方程，模拟的数值结果容易偏大。

　　3 注塑成型 CAE 技术的拓展应用

　　节能节料的先进注塑成型技术，经过十多年的发展，已取得良好的成效，如传统注塑成型方面涉及的热浇道系统、全电式注塑机、薄壳（ Thin-Wall ）高速注塑机、微细注塑成型机等；多料复合的革新成型技术（ Multimaterial Multiprocess ），如气体 / 液体辅助注塑成型、三明治注塑成型、注塑压缩成型、多成分注塑成型、模内涂装成型（ In Mold Decoration ）、模内网络成型（ Molded Interconnected Device ）等。这些成型技术的节能、节料效果良好，但这些技术的应用需要核心模具技术的搭配才能成功。

　　技术的革新先于模拟理论，因为有些原理的正确理解需要时间。目前商品化的软件可以进行气体辅助注射成型，注塑压缩成型、多成分注塑成型、模内涂装成型等分析，但精度、实用性、方便性有待于进一步改进完善。

　　因为透明塑料制品，尤其是光学制品，如光学镜片、镜头、棱镜是有较好市场前景和利润空间的制品，取代玻璃的发展趋势日益明显，且成型难度较大，所以用今年来解决的透明塑料制品的问题，说明 CAE 技术的拓展应用和对实际生产的指导作用。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、成型工艺条件有较大区别，且成型品质（主要是光学性能等内在品质）也有相应的差别。

　　3.1 成型模具温度稳定时间的预测

　　问题提出：用 PC 材料，注射成型加工一模四穴的光学镜片，制品中心薄 1.7mm ，边缘厚 7mm[12，13]，生产过程不稳定，且制品合格率较低。希望能稳定生产，并提高制品的合格率。

 

图 4 光学镜片的模拟

　　分析方案：用三维实体模型和粘弹性本构方程进行 CAE 分析，发现（ 1 ）制品在圆心到右端出现熔接痕，长度几乎和制品的半径一样；（ 2 ）模具温度过低，厚度差异大，流动充填不好，且容易产生气孔。

　　改进方法：用模具快速冷却技术进行模具温度的控制。在制品圆心（制品最薄处）上方用加热棒增热，提高薄壁处的温度，让熔体更容易充填；用模温机提高整体模具的温度。

　　可行性用 ANSYS 配合现有的 CAE 商品化分析软件[12]。修改后的方案用 CAE 技术模拟发现：（１）提高模具温度，能有效减少熔解线，长度减少 50-70% ，在镜片毛坯的外围（使用时切割掉的地方），进而提高产品的质量；（２）生产用的模具温度，按原始方案的提供的工艺条件，需要 13-16 个生产周期后才能稳定，可以进行稳定生产。

　　问题产生是因为塑料原料成本高，原始生产方案中只进行 8-10 个周期预热模具，没有进入机台的稳定工作温度范围；改进后，用热水加热模具，减少原料的浪费同时稳定了生产，并提高了制品的合格率。

　　3.2 提高制品质量的方法

　　这里以残余应力和雾度为指标来研究光学制品的品质。一般来讲，残余应力大的注塑制品光学性能会变差[14] 。在 CAE 分析基础上，配合一些实验结果，可以通过改变塑料原材料、成型工艺条件、成型工艺方法等提高光学制品的品质。

　　一光学镜头，用 PC 加工，其透明度和流明达不到技术要求，通过 CAE 分析并配合光弹测试设备、光学测量设备发现， PC 制品的内应力远远大于 PMMA ，在各方条件允许的情况下（主要是制品的功能要求），改用 PMMA 后，问题得以解决。

　　工艺条件对 PC 残余应力和光学性能的影响，详细见表１、 2[14]，可用来参考设置工艺参数。

表 1 不同工艺条件下的 PC 板残余应力变化[14]

工艺参数
 增大的变化趋势
 应力条纹数
 对残余应力的影响
 
模具温度℃
 60 ， 70 ， 80
 9 ， 7 ， 5
 ↓ 减少趋势
 
熔体温度℃
 270 ， 290 ， 320
 3 ， 6 ， 14
 ↑ 增大趋势
 
注射压力 MPa
 90 ， 95 ， 100
 5 ， 5 ， 4
 ↓ 减少趋势
 
注射时间 s
 3 ， 4 ， 5
 5 ， 5 ， 5
 －没影响
 
保压压力 MPa
 50 ， 70 ， 90
 5 ， 5 ， 5
 －没影响
 
保压时间 s
 3 ， 4 ， 5
 8 ， 8 ， 8
 －没影响
 
冷却时间 s
 10 ， 20 ， 30
 6 ， 7 ， 7
 ↑ 增大趋势
 

表 2 不同工艺条件下的 PC 板雾度的变化

工艺参数
 增大的变化趋势
 对光学性能雾度的影响
 
模具温度℃
 60 ， 70 ， 80
 ↑ 增大趋势
 
熔体温度℃
 270 ， 290 ， 320
 ↑ 增大趋势
 
注射压力 MPa
 90 ， 95 ， 100
 ↑ 增大趋势
 
注射时间 s
 3 ， 4 ， 5
 －没影响
 
保压压力 MPa
 50 ， 70 ， 90
 －没影响
 
保压时间 s
 3 ， 4 ， 5
 －没影响
 
冷却时间 s
 10 ， 20 ， 30
 ↓ 减少趋势
 

　　4 结论

　　CAE 技术，随着计算机技术、模具加工、成型工艺的进步而进步[15,16]， CAE 技术的普及应用和提高是行业竞争的需要，也是科技进步的体现。 CAE 技术对生产实际有积极的指导意义，但它仅仅是辅助工具，解决问题的能力和水平与使用的人员有较大的关系，尤其在革新应用和新产品开发方面，咨询有经验的 CAE 工程师或研究人员会得到有益的帮助。

　　5 致谢

　　感谢中原大学模具研究中心（台湾 CYCU ），感谢郑州大学橡塑模具国家工程研究中心（ NERC ），提供所需的研究条件，并分享其研究结果。