仿真技术在塑料成型工艺学课程中的应用

胡江浦，李 英，冯笑颜

（石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

随着社会科技水平的不断进步和人民生活水平的不断提高，塑料工业得到迅猛发展. 塑料制品的应用领域越来越广泛，在航空、航天、汽车、船舶、手机、电脑、机械制造等高科技领域的应用更是越来越多. 与此同时，这些高科技领域中应用的塑料制品的形状也越来越复杂，结构也越来越精细，制品质量的要求也越来越高. 面对如此挑战，传统的塑料注射工艺与模具设计已无法满足日益复杂的产品形状和质量提高的要求，计算机仿真分析技术应运而生. 通过借助计算机仿真分析技术可以预先对模具进行模拟设计，并对注射过程进行模拟分析. 这样不仅可以提前预测可能产生的问题和风险，有效地提高模具的开模成功率和设计精度，还可以在制品发生问题时，找出问题发生的来源，保证产品质量，降低生产成本和劳动强度. 越来越多的塑料成型企业开始使用计算机仿真分析软件来对塑料制品的模具设计和产品生产进行优化分析[1]. 因此，许多塑料成型企业迫切需要能够使用仿真分析软件的技术人才. 但是，目前大多数高校相关专业所开设的塑料成型工艺学或塑料成型工艺与模具设计等课程中基本只涉及塑料成型的理论、工艺及模具设计等相关知识，几乎很少有针对计算机仿真分析技术的教学内容，这就造成了高校教育与企业实际应用相脱节的现象.为此，笔者对塑料成型工艺课程进行了探索性的教学改革，尝试在注射成型工艺的章节引入计算机仿真分析的相关内容. 在教学过程中不仅讲授传统注射成型的知识，同时，向学生教授注射仿真分析软件的基本知识与使用方法. 此外，由于仿真分析技术可以直观地展现制品的注射过程，其在课堂中的使用还有利于学生理解相对抽象的课程内容，激发学生对于课程的兴趣[2，3].

1 仿真分析技术在课程中的应用方式探索

目前，塑料成型企业最常用的注射成型仿真分析软件是美国的Moldflow 软件与中国台湾的Moldex3D 软件，此次课程建设以Moldex3D 软件为例[4，5]. 在进行注射成型章节讲授时，引入Modelx3D 软件的相关内容，教师利用仿真分析软件向学生展示真实的塑料制品的注射过程，并引导学生自己进行操作，设计塑件的成型过程. 这样可以使学生在深入理解注射工艺过程的同时，掌握仿真软件的基本操作方法. 具体的教学流程步骤如下：

第一步，在注射成型课程理论内容完成后，向学生介绍仿真分析相关内容及其应用.

第二步，向学生展示Moldex3D 仿真分析软件的操作界面.

第三步，向学生讲解如何利用仿真分析软件对一个真实的塑件进行一次完整的注射成型过程. 对于Moldex3D 仿真软件来说，具体的操作过程是：教师提前准备一个软件自带的或者已经利用CAD 绘制好的塑件模型（讲授时一般可以采用电脑主机风扇、鼠标外壳、手机壳等常见塑料制品模型），将模型汇入到软件中，这样学生可以清晰地在电脑屏幕上看到需要注射的塑件的外形. 模型汇入之后，在模型上绘制物料的流道系统（包括浇口、流道、进浇点等）和冷却系统（冷却水路、进出水口），并向学生们讲解流道系统与冷却系统的作用，以及设置流道系统和冷却系统需要遵循的原则. 同时讲授使用软件绘制流道系统和冷却系统的方法与技巧，使学生掌握软件操作. 然后利用仿真软件将绘制好的塑件模型、流道系统和冷却系统生成网格.Moldex3D 软件采用了先进的边界层网格技术，该技术是专门针对复杂几何模型量设计的，可以得到更加精确的分析结果. 在网格生成好之后，需要选择合适的注射机和合适的物料，设置合适的注射参数（温度、压力、时间等）. 所有相关参数设定好之后进行模拟注射成型. 成型过程完成后，向学生展示注射成型的结果.Moldex3D 软件在结果展示中提供了注射过程物料流动的3D 动画，学生可以清晰地看到注射成型过程中物料的流动过程及温度变化. 此外，还可以向学生展示仿真分析软件的一些分析功能（温度分析、厚度分析、翘曲分析、强度分析等）.

