CAE技術在注塑模具設計中的應用

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<p>模具設計的過程一般是這樣的：從用戶那裏接到塑膠製品圖(可能是二維的，也可能是三維的)，模具設計工程師根據產品的類型、特點以及形狀考慮採用合適的結構進行設計，即採用什麼樣的模具結構可以成型出該塑膠件。在此過程中，結構設計工程師還要根據製品的某些特定要求結合自己的經驗選擇流道類型、尺寸，澆口類型、數量、尺寸、位置並確定分流道的數量、尺寸等，以保證所設計的模具除了結構上合理外，在澆注和冷卻系統方面也是可行的。<br/></p><p>顯然，模具設計對於結構設計工程師的要求是十分苛刻的。他不僅要具有結構設計的經驗，還要具有成型材料、成型工藝方面的諸多知識，或者說，設計的成敗在很大程度上依賴于模具設計者的經驗。即使一個設計工程師具有很好的模具設計經驗，但是他仍然面臨許多新的問題，因為實際中的產品往往是千變萬化的。有時候一個細微的變化或者特定的產品要求可能使得已有經驗不可用，或者即使可用但在實際試模之前，也無法進行有效的驗證。這導致了模具設計過程具有明顯的設計——修正——再設計的特點。如何減少該過程中的迴圈次數，使初始設計應達到或者逼近合用的結果，這在實踐中具有重要意義。<br/></p><p>CAE分析正是解決上述問題的理想工具。原因是，該工具建立在相對準確的數學模型基礎之上，從而可以近似獲得實際指導生產實踐的結果，此外，計算的快捷性使得在實際試模前，可以對於多個澆注系統和冷卻系統進行評估直至優化，從而達到縮短設計和製造週期，提高品質的目的。<br/></p><p>本文就CAE分析中注意的幾個問題、做法作一些介紹，並給出一些事例進行說明。<br/>(1)明確分析要求和重點。不同的製品，進行CAE分析的目的是不同的。對於外觀件，不允許在表面上出現影響外觀的注塑缺陷，如熔結痕等；對於非外觀件，燒結痕的位置並不重要，但是如果製品具有嚴格的裝配關係，則允許的翹曲和變形量成為追求的主要目標。此外，所有的製品一般都要求能夠滿足平衡流動、均勻填充的要求。實踐中，同時滿足多種要求是困難的，多數情況下是以滿足一個主要的要求為主，在此前提下，再滿足別的要求。因此在明確分析要求的基礎上，還要分清楚哪些是本次分析的主要要求。<br/>確定了分析的要求和重點後，還要初步認定修改或者變動哪些參數。比如說，影響熔結痕位置的主要因素是澆口的位置和製品的形狀特點，而製品的形狀一般是不允許變動的；影響翹曲和變形量的因素則主要是製品的形狀，從工藝的角度看，注射壓力過大、保壓時間過長和冷卻不均勻都可以導致翹曲變型過大。除了製品結構本身的特點外，澆口、流道的尺寸都可以直接影響到型腔內的注射壓力，冷卻水道的尺寸和佈置情況則直接影響到冷卻的均勻程度。這些因素又間接地影響到了製品的變形和翹曲。<br/></p><p>(2)分析製品結構的特點。使用專業的CAE分析軟體進行注塑流動類比，首先都要進行幾何建模，一般來說，這一過程要花費很長的時間。為此，要對幾何模型作適當程度的簡化以縮短建模時間，提高計算效率。目前，一些CAE軟體已經具有從專業化的CAD軟體中直接輸入實體模型，再使用該軟體中特定的中性面抽取工具提取中性面進行計算的功能，但是在製品的結構較為複雜時會產生諸多問題。因此，簡化對計算結果影響不顯著的細節仍然具有很大的意義。<br/>簡化的方法可以根據專業化軟體提供的不同功能進行。簡化的原則是與整個製品的尺度相比較可以忽略的細微結構，距離澆口較遠或與料流方向相互平行的細節也可以忽略。