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注塑模CAE技术

供稿:工控网 2006/6/22 9:36:00

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引言
塑料产品从产品设计到成型生产包括塑料制品设计、模具设计、模具制造和注塑工艺参数选择等几个主要方面。传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的经验,而注塑成型过程非常复杂,塑料熔体的流动性能千差万别,制品和模具的结构千变万化,工艺条件各不相同,成型缺陷各式各样,模具设计往往需要反复的试模、修模才能投入生产,很少有一次成功的,发现问题后,不仅要重新调整工艺参数,甚至要修改塑料制品和模具,不但费时费力,而且降低了产品的开发速度。而利用注塑模CAE技术可以在模具制造前,模拟注塑过程(包括充填、保压及冷却)并及早发现问题,优化模具设计和工艺条件设定,减少试模次数以提高生产效率,现已成为注塑加工技术的一个重要发展方向。
注塑模CAE技术的历史
注塑模CAE技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论,建立熔体在模具型腔中的流动、传热的物理、数学模型,利用数值计算理论构造其求解方法,利用计算机可视化技术形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却过程的一门分析技术。
20世纪60年代,英国、美国和加拿大等国的学者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson(美)、M.R.Kamal(加)和K.K.Wang(美)等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。在合理的简化基础上,60年代完成了一维流动与冷却分析程序,70年代完成了二维冷却分析程序,80年代注塑模CAE技术开始从理论研究进入实用化阶段,开展了三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。进入90年代后开展了流动、保压、冷却和应力分析等注塑工艺全过程的集成化研究。
CAE技术的出现,为注塑模设计提供了可靠的保证,它的应用是模具设计史上的一次重大变革。
注塑模CAE技术的作用
图1和图2 给出了利用传统方法设计注塑模具和利用注塑模CAE 技术设计模具的特点和差异。从中可以看出利用传统方法设计注塑模具,设计成功与否将很大程度上依赖设计者的经验,而且对复杂零件浇口位置的合理与否,排气槽位置的设置、熔接线位置的确定等都十分困难。模具在交付使用之前一般需经过反复试模修改,直到得到合格的制品为止,从而不可避免地造成了生产周期的延长,而且一般也难以得到最优的设计方案和工艺参数。而利用注塑模CAE技术设计模具则不然,由于在模具设计构思阶段,可利用注塑模CAE 技术进行流动过程模拟,使得通常只有在模具试模阶段才能发现的问题,如短射,熔接线或气孔出现在外观零件表面等问题得以避免。同时帮助设计人员完成诸如流道系统的平衡设计,排气槽的设置,合理确定注塑工艺参数等工作,这样使得通常在必须反复试模修改而确定的模具结构参数和工艺参数在模具设计构思阶段得以确定,缩短了模具设计制造周期、提高了模具设计质量。
所以注塑模CAE软件的作用主要表现为:
(1)优化塑料制品设计
塑料的壁厚、浇口的数量及位置、流道系统的设计等对于塑料制品的质量有重大影响。以往全凭设计者的经验,用手工方法实现,费时费力,而利用CAE技术,可快速设计出最佳的制品。
(2)优化塑料模具设计
可以对型腔尺寸、浇口位置及数量、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计。在计算机上模拟试模、修模和提高模具质量,减少实际试模次数。
(3)优化注射工艺参数
对注射过程进行模拟,发现可能出现的成型缺陷,确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间和冷却时间等。
由此可见,注塑模CAE技术无论在提高生产率、缩短模具设计制造周期和保证产品质量,还是在降低成本、减轻劳动强度等方面,都具有很大的优越性和重大的技术经济意义。
注塑模CAE软件种类及其简介
到目前为止,成熟的商业注塑模CAE软件比较多,Moldflow公司的Moldflow软件和AC-Tech公司(2000年2月,被Moldflow公司合并)的C-Mold软件是其中的优秀代表;另外还有国外的TMCONCEPT、CADMold、Fidap、Stirm100、Polyflow和我国台湾地区的Moldex等软件应用也比较广;而国内在“八五”期间才开始这方面的研究,现在华中理工大学的HSCAE软件和郑州大学的Z-Mold软件在国内处于领先地位。
Moldflow软件是专业从事注塑成型CAE软件和咨询的Moldflow公司的系列产品,该公司自1976年发行了世界上第一套注塑模CAE软件以来,一直主导注塑模CAE软件市场。至2004年,Moldflow软件在全球注塑模CAE市场的占有率达75%。
MoldFlow软件包括三部分:MoldFlow Plastics Advisers(产品优化顾问,MPA)、 MoldFlow Plastics Insisht(注塑成型模拟分析,MPI)和 MoldFlow Plastics Xpert(注塑成型过程控制专家,MPX)。