第四步，由学生操作，教师引导学生设计完成一个塑件的注射过程，并让学生利用软件进行分析. 使学生真正理解注射成型的过程，掌握软件的基本操作.

2 仿真分析技术融入课程带来的变化

通过将仿真分析的知识融入到课程当中，发现仿真分析技术给课堂教学带来很多的便利，同时也对学生学习提出了更高的要求.

2.1 使课程讲授更加直观，学生对注射成型过程认识更加深刻

塑料成型工艺课程是一门应用型的课程，课程内容一般非常贴近实际生产，因此课程内容具有比较大的抽象性，如果只是按照传统的教师讲课、学生听课的教学模式，学生很难理解课程的内容. 最好的办法是在进行传统理论知识讲授的同时，进行实践操作，通过理论和实践相结合的方式，使学生真正理解与掌握课程内容. 但是，大多数情况下由于教学条件的限制，学生很难去进行实际的操作过程，这就使得学生的兴趣很难被激发起来，也难以获得良好的教学效果. 利用仿真分析技术可以将整个注射过程通过软件模拟的方式直观地展现在学生面前. 使学生可以非常生动地看到塑件的形状和结构，看到注射模具中的浇口和流道，以及看到注射过程中物料的流动过程. 这样不仅可以提升学生的兴趣，还可以使学生更加容易理解注射成型过程.

2.2 使学生更加深入地理解生产中各参数对于制品的影响

在塑料成型过程中会涉及到很多工艺参数，例如温度参数、压力参数、时间参数等. 温度参数又包括料筒温度参数、喷嘴温度参数、模具温度参数、冷却水路的入水与出水温度等；压力参数包括注射压力参数和保压压力参数等；时间参数包括注射时间参数、保压时间参数和冷却时间参数. 这些参数都会影响塑料制品的最终质量. 而在上课时，这些参数对于塑料制品的影响一般只能通过讲述的方式告诉学生，让学生自己想象，这样学生很难理解这些参数到底是如何影响产品质量的，经常记不清楚哪些参数会影响哪些性能. 而利用仿真模拟技术可以在软件中对这些参数进行设置，通过改变不同参数，模拟注射成型过程. 这样就可以让学生们清晰地看到每个参数对于塑料制品特定性能的影响. 通过仿真模拟过程使学生真正理解和掌握注射成型过程中所涉及到的参数，及其对于制品成型的影响.

2.3 丰富了学生的知识范畴，提高了对学生的要求

将仿真分析的知识融入到课程中，学生不仅要学习塑料成型的基本知识，同时也要学习软件的使用和操作，这就要求学生了解电脑软件相关知识，熟悉电脑软件的操作手法和使用技巧. 仿真分析技术的引入不仅丰富了学生的知识面，更对学生提出了更高的要求. 当然，这也体现了高校教育与社会变化相适应的特点.

2.4 给学生就业提供了帮助，满足了企业的用人需求

目前，很多塑料成型企业开始应用仿真模拟技术，甚至有些企业专门开设仿真模拟部门. 这些企业主要利用仿真模拟技术在模具设计时提前预知风险，提高开模成功率；或者在注射过程中出现问题时，通过仿真分析找出产生问题的原因，进而对模具和注射过程进行改进. 因此，仿真分析技术正逐渐成为塑料成型领域人才必备的一项技能. 如果在讲授塑料成型工艺课程时，加入适量仿真分析技术相关的内容，使学生掌握目前主流仿真分析软件的常规使用方法，就可以真正做到让课堂上的知识与实际应用接轨. 这样当相关专业毕业生到塑料成型企业就业时，就会更加符合企业的用人要求，同时缩短企业对于新入职员工的培训时间，降低企业新人培训的成本.

3 结语

应用型课程在设置其内容时要与时俱进，要与实际应用相匹配，要能够满足当代企业的用人需求. 将仿真分析技术融入到塑料成型工艺课程中，不仅可以激发学生的学习兴趣，加深学生对于知识的理解和掌握，同时还可以使课堂的内容与企业实际需求相接轨，满足实际应用的需要. 目前，仿真分析技术在课堂中的应用尚处于起步阶段，希望越来越多的相关课程可以引入仿真分析的技术进行教学. 授课教师也需要不断提升自身的计算机水平，并且继续对仿真分析技术融入课堂建设的方式进行研究与探索，使教学效率与效果进一步得到有效的提高与改善.