MoldFlow在《塑料成型與模具設計》課程教學中的應用

劉平平

（天水師范學院機電與汽車工程學院，甘肅天水741000）

1 引言

《塑料成型與模具設計》是材料成型及控制工程專業（模具方向）的重要專業必修課程。該課程主要講述了注射成型的基本原理和普通注射成型模具的結構、原理與設計方法，同時對其它注射成型工藝和較常用的壓注成型，擠出成型、氣動成型等塑料成型工藝做了較詳細的介紹。塑料種類繁多，性能優良，日益受到人們的重視，塑件在許多行業得到廣泛應用，如汽車，電氣，家電等行業。目前塑料成型理論不斷的研究不斷深入，成型技術不斷完善，隨著行業的發展，對模具技術和成型工藝也提出了更高的要求。在應用型本科辦學理念下，材料成型及控制工程專業（模具方向）的重要專業課程《塑料成型與模具設計》如果按照傳統的教學理念已經無法滿足時代的要求。必須進行必要改革，其中在課程中引入模流分析軟件和方法，能夠使課程更好的滿足時代發展的需要。

應用型本科，是指以應用技術類型為辦學定位，而不是以學術型為辦學定位的普通本科院校，是相對、區別于學術型本科的本科類型[1]。應用型本科教育對于滿足中國經濟社會發展，對高層次應用型人才需要以及推進中國高等教育大眾化進程起到了積極的促進作用[2]。教育部改革方向已經明確：全國普通本科高等院校50%將轉設為應用型本科院校[3~4]。

2 目前應用型專業普遍存在的一些問題

（1）強化實踐教學還未形成一致普遍的理念。

（2）適應高素質應用型在應用型本科辦學理念下，材料成型及控制工程專業（模具方向）的重要專業課程《塑料成型與模具設計》如果按照傳統的教學理念已經無法滿足時代的要求。必須進行必要改革，其中在課程中引入模流分析軟件和方法，能夠使課程更好的滿足時代發展的需要。

3 目前主要的模流分析方法及軟件

塑料模具可成型形狀復雜、精度要求高的塑件，且生產效率較高，成本低，塑件質量較好。塑料成型是一個復雜的系統工程。由于高分子材料本身的特性以及塑件的復雜性與特殊性，再加上技術人員的局限性等因素，在塑料成型時很難選擇最佳的高分子材料，很難精確地設置塑件最為合理的工藝參數，很難確定最優的工藝方案。技術人員根據以往的經驗和簡單計算設計模具、制定成型工藝，并通過試模判斷設計的合理性，以便后期不斷修正設計與制造缺陷。隨著新材料和新成型方法的出現，技術人員所面臨的問題更加突出。復雜的精密模具，技術人員無法綜合作出判斷，于是引入計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，簡稱CAE）成為必然。

塑料模具CAE技術為優化模具設計、控制塑料成型過程、獲得理想的塑件提供科學依據和設計分析手段[5]。

目前常用的模流分析軟件有：

（1）Autodesk MoldFlow注射成型仿真分析軟件是全球公認的注塑行業標準，是用戶首選的理想優化工具。利用Autodesk MoldFlow，客戶可以在模具制造之前對塑件和模具的設計進行充分的仿真、優化和分析，并通過對材料設計、結構設計、模具設計、工藝設計等方面的綜合優化，實現高質量和低成本的完美結合，進而實現企業效益與社會效益的完全統一。

（2）Moldex3D軟件，Moldex3D是目前應用最廣泛的高效能模流分析技術，除可以模擬分析熱塑性塑料在充填保壓、成型冷卻、纖維配向及塑件翹曲等注射成型情形外，還提供多材質射出成型（MCM）或反應射出成型（RIM）等特殊制程的模擬分析。

這兩款軟件，各自有自己的特點，在本校教學中，主要使用MoldFlow軟件進行分析。

在模具設計中引進計算機輔助系統已經成為必然，在設計中計算機輔助系統可以提高生產效率，保證塑件質量，降低生產成本，減輕勞動強度。尤其是在本科專業課程中引入此類軟件，更能使學生很好的掌握該課程的學習。

4 MoldFlow軟件在課程中的應用

在《塑料成型與模具設計》課程中，成型工藝及模具設計是否合理，可以根據現有的知識進行初步的判斷，但是判斷是否合理要進行大量的實驗驗證，如此導致的后果將是極大的增加設計制造的成本，引入模流分析軟件之后，可以很形象的解決以上問題，并且相對成本很低。MoldFlow軟件模流分析過程見圖1所示。

圖1 典型的流動分析步驟

MoldFlow能夠對注射成型從塑件設計、模具設計到成型工藝提供全面和并行的解決方案。

在塑料工藝及模具設計中，由于成型過程復雜，影響因素較多，所以依靠經驗很多設計或多或少都存在問題。現列舉幾個設計和工藝中的問題，對這些問題來說，如果引入MoldFlow模流分析軟件，將大大簡化過程，對于軟件來說，其應用途徑較多，現就幾個點舉例說明。