至於網格的劃分，最好根據製品的不同結構，在不同的區域採用不同尺度的網格，以獲得計算精度較高的結果，在計算翹曲和變形時尤其如此。<br/></p><p>(3)選用恰當的注塑材料。CAE分析結果的可信程度取決於三個方面：一是計算時採用的熔融狀態流體的數學模型的準確程度如何；二是計算時間的幾何模型同實際製品的差異大小；三是所採用的注塑材料的資料來源是否準確、可靠。一般來說，由數學模型來的誤差在實踐中是可以接受的，商業化的CAE分析軟體多年的實踐考驗證明了這一點。實踐證明，只要按照模型簡化原則對模型作適當簡化，則由此帶來的對計算誤差也是可以接受的。相反，如果採用的材料資料不準確，即使幾何模型精確程度再高，則計算結果也相差甚遠。<br/>為此，必須明確用戶選用的製品材料的名稱、牌號、生產廠商甚至生產批次。實際中，同種材料生產批次不同帶來的資料誤差是可以忽略的，不同廠商生產的同種材料由於配方、工藝等方面的差異，其材料資料可能差別很大。同種材料不同牌號的資料相差應更大了。<br/>目前，國外商業化的CAE分析軟體都建立了一定數量的材料資料庫，但其中幾乎不涉及國產材料。顯然，採用國外的材料資料進行計算只能得到相當粗略的計算結果。因此有條件的用戶，可以根據自己的產品特點，篩選一些常用的材料進行流變參數實驗，在此基礎上可以得到CAE分析的輸入參數，建立起適合本企業的常用材料資料庫。<br/></p><p>(4)分析結果的分析與評價。分析結果的評估一定要結合分析的具體要求來進行。即是否達到了本次分析的主要目標，如果沒有達到要根據類比結果尋求新的方案，包括調整某些參數、位置等，然後再進行新的模擬。在尋求新的澆注系統、冷卻系統方案前，一定要仔細分析改善方案或者修正什麼參數才可以使得計算結果逐步接近分析要求，而不是偏離分析目標。<br/>對於計算結果的評價一定要綜合考慮，因為最終的模擬結果往往是多種條件的一個折中，即計算結果可能“只有更好，沒有最好”。這就要求工程技術人員對於分析結果有一個綜合的權衡。比如，在滿足流動平衡的前提下，注射壓力可能會大一些，這也會帶來一些問題。但是只要這樣的注射壓力不會帶來過高的剪切速率或者其他注射方面的缺陷，那麼可以認為該方案是合用的，此時就可以結束分析。當然，在時間允許的前提下，對盡可能多的方案進行CAE分析對於尋找更為合適的解是最好不過了。分析與評價工作最好由CAE分析人員會同結構設計工程師、注塑車間有經驗的工藝人員進行。<br/></p><p>(5)正確認識CAE分析在模具設計中的作用。注塑流動的CAE分析可以幫助工程師事先對多個可能的方案進行評估，從而獲得相對好的澆注系統方案和冷卻系統方案。但是，不能期望計算結果和實際情況吻合的很好，原因是在進行模擬計算時，由材料資料帶來的誤差、由計算的數學模型帶來的誤差以及由幾何模型簡化帶來的誤差使得計算結果同實際注塑過程存在一定程度的差異，這種差異隨著上述誤差的增大而顯著增加。再加上實際注射過程的複雜性，使獲得確定性的分析結果較為困難。<br/>如果材料資料準確，模型簡化得當，獲得比較可信的分析結果是完全可能的。此時使用獲得的資料作為指導實際生產的工藝資料也是有意義的。<br/></p><p>最後講一下誰來做CAE分析的問題。CAE分析由於涉及材料、注塑工藝、數學、電腦等多個科學，因此對分析工程師的綜合素質有一定要求。經驗表明，CAE分析人員最好由具有高分子材料學科背景的工程師來擔任。總而言之，對於模具結構、注塑工藝、材料知識瞭解越多，現場經驗越豐富，那麼CAE分析的結果越可能接近於真實情況，對生產的指導性也越大。</p>

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