仿真技術(shù)在塑料成型工藝學(xué)課程中的應(yīng)用

胡江浦，李 英，馮笑顏

（石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

隨著社會科技水平的不斷進步和人民生活水平的不斷提高，塑料工業(yè)得到迅猛發(fā)展. 塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在航空、航天、汽車、船舶、手機、電腦、機械制造等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用更是越來越多. 與此同時，這些高科技領(lǐng)域中應(yīng)用的塑料制品的形狀也越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也越來越精細，制品質(zhì)量的要求也越來越高. 面對如此挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的塑料注射工藝與模具設(shè)計已無法滿足日益復(fù)雜的產(chǎn)品形狀和質(zhì)量提高的要求，計算機仿真分析技術(shù)應(yīng)運而生. 通過借助計算機仿真分析技術(shù)可以預(yù)先對模具進行模擬設(shè)計，并對注射過程進行模擬分析. 這樣不僅可以提前預(yù)測可能產(chǎn)生的問題和風(fēng)險，有效地提高模具的開模成功率和設(shè)計精度，還可以在制品發(fā)生問題時，找出問題發(fā)生的來源，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和勞動強度. 越來越多的塑料成型企業(yè)開始使用計算機仿真分析軟件來對塑料制品的模具設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)進行優(yōu)化分析[1]. 因此，許多塑料成型企業(yè)迫切需要能夠使用仿真分析軟件的技術(shù)人才. 但是，目前大多數(shù)高校相關(guān)專業(yè)所開設(shè)的塑料成型工藝學(xué)或塑料成型工藝與模具設(shè)計等課程中基本只涉及塑料成型的理論、工藝及模具設(shè)計等相關(guān)知識，幾乎很少有針對計算機仿真分析技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，這就造成了高校教育與企業(yè)實際應(yīng)用相脫節(jié)的現(xiàn)象.為此，筆者對塑料成型工藝課程進行了探索性的教學(xué)改革，嘗試在注射成型工藝的章節(jié)引入計算機仿真分析的相關(guān)內(nèi)容. 在教學(xué)過程中不僅講授傳統(tǒng)注射成型的知識，同時，向?qū)W生教授注射仿真分析軟件的基本知識與使用方法. 此外，由于仿真分析技術(shù)可以直觀地展現(xiàn)制品的注射過程，其在課堂中的使用還有利于學(xué)生理解相對抽象的課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對于課程的興趣[2，3].

1 仿真分析技術(shù)在課程中的應(yīng)用方式探索

目前，塑料成型企業(yè)最常用的注射成型仿真分析軟件是美國的Moldflow 軟件與中國臺灣的Moldex3D 軟件，此次課程建設(shè)以Moldex3D 軟件為例[4，5]. 在進行注射成型章節(jié)講授時，引入Modelx3D 軟件的相關(guān)內(nèi)容，教師利用仿真分析軟件向?qū)W生展示真實的塑料制品的注射過程，并引導(dǎo)學(xué)生自己進行操作，設(shè)計塑件的成型過程. 這樣可以使學(xué)生在深入理解注射工藝過程的同時，掌握仿真軟件的基本操作方法. 具體的教學(xué)流程步驟如下：

第一步，在注射成型課程理論內(nèi)容完成后，向?qū)W生介紹仿真分析相關(guān)內(nèi)容及其應(yīng)用.

第二步，向?qū)W生展示Moldex3D 仿真分析軟件的操作界面.

第三步，向?qū)W生講解如何利用仿真分析軟件對一個真實的塑件進行一次完整的注射成型過程. 對于Moldex3D 仿真軟件來說，具體的操作過程是：教師提前準備一個軟件自帶的或者已經(jīng)利用CAD 繪制好的塑件模型（講授時一般可以采用電腦主機風(fēng)扇、鼠標外殼、手機殼等常見塑料制品模型），將模型匯入到軟件中，這樣學(xué)生可以清晰地在電腦屏幕上看到需要注射的塑件的外形. 模型匯入之后，在模型上繪制物料的流道系統(tǒng)（包括澆口、流道、進澆點等）和冷卻系統(tǒng)（冷卻水路、進出水口），并向?qū)W生們講解流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的作用，以及設(shè)置流道系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)需要遵循的原則. 同時講授使用軟件繪制流道系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的方法與技巧，使學(xué)生掌握軟件操作. 然后利用仿真軟件將繪制好的塑件模型、流道系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)生成網(wǎng)格.Moldex3D 軟件采用了先進的邊界層網(wǎng)格技術(shù)，該技術(shù)是專門針對復(fù)雜幾何模型量設(shè)計的，可以得到更加精確的分析結(jié)果. 在網(wǎng)格生成好之后，需要選擇合適的注射機和合適的物料，設(shè)置合適的注射參數(shù)（溫度、壓力、時間等）. 所有相關(guān)參數(shù)設(shè)定好之后進行模擬注射成型. 成型過程完成后，向?qū)W生展示注射成型的結(jié)果.Moldex3D 軟件在結(jié)果展示中提供了注射過程物料流動的3D 動畫，學(xué)生可以清晰地看到注射成型過程中物料的流動過程及溫度變化. 此外，還可以向?qū)W生展示仿真分析軟件的一些分析功能（溫度分析、厚度分析、翹曲分析、強度分析等）.

第四步，由學(xué)生操作，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計完成一個塑件的注射過程，并讓學(xué)生利用軟件進行分析. 使學(xué)生真正理解注射成型的過程，掌握軟件的基本操作.

