CAE技术：塑料模具设计发展的必然趋势

 
模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助工程（CAE）技术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。

美国上市公司Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。

利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。

塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。这是发展的必然趋势。注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用CAE技术，可以完全代替试模，CAE技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。

近年来，CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用CAE技术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程，即制品设计、模具设计和注塑成型。

制品设计

制品设计者能用流动分析解决下列问题：

(1) 制品能否全部注满　这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目，尤其是大型制件，如盖子、容器和家具等。

(2) 制件实际最小壁厚　如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。

(3)浇口位置是否合适　采用CAE分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。

模具设计和制造

CAE分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计：

(1) 良好的充填形式　对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、经济。单向充填是一种好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。

(2)最佳浇口位置与浇口数量　为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。

(3)流道系统的优化设计　实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。

(4)冷却系统的优化设计　通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。

(5)减小反修成本　提高模具一次试模成功的可能性是CAE分析的一大优点。反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱。此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。

注塑成型

注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到CAE技术的帮助：

(1) 更加宽广更加稳定的加工“裕度”　流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。

(2) 减小塑件应力和翘曲　选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。

(3) 省料和减少过量充模　流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。

(4)最小的流道尺寸和回用料成本　流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。