MOLDFLOW软件在塑料成型工艺与模具设计教学中的应用:塑料成型工艺与模具设计
时间：2019-05-04 03:15:42 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：简要介绍了MOLDFLOW软件，分析了塑料成型工艺与模具设计课程的特点，重点阐述了MOLDFLOW软件在塑料成型工艺与模具设计教学中的应用，帮助学生理解和掌握本课程教学中的重点、难点内容，有效地提高了学生的科研能力和教学效果。
关键词：MOLDFLOW；塑料成型工艺与模具设计；教学；应用
Application of the MOLDFLOW software in the plastics molding technology
and die design teaching
Feng Wei
Wuhan university of technology, Wuhan, 430070, China
Abstract: The MOLDFLOW software was briefly introduced and the features of the plastics molding technology and die design were analyzed in this paper. The application of the MOLDFLOW software in this course teaching was mainly discussed, which could help students comprehend and grasp the teaching key and difficult points of the course and effectively improve their ability to do scientific research and the teaching effect.
Key words: MOLDFLOW; the plastics molding technology and die design; teaching; application
由于塑料具有密度小、强度高、化学稳定性好等优点，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中逐渐代替钢铁产品，得到了广泛地应用。相应地，塑料模具的应用也越来越广泛，在各类模具中的地位也越来越突出，成为各类模具设计、制造与研究中最具代表性的模具之一[1]。塑料制品主要是通过塑料模具成型得到，而它的质量是靠模具的正确结构和模具成型零件的正确形状、精确尺寸及较低的表面粗糙度来保证的[2]。由于模具成型工艺的飞速发展，模具结构也日益趋于多功能化和复杂化。塑料产品的生产和更新都要以模具的设计制造为前提，这对模具的设计提出了更高的要求。传统依靠经验的模具设计方法已不能适应塑料制品日趋激烈的竞争环境，随着计算机技术的飞速发展，将CAD/CAE/CAM技术应用到塑料模具设计中，可提高模具设计的效率，减少模具设计过程中的失误，提高模具和塑料制品的质量，缩短生产周期，降低生产成本。因此，塑料模具设计人才的培养对于塑料工业的发展至关重要。塑料成型工艺与模具设计课程，已成为各高等院校和专科学校材料成形及控制工程专业的主干课程，成为培养高分子材料应用技术人才的一门重要的必修专业课[3]。
塑料成型工艺与模具设计课程涉及的内容包括塑料成型材料基础、塑料成型工艺与制品结构工艺性、塑料模具结构及成型设备、塑料模具设计方法等，是一门理论与工程实践紧密结合的课程。但在实际教学过程中，为了培养学生分析问题的能力，往往只注重理论知识的灌输，特别是在实验条件受限制的情况下，难于做到理论和实际并重，不利于学生创新和解决工程问题能力的培养，学生在掌握理论知识的过程中被动地接收，不会将理论知识融会贯通地应用于实践，知识掌握和运用的效果较差。特别是课程中的一些重点和难点知识，如塑料材料的流动充模特性、塑料材料成型过程所出现的缺陷、引起缺陷的原因以及解决措施等，如果仅仅是在课堂教学中通过板书和二维图片的形式讲解，大部分学生很难理解和熟练掌握这些内容，这势必会影响到学生解决实际问题的能力。因此，为了帮助学生更好地掌握和理解塑料材料在模腔中的流动特性以及预测不同的成型工艺参数对塑料制品成型质量的影响，在塑料成型工艺与模具设计课程教学中，我们引入模具设计新技术和多媒体技术，将MOLDFLOW软件引入课堂教学中，在相关的章节，通过在MOLDFLOW软件的一些模块设置相应的工艺参数，进行产品的充模流动模拟，使充模流动的课堂教学内容可视化。主要介绍MOLDFLOW软件在塑料成型工艺与模具设计课程教学中的应用，紧跟计算机技术和模具设计新技术的发展，利用先进的CAI工具，使得塑料成型工艺与模具设计传统的理论教学具有勃勃生机。
1 MOLDFLOW软件简介
MOLDFLOW软件是一款具有强大功能的专业注射成型CAE软件，由美国MOLDFLOW公司开发，广泛应用于注射成型领域中的充模流动、保压、冷却和注塑件收缩、翘曲变形、优化浇注系统、确定最佳的浇口位置及浇口尺寸、优化多模腔流道尺寸而实现流道平衡、优化冷却系统、优化成型工艺参数、预测成型缺陷等方面。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/E，UG等，是现代注塑产品和模具设计中高级CAE工具之一。软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块三部分。通过模拟塑料在模腔中的流动过程，在设计阶段就预测产品可能出现的缺陷，指导模具设计师对已设计的模型进行修改和优化，从而提高一次试模的成功率，降低生产成本，缩短产品的开发周期[4]。