2 仿真分析技術(shù)融入課程帶來的變化

通過將仿真分析的知識融入到課程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)仿真分析技術(shù)給課堂教學(xué)帶來很多的便利，同時也對學(xué)生學(xué)習(xí)提出了更高的要求.

2.1 使課程講授更加直觀，學(xué)生對注射成型過程認識更加深刻

塑料成型工藝課程是一門應(yīng)用型的課程，課程內(nèi)容一般非常貼近實際生產(chǎn)，因此課程內(nèi)容具有比較大的抽象性，如果只是按照傳統(tǒng)的教師講課、學(xué)生聽課的教學(xué)模式，學(xué)生很難理解課程的內(nèi)容. 最好的辦法是在進行傳統(tǒng)理論知識講授的同時，進行實踐操作，通過理論和實踐相結(jié)合的方式，使學(xué)生真正理解與掌握課程內(nèi)容. 但是，大多數(shù)情況下由于教學(xué)條件的限制，學(xué)生很難去進行實際的操作過程，這就使得學(xué)生的興趣很難被激發(fā)起來，也難以獲得良好的教學(xué)效果. 利用仿真分析技術(shù)可以將整個注射過程通過軟件模擬的方式直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前. 使學(xué)生可以非常生動地看到塑件的形狀和結(jié)構(gòu)，看到注射模具中的澆口和流道，以及看到注射過程中物料的流動過程. 這樣不僅可以提升學(xué)生的興趣，還可以使學(xué)生更加容易理解注射成型過程.

2.2 使學(xué)生更加深入地理解生產(chǎn)中各參數(shù)對于制品的影響

在塑料成型過程中會涉及到很多工藝參數(shù)，例如溫度參數(shù)、壓力參數(shù)、時間參數(shù)等. 溫度參數(shù)又包括料筒溫度參數(shù)、噴嘴溫度參數(shù)、模具溫度參數(shù)、冷卻水路的入水與出水溫度等；壓力參數(shù)包括注射壓力參數(shù)和保壓壓力參數(shù)等；時間參數(shù)包括注射時間參數(shù)、保壓時間參數(shù)和冷卻時間參數(shù). 這些參數(shù)都會影響塑料制品的最終質(zhì)量. 而在上課時，這些參數(shù)對于塑料制品的影響一般只能通過講述的方式告訴學(xué)生，讓學(xué)生自己想象，這樣學(xué)生很難理解這些參數(shù)到底是如何影響產(chǎn)品質(zhì)量的，經(jīng)常記不清楚哪些參數(shù)會影響哪些性能. 而利用仿真模擬技術(shù)可以在軟件中對這些參數(shù)進行設(shè)置，通過改變不同參數(shù)，模擬注射成型過程. 這樣就可以讓學(xué)生們清晰地看到每個參數(shù)對于塑料制品特定性能的影響. 通過仿真模擬過程使學(xué)生真正理解和掌握注射成型過程中所涉及到的參數(shù)，及其對于制品成型的影響.

2.3 豐富了學(xué)生的知識范疇，提高了對學(xué)生的要求

將仿真分析的知識融入到課程中，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)塑料成型的基本知識，同時也要學(xué)習(xí)軟件的使用和操作，這就要求學(xué)生了解電腦軟件相關(guān)知識，熟悉電腦軟件的操作手法和使用技巧. 仿真分析技術(shù)的引入不僅豐富了學(xué)生的知識面，更對學(xué)生提出了更高的要求. 當(dāng)然，這也體現(xiàn)了高校教育與社會變化相適應(yīng)的特點.

2.4 給學(xué)生就業(yè)提供了幫助，滿足了企業(yè)的用人需求

目前，很多塑料成型企業(yè)開始應(yīng)用仿真模擬技術(shù)，甚至有些企業(yè)專門開設(shè)仿真模擬部門. 這些企業(yè)主要利用仿真模擬技術(shù)在模具設(shè)計時提前預(yù)知風(fēng)險，提高開模成功率；或者在注射過程中出現(xiàn)問題時，通過仿真分析找出產(chǎn)生問題的原因，進而對模具和注射過程進行改進. 因此，仿真分析技術(shù)正逐漸成為塑料成型領(lǐng)域人才必備的一項技能. 如果在講授塑料成型工藝課程時，加入適量仿真分析技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，使學(xué)生掌握目前主流仿真分析軟件的常規(guī)使用方法，就可以真正做到讓課堂上的知識與實際應(yīng)用接軌. 這樣當(dāng)相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生到塑料成型企業(yè)就業(yè)時，就會更加符合企業(yè)的用人要求，同時縮短企業(yè)對于新入職員工的培訓(xùn)時間，降低企業(yè)新人培訓(xùn)的成本.

3 結(jié)語

應(yīng)用型課程在設(shè)置其內(nèi)容時要與時俱進，要與實際應(yīng)用相匹配，要能夠滿足當(dāng)代企業(yè)的用人需求. 將仿真分析技術(shù)融入到塑料成型工藝課程中，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對于知識的理解和掌握，同時還可以使課堂的內(nèi)容與企業(yè)實際需求相接軌，滿足實際應(yīng)用的需要. 目前，仿真分析技術(shù)在課堂中的應(yīng)用尚處于起步階段，希望越來越多的相關(guān)課程可以引入仿真分析的技術(shù)進行教學(xué). 授課教師也需要不斷提升自身的計算機水平，并且繼續(xù)對仿真分析技術(shù)融入課堂建設(shè)的方式進行研究與探索，使教學(xué)效率與效果進一步得到有效的提高與改善.