一般情况下,最常用MPI,主要用来对注塑过程进行模拟,从而得到最佳的浇口数量与位置,合理的流道系统与冷却系统,并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化,并且还可对注塑工艺参数进行优化。
Moldflow软件的模流分析技术可以分为三种,即Midplane、Fusion和3D[2-3]。
Moldflow的Midplane分析技术
Midplane(中面流)的应用始于20世纪80年代。其网格是三节点的三角形单元,其原理是将3D几何模型简化成中性面几何模型(即将网格创建在模型壁厚的中间处),利用所建立的中性面进行模拟分析,即以平面流动来仿真三维实体流动。此分析技术发展至今已相当成熟稳定,其优点为分析速度快、效率高。其模拟过程如图3所示。
基于中面流技术的注塑流动模拟软件应用的时间最长、范围也最广。但是实践表明,基于中面流技术的模拟软件在应用中具有很大的局限性,具体表现为: (1) 用户必须构造出中面模型。采用手工操作直接由实体模型构造中面模型十分困难,往往需要花费大量的时间,而且不能从其他CAD模型转换。
(2) 无法描述一些三维特征。如不能描述惯性效应、重力效应对熔体流动的影响,不能预测喷射现象、熔体前沿的泉涌现象等。
(3) 由于CAD阶段使用的产品模型和CAE阶段使用的分析模型不统一,使二次建模不可避免,CAD与CAE系统的集成也无法实现。
Moldflow的Fusion分析技术
Fusion(双面流)分析技术是基于Moldflow的独家专利Dual Domain的分析技术。2000年推出的Fusion分析技术,使得用户不需要抽取中性面就可以进行分析,克服了几何模型的重建问题,大大减轻了用户建模的负担。网格也是三角形单元,而其原理是将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分,有限元网格在型腔或制品的表面产生。在流动过程中,上、下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动,其模拟过程如图4所示。
显然,Fusion技术的表面网格是基于中性面的,仍无法解决中性面的根本问题,所以双面流技术所应用的原理和方法与中面流所应用的没有本质上的差别,所不同的是双面流采用了一系列相关的算法,将沿中面流动的单股熔体演变为沿上、下表面协调流动的双股流。
双面流技术的最大优点是模型的准备时间大大缩短,这样就大大减轻了用户建模的负担,将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟。因此,基于双面流技术的模拟软件问世时间虽然只有短短数年,但在全世界却拥有了庞大的用户群,得到了广大用户的支持和好评。
但是双面流技术有以下不足:
(1) 由于双面流技术没有从根本上解决中性面的问题,所以还是无法描述某些三维特征,如不能描述惯性效应、重力效应对熔体流动的影响,不能预测喷射现象、熔体前沿的泉涌现象等。
(2) 上、下对应表面的熔体流动前沿存在差别。由于上、下表面的网格无法一一对应,而且网格形状、方位与大小也不可能完全对称,所以如何将上、下对应表面的熔体流动前沿的差别控制在所允许的范围内是实施双面流技术的难点。
(3) 熔体仅沿着上、下表面流动,在厚度方向上未作任何处理,缺乏真实感。
Moldflow的3D分析技术
以上两种技术都忽略了厚度方向的物理量,只是二维的模拟,因而结果不是十分精确。Moldflow公司的3D(三维)分析技术采用了真三维实体模流分析技术,经过严谨的理论推导与反复的验证,将惯性效应、非恒温流体等因素考虑到有限元分析中,熔体厚度方向的物理量变化不再被忽略,能够更全面地描述填充过程的流动现象,使分析结果更能接近现实状况,适用于所有塑件制品。其立体网格是由四节点的四面体单元组成。并采用全新的3D立体显示技术,可快速清楚地显示出模型内、外部的流动场、温度场、应力场和速度场等分析结果。对于上述分析结果也可利用等位线或等位面方式显示,让实体模型内、外部各变量的变化情形显示更清楚,Moldfiow还提供动画的功能,透过3D动画的方式显示塑料熔体在型腔中的流动变化,让用户更直观地看清设计与制造过程中可能遇到的问题。
但是3D技术的网格划分要求很高,控制方程更加复杂,计算量大、时间长,计算效率低,不适合开发周期短并需要通过CAE进行反复修改验证的注塑模设计。因此,目前该技术普及率不是很高,不过它最终必将取代中面流技术和双面流技术。
注塑模发展趋势
注塑模CAE技术不论从理论上还是在应用上都取得了长足的进步,但在以下几个方面仍有待于进一步完善和发展[4-5]:
(1)数学模型、数值算法逐步完善
注塑模CAE技术的实用性,取决于数学模型的准确性及数值算法的精确性。目前的商品化模拟软件模型没有完全考虑物理量在厚度方向上的影响,为了进一步提高软件的分析精度和使用范围,必须进一步完善目前的数学模型和算法。
(2)注塑成型全过程模拟
目前,注塑成型模拟软件主要有填充、流动、保压、冷却、应力应变和翘曲分析等模块,各模块的开发是基于各自独立的数学模型,这些模型在很大程度上进行了简化,忽略了相互之间的影响。但是,从注塑成型工艺过程来看,塑料熔体的填充、流动、保压和冷却是交织在一起并相互影响的,因此,填充、流动、保压和冷却分析模块必须有机地结合起来,进行耦合分析,才能综合反映注塑成型的真实情况。
(3)优化理论及算法,使CAE技术“主动”地优化设计
将人工智能技术,如专家系统和神经

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