2 MOLDFLOW软件在教学中的应用
在塑料成型工艺与模具设计的教学中，我们主要使用MOLDFLOW软件的高级成型分析MPI(Moldflow Plastics Insight)中的流动分析(Flow)、填充分析(Fill)、浇口位置分析(Gate Location)、流道平衡分析(Runner Balance)等模块进行辅助教学。为了节约课堂时间，教师在课前将授课内容以实例的形式在MOLDFLOW软件中进行建模、分析运算，并将运算过程制作成动画形式实时播放，然后结合运算结果进行讲解。 2.1 塑料熔体的流动分析
流动性是塑料加工为制品过程中所应具备的基本特性，是指塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填模腔的能力。塑料流动性的好坏，很大程度上取决于塑料成型工艺参数的确定，主要指温度、压力、时间。温度主要是指熔体温度和模具温度，压力主要是指注射压力和保压力，时间主要是指注射时间和冷却时间。在成型过程中，温度、压力不能太高也不能太低，在一个适中的条件下，才能成型质量较好的塑料产品。各因素之间相互影响，相互制约，比较复杂。在以往的教学中，对于这一部分的内容，由于需要比较深的塑料熔体流变学理论，仅仅通过课堂讲解的形式灌输给学生，大部分学生听讲的时候有点云里雾里，各因素之间的关系理不清楚，因此教学效果很差。
利用MPI的流动分析模块，以成型塑料为PP(聚丙烯)的手机壳塑料制品为例(如图1所示)，在MPI的流动分析模块中建立与实际成型条件接近的有限元模型及流动前沿的动态显示。在课堂上利用该模型在MOLDFLOW软件中演示改变不同的成型工艺参数，如将熔体的温度调高或调低，然后进行充模流动分析，让学生观察熔体在模腔里的流动情况，并分析计算结果，比较不同熔体温度时，其注射时间、冷却时间、注射压力的变化情况。图2和图3分别为熔体温度为230 ?C和260 ?C时各参数的比较。从图1～图3可知，流动模拟软件能够显示熔体从流道至浇口逐渐充满型腔的动态过程，清楚地看到各流动分支是否同一时间充满型腔的各个角落，熔体充模时间、冷却时间、注射压力与熔体温度高低之间的关系等，从而判断熔体温度设置是否合理。通过在课堂上引入MOLDFLOW软件，进行塑料的流动分析，不仅活跃了课堂气氛，激发了学生的兴趣，同时让学生对这部分知识的掌握与记忆更容易，而且也弥补了实验条件缺乏时不能去现场观察的缺陷。
2.2 塑料熔体的充模流动分析
塑料熔体的充模流动是指在压力作用下聚合物熔体经模具的流道和浇口进入模腔并成型的过程。在熔体充模成型的过程中，要求熔体平稳和连续的充模才能保证成型塑件的质量。通常充模流动形式有三种，快速充模是小浇口正对着一个深腔时，熔体以蛇形流的形式快速充模，致使成型后的塑件质量不理想。中速充模是指浇口截面尺寸与型腔深度相差不大时，熔体以比较平稳的扩展流动中速充模，可以获得比较好的塑件质量。慢速充模是指当浇口截面的尺寸与型腔深度接近时，熔体以慢速平稳的扩展流动充模。为了更加形象地将这些理论具体化，在MPI的充模流动分析模块中建立如图4所示的不同浇口尺寸的有限元模型，然后进行充模流动分析，学生便可以观察在不同充模速度时熔体在模腔里的流动行为以及不同浇口尺寸时熔体注射的平均速度。通过这种将课本中静态的二维图转变成动态的三维画面教学，学生对这部分内容的理解更加容易，记忆更加深刻，学生的思考也更多。因为在课堂上，学生通过观看三种模型的流动行为，觉得很有趣，有的学生问教师为什么会出现这种变化，有的学生想知道再改变浇口的尺寸和型腔的深度又会有怎样的变化等。这说明利用这种教学方式更能激发学生的思考能力和创新能力。学生提出的问题，有的教师可以解答，有的教师可以布置学生课后自己动手去建模实验，以培养学生的学习能力和创新能力。
2.3 浇口位置的分析
在成型塑料制品时，浇口位置和数量的选择对塑件质量影响很大。对于同一产品，当采用不同浇口位置和浇口数量时，塑料熔体在模腔的流动行为是不一样的，成型制件产生的缺陷不同，成型质量也是不一样的。通过MPI的浇口位置分析和充模流动分析模块，学生可以直观地观察到不同浇口位置和不同浇口数量时对制件质量的影响，从而让学生了解到浇口设计的重要性，为今后工作中的模具设计打下基础。
3 结束语
在塑料成型工艺与模具设计的教学中，我们主要利用MOLDFLOW软件中的充模流动分析、浇口位置分析模块结合相应的知识点进行仿真学习和研究，一方面，通过熔体的仿真充模流动模拟，可以直观地观察到熔体在模腔里的流动行为，使理论知识形象化、可视化，帮助学生更好地巩固和理解理论知识，提高课堂教学效果；另一方面，CAD/CAE/CAM技术已成为目前模具设计的新技术，在课堂上，通过引入MOLDFLOW软件，让学生了解和学会如何利用计算机技术进行模拟物理现象的基础知识，将学生从枯燥单一的学习中解脱出来，变被动学习为主动学习，培养学生的创新能力和科研能力。
参考文献
[1] 齐晓杰.塑料成型工艺与模具设计[M].北京:机械工业出版社,2011.
[2] 李莹莹,彭琦.浅谈塑料模具设计课程的教学改革[J].洛阳工业高等专科学校学报,2007,17(5):62-64.
[3] 莫盛秋.浅谈塑料模具设计课程教改实践[J].常州信息职业技术学院学报,2009,8(4):73-75.
[4] 刘芳辉,钱心远,张杰.CAD/CAE/CAM技术在现代塑料模设计制造中的应用[J].模具工业,2010,36(1):1-6.