（1）最小壁厚問題。塑件的厚度應同時滿足強度與剛度要求及工藝性要求。對成型工藝而言，冷卻時間與塑件壁厚的平方成正比，但當壁厚小于0.5mm時，冷卻時間反而會延長。壁厚過小，成型時流動阻力大，熔體難以充滿型腔，脫模時易引起塑件變形。因此，塑件規定有最小壁厚值，它隨塑料品種及塑件大小不同而異，熱塑性及熱固性塑件最小壁厚及推薦壁厚有所不同。但壁厚也不能過大，否則不僅浪費原料，降低生產率，而且容易產生氣泡、縮孔、凹陷等缺陷，影響塑件質量。

塑件厚度確定時應考慮因素：塑件的尺寸大小和結構特性；塑件所受沖擊力的均勻分散程度和脫模斜度；塑件在使用、儲存和裝配過程中所需的強度；最終尺寸穩定性和外觀；成型時的充模流動性；脫模時塑件強度、變形、硬化、脫模等情況。

同一塑件的壁厚應盡可能保持一致，否則會因冷卻不均而產生附加內應力，使塑件產生翹曲、縮孔、裂紋甚至開裂。塑件局部過厚，其外表面會出現凹痕，內部會產生氣泡。如果結構要求必須有不同壁厚時，最小壁厚與最大壁厚的比值不應超過1：3，且應進行適當的圓弧過渡以減緩厚度的突然變化。

由此可以看出最小壁厚的選擇和判斷如果僅僅依靠經驗和上述理論來說很難完美，對初學者來說難度將更大。

如果教學中引入模流分析軟件將大大降低分析難度，如姬和平[6]等優化轎車繼電器保險盒蓋注射模通過MoldFlow模擬分析并確定澆口位置及塑件壁厚改善優化，具體分析澆口位置、數量、壁厚對塑件的填充和缺陷的影響，通過分析得出了最佳壁厚，如果僅僅依靠經驗將無法實現，從這個角度來看在課程中進入模流分析軟件將是必然。也是符合工業發展的需求的。

（2）澆口位置選擇問題。澆口位置關系到塑件的質量，且和很多因素有關，在選擇澆口位置和類型時要注意下列問題：①避免產生噴射流，良好的流動充模應保證型腔的均勻充填，并防止形成分層，熔體通過一個狹窄的澆口充填一個相對空曠的型腔時，將出現急流噴射，從而可能造成塑件表面缺陷、流痕、熔體破裂及夾氣；②考慮取向的影響，一般情況下，希望注射成型出的塑件各向同性，但塑料熔體在流動充模時因受剪切作用會產生流動取向，使塑件在垂直于取向的方位上強度降低，并容易產生應力開裂，因此，設置澆口時，要盡量避免使熔體的取向方位與可能的受力方向垂直；③盡量縮短流動距離，應保證熔體迅速和均勻地充填型腔，不要使流程過長，從而避免和減少因取向應力和收縮不均造成翹曲，對于淺平的大型塑件，應采用多個點澆口或薄片式澆口；④流動距離應該盡量平衡，對于體積較大的箱體或框形塑件，如果只能用一個澆口，應盡量把澆口設置在能使熔體彎折減少、流程較短的部位；⑤應有利于流動和補縮，當塑件壁厚相差較大時，為減少流動阻力，保證壓力有效地傳遞到塑件厚壁部位以減少縮孔，應把澆口開設在塑件厚壁處，這樣還有利于填充補縮；⑥有利于排氣；⑦減少澆口對塑件外觀的影響；⑧減少熔接痕對塑件強度的影響，熔接痕是熔體在型腔中匯合時產生的接縫，熔體在形成接縫時的溫度越低，熔接痕的強度越低，從而影響塑件的使用性能，選擇澆口位置時，應考慮熔接痕的數量、強度和方向；⑨避免料流擠壓細長型芯；⑩不在承受彎曲或沖擊載荷的部位設置澆口。

由以上可以看出澆口位置的影響因素較多，對設計者和初學者來說都較為困難，而引入MoldFlow軟件可以很好的解決上述問題，極大的降低模具開發難度和開發周期，有利于模具成本的降低。

5 結束語

在應用型本科的大環境下，作為工科專業的一門專業必修課來說，僅僅依靠現有教學手段已經無法滿足社會對專業的要求，必須引進新的專業手段，在《塑料成型與模具設計》課程中，引進模流分析軟件作為輔助教學的手段，可以有效提高課堂的質量，對一些工藝和模具設計中無法量化的影響因素可以很好的模擬，對提高設計的可靠性和知識的理解具有很大的意義，無疑將會成為一個很好的嘗試。