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CAE技術—塑膠模具設計發展的必然趨勢
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??? 模具是生產各種工業產品的重要工藝裝備，隨著塑膠工業的迅速發展以及塑膠製品在航空、航太、電子、機械、船舶和汽車等工業部門的推廣應用，產品對模具的要求越來越高，傳統的模具設計方法已無法適應產品更新換代和提高質量的要求。電腦輔助工程（CAE）技術已成為塑膠產品開發、模具設計及產品加工中這些薄弱環節的最有效的途經。同傳統的模具設計相比，CAE技術無論在提高生產率、保證產品質量，還是在降低成本、減輕勞動強度等方面，都具有很大優越性。

??? 美國上市公司Moldflow公司是專業從事注塑成型CAE軟體和諮詢公司，自1976年發行了世界上第一套流動分析軟體以來，一直主導塑膠成型CAE軟體市場。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領域得到了廣泛應用。

??? 利用CAE技術可以在模具加工前，在電腦上對整個注塑成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及製品中的應力分佈、分子和纖維取向分佈、製品的收縮和翹曲變形等情況，以便設計者能儘早發現問題，及時修改製件和模具設計，而不是等到試模以後再返修模具。這不僅是對傳統模具設計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報廢、提高製品質量和降低成本等，都有著重大的技術經濟意義。

??? 塑膠模具的設計不但要採用CAD技術，而且還要採用CAE技術。這是發展的必然趨勢。注塑成型分兩個階段，即開發/設計階段（包括產品設計、模具設計和模具製造）和生產階段（包括購買材料、試模和成型）。傳統的注塑方法是在正式生產前，由於設計人員憑經驗與直覺設計模具，模具裝配完畢後，通常需要幾次試模，發現問題後，不僅需要重新設置工藝參數，甚至還需要修改塑膠製品和模具設計，這勢必增加生產成本，延長產品開發週期。採用CAE技術，可以完全代替試模，CAE技術提供了從製品設計到生產的完整解決方案，在模具製造之前，預測塑膠熔體在型腔中的整個成型過程，幫助研判潛在的問題，有效地防止問題發生，大大縮短了開發週期，降低生產成本。

??? 近年來，CAE技術在注塑成型領域中的重要性日益增大，採用CAE技術可以全面解決注塑成型過程中出現的問題。CAE分析技術能成功地應用於三組不同的生產過程，即製品設計、模具設計和注塑成型。

製品設計

? 製品設計者能用流動分析解決下列問題：

(1) 製品能否全部注滿　這一古老的問題仍為許多製品設計人員所注目，尤其是大型製件，如蓋子、容器和傢俱等。

(2) 製件實際最小壁厚　如能使用薄壁製件，就能大大降低製件的材料成本。減小壁厚還可大大降低製件的迴圈時間，從而提高生產效率，降低塑件成本。

(3)澆口位置是否合適　採用CAE分析可使產品設計者在設計時具有充分的選擇澆口位置的餘地，確保設計的審美特性。

模具設計和製造

? CAE分析可在以下諸方面輔助設計者和製造者，以得到良好的模具設計：

(1) 良好的充填形式　對於任何的注塑成型來說，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經濟。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內部分子單向和穩定的取向性。這種填充形式有助於避免因不同的分子取向所導致的翹曲變形。

(2)最佳澆口位置與澆口數量　為了對充填方式進行控制，模具設計者必須選擇能夠實現這種控制的澆口位置和數量，CAE分析可使設計者有多種澆口位置的選擇方案並對其影響作出評價。

(3)流道系統的優化設計　實際的模具設計往往要反復權衡各種因素，儘量使設計方案盡善盡美。通過流動分析，可以幫助設計者設計出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系統，還可對流道內剪切速率和摩擦熱進行評估，如此，便可避免材料的降解和型腔內過高的熔體溫度。

(4)冷卻系統的優化設計　通過分析冷卻系統對流動過程的影響，優化冷卻管路的佈局和工作條件，從而產生均勻的冷卻，並由此縮短成型週期，減少產品成型後的內應力。

(5)減小反修成本　提高模具一次試模成功的可能性是CAE分析的一大優點。反復地試模、修模要耗損大量的時間和金錢。此外，未經反復修模的模具，其壽命也較長。

注塑成型

? 注塑者可望在製件成本、質量和可加工性方面得到CAE技術的幫助：

(1) 更加寬廣更加穩定的加工“裕度”　流動分析對熔體溫度、模具溫度和注射速度等主要注塑加工參數提出一個目標趨勢，通過流動分析，注塑者便可估定各個加工參數的正確值，並確定其變動範圍。會同模具設計者一起，他們可以結合使用最經濟的加工設備，設定最佳的模具方案。

(2) 減小塑件應力和翹曲　選擇最好的加工參數使塑件殘餘應力最小。殘餘應力通常使塑件在成型後出現翹曲變形，甚至發生失效。

(3) 省料和減少過量充模　流道和型腔的設計採用平衡流動，有助於減少材料的使用和消除因局部過量注射所造成的翹曲變形。

(4)最小的流道尺寸和回用料成本　流動分析有助於選定最佳的流道尺寸。以減少澆道部分塑膠的冷卻時間，從而縮短整個注射成型的時間，以及減少變成回收料或者廢料的澆道部分塑膠的體積。

以分層堆積工藝製造模具

20世紀80年代末便已建立起了開發快速成型工藝的技術基礎。當時，在市場上出現了最早的3D CAD應用技術，採用這種CAD系統已可以進行三維結構設計和完成虛擬構件。這種從空間表示結構的優點在當時只能局限應用於設計部門。而結構資料的傳輸，仍然只能通過二維的生產圖紙來實現。

