塑料注射模技术进展

塑料注射模技术进展

材料成形与模具技术国家重点实验室

目前，中国经济正处在转型阶段，随着汽车、家用电器、电子等行业技术水平的不断提高和升级，以及飞机、高铁、造船、航天等高端装备制造业的需要，对模具的要求也越来越高。为了应对市场的竞争，模具企业越发重视技术创新，因此在模具设计、加工及生产管理等方面相关技术也得到了长足的发展。本文就近年来塑料注射模技术研究及应用的一些新进展进行简单介绍。

一、塑料注射模CAD/CAE的集成

运用CAD/CAE/CAM技术，从根本上改变了传统的模具生产方式和流程，注射模设计呈现出自动化、集成化和智能化的发展趋势。目前对注射模CAD和CAM系统的集成研究已经较为成熟，但是CAD和CAE系统由于运行环境和数据模型不一致，两者的集成化研究进展较为缓慢。虽然一些商品化的CAD软件开始加入某些特定的CAE功能，例如：SolidWorks和COSMOS的集成、AutoCAD和ANSYS的集成、Unigraphics和MSC的集成等，但是它们只是提供了一个集成的过程，而非集成的系统。注射模的设计和分析仍然要在两个独立的系统环境中进行，这种独立性不仅影响了注射模的设计效率，而且造成了设计资源和信息的重复与浪费，特别是当产品需要反复修改和分析时，这个问题显得更为突出。另外，目前注射模CAD和CAE系统功能较为单一。在CAD系统中设计好的几何模型，由于缺少CAE分析所需的必要信息，无法直接进行分析计算。这些都给注射模设计的自动化和智能化发展造成了阻碍。华中科技大学模具技术国家重点实验室与相关模具企业利用自身的技术优势，对注射模CAD、CAE系统的集成方法进行了深入研究。将一体化设计、数值模拟技术、设计评价方法以及优化设计理论有机结合，研究开发出基于塑料注射模CAD/CAE的集成系统，在东江模具等国内知名企业进行了试用，对模具设计效率及质量的提升效果显著。

二、基于知识的智能模具CAD/ CAM系统

现阶段，模具设计和制造在很大程度上依靠着人的经验和直觉。这些经验和直觉就是先验知识。在模具设计、制造、管理过程中，将需用到多种类型的知识，并关联到企业的不同部门，以及不同的应用系统。如何将这些知识有效地组织利用起来，并融入到模具的设计制造环节中，是企业需要重点解决的问题，也是企业信息化工作的基础。例如：注塑模具设计过程是运用各种设计知识进行设计、分析、判断和决策的系列过程，其本质是依赖于设计知识驱动、面向设计问题进行系列设计决策的过程。它不但涉及许多设计领域的知识，而且包含如何将领域知识予以恰当应用解决实际问题的设计经验和诀窍。而目前绝大多数商业CAD/CAM 软件（如UG、CATIA、Pro/E和Cimatron等）更多关注的是提供丰富的造型和绘图工具，较少考虑和利用设计人员的设计知识与经验。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室等科研机构从注射模具设计特点出发，在塑料注射模主流CAD/CAM系统二次开发的基础上，将传统CAD/CAM技术从纯粹提高设计效率提升到真正意义上的辅助工程师进行更快、更准确设计的层面，对企业的设计产生了变革性的影响。

三、3D打印在塑料注射模中的应用

随形冷却水路是改善模具散热效率以降低冷却周期的革命性设计。利用直接金属粉末激光烧结技术（DMLS）可以制作出冷却效率优化的随形冷却水路，其不受传统加工上的限制，能够贴近产品轮廓，且针对一般产品的死角或是不易排热的区域，能提供更好的散热效率。

另外，对于极其复杂的外形且须实时且低廉的方式制作模具或特殊原件时，DMLS技术可以发挥其独特的优势，弥补数控机床（CNC）及放电加工机（EDM）的不足之处。如制作LED灯的简单模具，传统上需要一系列步骤来制作两个塑料原件，虽然此模具很简单但传统方式仍需要放电加工处理。利用DMLS技术制作此内、外模具只需5小时40分钟，而且不需后加工处理，最后只要做简单的喷砂及擦拭即可完成，将此内、外模具直接装置于注塑机后即可开始生产，自设计到生产只花了六天时间。

德国及日本的DMLS技术已经发展得较为成熟，国内有部分企业已采用该技术，但是价格相对昂贵。国内华中科技大学快速成形中心3D打印技术国内领先，率先开发出塑料注射模随形冷却结构，成形镶件的3D打印技术也取得了一定的进展，正在模具企业开展试用测试。

四、科学试模技术

“科学试模，把好模具关”——试模工作是注塑前的一项十分重要的工作，长期以来很多注塑企业用错误的方法试模，导致修模/改模/试模次数多，模具质量差且注塑生产过程中问题多，注塑工艺范围窄，调机时间长、注塑效率低、不良率高、料耗大、机位人手多，注塑成本高，缺乏竞争力。如何快速找出注射模具存在的问题，减少试模次数，缩短试模时间，

提高模具质量，实现注塑无人化，是每个企业亟待解决的问题。

在传统试模过程中碰到问题一般使用工艺参数的调整来得到相对较好的产品，从而掩盖某些模具缺陷且不被报告，以上问题或多或少都会影响工艺范围，导致工艺不易被复制，增加长期量产的难度。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室开发了科学试模系统，采用各种不同的工艺去检验模具，如:用较大的模腔压力检验模具的配合情况；用合理的锁模力检验模具的配合情况；用极短的周期时间检验模具的冷却效率、顶出效用、产能极限；用较大的保压压力检验模具的顶出系统对产品的效用；用较高的注射速度检验模具的排气性能等。科学试模的目的在于用积极、开放的态度去对待模具的缺陷, 使问题尽早被发现、解决，从而保证模具的高品质、高质量。

五、基于信息化的模具制造管理新模式

与模具制造活动有关的信息包括产品信息和制造信息。现代制造过程可以看作是原材料或毛坯所含信息量的增值过程，信息流驱动将成为制造业的主流。它包括两个层面：一是通过企业内部的局域网，完成模具报价、人员的安排、制品原始数据、模具加工工艺、现场监控、质量检测、试模具与交付等任务；二是通过企业外部的互联网完成企业与用户、与外协企业之间的信息交换。由于模具行业生产制造的独特性，面向大企业集团的批量制造生产模式的ERP系统（如SAP、用友、金蝶等）并不适用于模具行业，因此面向模具企业生产特点的管理系统具有大量需求和广阔的应用前景。华中科技大学模具技术国家重点实验室的模具生产管理系统EMan的主要功能包括基础资源管理、项目管理、主计划管理、设计管理、加工工艺规划、作业计划的优化调度、生产过程监控、实时查询与预警、统计分析与决策支持等。该系统已在十余家模具企业应用，包括一汽模具制造有限公司、深圳康佳模具、广东科尔模具公司、浙江双林集团、深圳比亚迪公司、无锡国盛模具和深圳贝尔罗斯公司等。

总之，越来越多的模具企业意识到技术创新对企业发展的重要意义，不断通过产学研等多种方式与高校、科研院所开展合作研究，推动了企业竞争力的提升。但是，从整个模具行业来讲，相关技术创新活动力度还不够，行业技术水平与发达国家的差距还很明显，还需要更多的模具企业与高校、科研院所共同努力，特别是在原创技术方面能够有所突破，真正做强中国的模具行业。