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汽车/摩托车行业是模具最大的市场，在工业发达国家，这一市场占整个模具市场的一半左右。随着汽车工业的向前发展，汽车塑件对模具的要求日渐提高，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。CAE技术现在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辅助工具。本文为我们展示了美国Moldflow公司的注塑成形CAE技术的专业软件Moldflow在汽车产品开发中的应用实例。
汽车用塑料件应用得越来越广泛，比如，保险杠、仪表板、油箱、方向盘等大中型塑料模。据预测到2005年，汽车用塑料件制品只能满足总需求量的50%左右。
与传统的模具设计相比，计算机辅助工程（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，都具有无可比拟的优越性。美国Moldflow公司是专业从事注塑成形CAE技术软件的咨询公司，作为塑料成形分析软件的创造者，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，Moldflow公司一直主导着塑料成形CAE技术软件市场。近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工、日用品等领域得到了广泛应用。
CAE技术的作用
CAE技术是在模具加工之前，通过计算机对整个注塑成形过程进行模拟分析。CAE技术能够准确预测出熔体的填充、保压、冷却情况，制品中的应力分布、分子和纤维取向分布，以及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的设计，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、降低成本等，都有着重大的技术革新和经济意义。因此，塑料模具设计的必然趋势不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。
注塑成形分两个阶段，即：开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计、模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模、成形）。传统的注塑方法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。发现问题时，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。
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形过程，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。采用CAE技术，可以完全省略试模步骤。
CAE技术的应用
近年来，CAE技术在注塑成形领域中的重要性日益增加，采用CAE技术可以全面解决注塑成形过程中出现的问题。CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程：制品设计、模具设计、注塑成形。
制品设计
制品设计者能用流动分析解决下列问题：
(1)制品能全部注满吗？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、家具等的设计者。
(2)制件实际最小壁厚是多少？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)浇口位置合适吗？采用CAE分析可使产品设计者在设计时具有充分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，以期得到良好的模具设计。
(1)良好的充填形式：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：CAE分析可为设计者提供多种浇口位置的选择方案并对其影响做出评价。
(3)流道系统的优化设计：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，从而使冷却均匀，并由此缩短成形周期，减少产品成形后的内应力。
(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。
注塑成形
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。
(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，从而缩短了整个注射成形的时间，减少了变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。
专业软件Moldflow的应用实例
汽车通风饰罩
采用气体辅助注射成形，要求确定出浇口、气口的位置与数量，预测气体在气道中的穿透情况及工艺参数。
(1) 建模
Moldflow通过图形接口直接读入CAD模型。模型及浇注系统如图1所示，浇注系统初始设计使用一个侧浇口和两个气口位置。 （图片） (2)输入工艺条件
最大注射压力为55Mpa，气体注射压力为20Mpa，模温50℃，熔体温度为230℃，延迟时间为2.5s，气道的等效直径为9.6mm，冷却时间 22s。
3)分析计算
图2为熔体流动前峰推进图，通过该图我们可动态看见熔体流动情况，该充填平衡，也可通过该等值线图来判断流动是否均匀，该流动均匀。图3为4.27秒时的塑料表皮层比分布图，此时型腔还没充满，气体开始注入，气体沿着加强筋均匀穿透(分布)。图4为4.91秒时的塑料表皮层比分布图，此时型腔已充满，开始保压，保压压力为气体压力。图5为14.42秒时的塑料表皮层比分布图，此时保压结束，气体停止注入，气体穿透率为3.83%。图6为压力曲线变化图，根据该图可知喷嘴、气口处的压力变化情况。图7为锁模力曲线图。（图片） （图片） 汽车仪表盘
对于大型模具来说，流动、保压、冷却等各方面参数均需严格控制，否则，稍有不慎，便有可能出现型腔填充不均衡、冷却不均匀、变形及残余应力大等缺陷。通过对流动过程,冷却过程与保压过程的模拟分析，来优化螺杆速率-位置曲线、保压曲线及冷却系统，并对翘曲变形进行分析计算。
该制品材料为 FERR/PP LPP20BC07HBBK，制品尺寸较大(长1.4m)。原方案采用十个浇口，热流道，如图8所示，图9是冷却系统。原方案充填不平衡，不均匀，压力分布也不均匀，制品表面最大温差为40.30度，温差较高，温度过高的区域，需加强冷却，变形也较大，不能满足尺寸精度要求。通过Moldflow优化螺杆速率_位置曲线、保压曲线、流道系统及冷却系统，得到了理想的充填效果，冷却效果也较好，制品表面温度分布较均匀，温差下降到26.67度，翘曲变形也大大降低了。改进后的流道系统(九个浇口)与冷却系统如图10与11所示。（图片） （图片）
7/25/2005
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