在 1984年，Chuck Hull 開發出了一種終於可以以物理模型來傳送結構資料的工藝，通過立體印刷術首次成功實現了分層堆積原理，隨之出現了建造可在工業上應用的設備。接著很快又出現 了另一些工藝，以至於現在我們已經有了多種選擇。隨著時間的推移，基於這種工藝的原理也不過只有很少的變化。構件由平板材、箔材、粉末狀或液態的原材料來 製造。在製造時，首先把材料層塗在相應的製造平臺上，接著將這種材料層，通過燒結等方式固化成構件實際的橫斷面輪廓，並同位於其下面的材料層進行結合。通 過重複進行這兩步工序，逐漸地製造出所要求的構件。基於這一原理的工藝被稱作材料堆積成型製造工藝，並歸類於快速成型製造技術。而快速成型製造技術這一概 念，概括了可以快速製造複雜構件、模具或小批量構件的所有生產工藝。

圖1 越來越好：通過快速成型技術在很廣的範圍內替代了樣品或原型的手工製作。
附帶的效果：製造費用與構件的複雜程度無關。好久以來，採用這種設備不僅可以
製造原型或整個的注塑模，而且還可以製造塑膠或金屬材質的完好的最終產品。
這種產品與原材料相比，在材料性能上很大程度是相同的

不用刀具的生產

通 過分層堆積製造原理，在一定程度上把三維生產任務簡化成多個二維生產工序。這種不用刀具的生產工藝，有利於以十分精確的物理模型複製成具有複雜的幾何形狀 的構件。在複製時，製造費用和製造時間與構件的複雜程度無關。在快速成型製造中，這種工藝用於快速和低成本製造樣件和原型，應用這種工藝的前提條件是要有 三維CAD數 據。對於大多數快速成型技術，這些資料是以專門的STL檔*（Standard Transformation Language——標準轉換代碼）的資料格式來傳輸的。然後確定諸如雷射器功率、掃描頻率和堆積材料層厚度等工藝參數。接著在構件準備中以虛擬的方式對 構件進行塗層覆蓋，可以啟動生產過程。對於這種生產過程，如需要製造多個構件，也可同時在一個生產過程中來進行製造。這種構件的堆積成型過程是自動進行 的。根據塗層材料的厚度和構件大小的不同，該成型過程可延續幾小時到數天的時間。(STL文件是專門應用於CAD模型與快速成型製造設備之間進行資料轉換的一種檔案格式——譯注)

直 觀模型的製造，由於這種工藝技術而發生了根本性的變革。以目前已安裝幾千台這樣的設備表明，快速成型製造技術是代表了當前技術的發展水準。通過快速成型制 造，實際上已在很大的範圍內替代了用手工製造樣品或樣件。即使在今天，這種仍是新的製造技術，而對它的開發也從未停止。某些工藝已有能力來製造金屬構件， 對於這種工藝顯然可以應用於工具和模具製造中。

圖2 以二維方式進行加工：（幾乎）對於所有快速成型製造技術來說，將三維製造
任務簡化成了多個二維的生產工序。在生產時，首先把材料薄層塗在相應的製造平臺上，
接著，以這材料層通過例如這裡所述的燒結、固化成構件實際的橫斷面輪廓，並同位於其
下面的材料層進行結合

品質和成本之間的協調

加 工金屬的快速成型製造工藝，通常是建立在金屬粉末層局部固化原理的基礎之上的。目前，如下八家公司可提供按這種原理來生成構件的設備，即Eos，3D- Systems，MCP-HEK，Phenix Systems，Concept Laser，Trumpf，Prometal，Arcam。儘管設備以不同的工藝名稱進行標誌（例如，鐳射快速製造工藝，鐳射熔融沉積快速成型工藝，鐳射 快速成型製造工藝或鐳射燒結工藝），然而，所有設備在工作原理上都是相同的。設備在可達到的構件品質或製造速度等工藝特性方面也是相近的。

對 這些工藝特性起決定性影響的參數是可能達到的最小材料層厚度，這種可能小的材料層，取決於粉末材料的顆粒直徑和塗層機構的精度，並由此決定了物理極限。所 以，例如目前所採用的粉末顆粒大小，從幾個μm到200μm。由此可以達到的構件表面粗糙度可控制在RZ=10μm（RZ表示不平度平均高度）範圍內。另 外，構件的表面品質還決定於構件在製造腔裡的位置。相對于製造平面成尖角的構件範圍存在著與工藝有關的階梯效果。

這種階梯效果會降低 構件的表面品質，只有當減薄材料塗層時才能減小這種階梯效果。然而，由此會增加塗層的數量，當然，這樣就會大大延長生產時間。所以，必須要在必需的構件表 面品質和生產成本之間尋找一種妥協。今後所採用的製造材料是區分各個工藝的一個很好的特徵。大多數加工的物件是專門針對設備和製造廠家的材料合金。迄今， 標準的粉末材料品種（例如工具鋼1.2343）幾乎是不採用的，因為這種材料的融化溫度需要一個很強的光束能。因此，可以看出，對於大多數工藝來說，採用 高效率能源是一個明顯的發展趨勢。所以，許多設備製造廠家採用了大功率雷射器。利用這樣的雷射器不僅能夠燒結專門的金屬混合材料，而且也可以燒結像鈦或工 具鋼材料。由於粉末顆粒的不斷優化，目前實際上已可以堆積成型無孔隙的構件（可滲透性＜1%）。由此用原材料塗層堆積成型的構件已可以達到類似於採用常規 加工製作的構件的強度性能。

圖3 問題：對於與製造平面成尖角的構件部分，存在與工藝有關的階梯效果，在進行堆積
成型工藝時，只有減薄塗層的厚度，才能減小這種階梯效果，然而隨之卻
增加了塗層數量