計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在塑料成型加工工藝中的應(yīng)用

李想 遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、塑料成型加工工藝及塑料成型計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

（一）塑料成型加工。塑料成型加工指的是借助一定的設(shè)備將聚合物原料轉(zhuǎn)變成一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性價(jià)比高的產(chǎn)品的階段。在這里要注意的是對于樹脂原料來說在成型中對時(shí)間的要求非常嚴(yán)格，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成固體輸送、熔融等，這樣才能使塑料成型得以有效化。

（二）計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。在塑料成型加工中應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)構(gòu)建塑料成型過程的物理與數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建最佳的數(shù)值計(jì)算方法，最終實(shí)現(xiàn)成型過程中的動(dòng)態(tài)仿真分析。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在塑料成型加工中的有效應(yīng)用具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：一是擴(kuò)寬了人們的眼界，使人們在對塑料成型過程的認(rèn)識從宏觀層面轉(zhuǎn)化為微觀層面；二是不斷改進(jìn)與優(yōu)化模具設(shè)計(jì)的類型；三是為研究人員提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

二、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在塑料成型加工工藝中的應(yīng)用

（一）計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在注射成型過程中的有效應(yīng)用。在熱塑性塑料成型的眾多方法中注射成型是其中最為有效的一種方式。塑料經(jīng)過料筒內(nèi)的高溫加熱融化后在一定的壓力作用下塑化的高溫塑料熔體會(huì)經(jīng)注射裝置的噴嘴部位經(jīng)主流道等部位最終流入模具的腔內(nèi)，從而塑化形成人們所需要的塑料模型。在注射成型階段中，施工人員應(yīng)注意因?yàn)榱鞯琅c型腔之間的厚度存在一定的差異性，而且流道的方向主要采取的是平行方式，因此在注射成型中我們選擇Hele-Shaw流動(dòng)法進(jìn)行預(yù)估處理。一般情況下，在進(jìn)行壓力場以及溫度場等的計(jì)算時(shí)，主要選取的是有限元/有限差分算法藕合求解動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。在進(jìn)行熔體流動(dòng)控制中主要選擇的方式是控制體積法。而在識別熔接線以及氣穴的具體方位中則采取的是人工智能技術(shù)。

在進(jìn)行塑料成型加工中經(jīng)常會(huì)碰到這樣一種現(xiàn)象，剪切或者拉伸異常情況，造成上述現(xiàn)象的主要是熔體前沿的噴泉效應(yīng)所導(dǎo)致的。在實(shí)際計(jì)算中我們主要是通過從塑性材料的某一點(diǎn)流入與流出的質(zhì)量守恒方程進(jìn)行系統(tǒng)、全面的描述前沿區(qū)的噴泉效應(yīng)。在注射成型階段，充填階段占到極其小的一部分，其中大部分時(shí)間都花費(fèi)在了保壓過程中，操作人員必須將多余的熔體全部注入模具中從而避免模具發(fā)生收縮等現(xiàn)象。在保壓過程中單純的流體流動(dòng)現(xiàn)象是不存在的，大都是因?yàn)槊芏戎g的異同而導(dǎo)致的內(nèi)部熔體流動(dòng)。所以，操作人員應(yīng)做好熔體PVT行為的定性分析工作。在做好上述工作的同時(shí)，冷卻的整個(gè)環(huán)節(jié)也是我們不容忽視的一項(xiàng)內(nèi)容，更是當(dāng)前科研人員所關(guān)注的焦點(diǎn)話題。在研究中操作人員已發(fā)現(xiàn)C-MOLD.MOLDFLOW和Z-MOLD等軟件關(guān)于冷卻中所面臨的一些問題都有獨(dú)特的計(jì)算方式，而且這些計(jì)算模式恰恰與所研究的問題相吻合，但美中不足的是對于一些具體的細(xì)節(jié)則在計(jì)算中仍存在不盡如人意的地方，比如塑性材料的彈性大小以及分子取向等很難用一精確的數(shù)學(xué)公式將其表述出來，不管是采用哪種方式都對收縮性有或多或少的影響。所以，作為科研人員在平常的工作中應(yīng)大膽探索，不斷改進(jìn)與創(chuàng)新現(xiàn)有的方法，最大限度的提高計(jì)算機(jī)模擬軟件使用的有效性。

（二）計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在氣體輔助注射成型中的應(yīng)用。氣體輔助注射成型是一種新型的注射成型技術(shù)，它是在原有的注射成型基礎(chǔ)上進(jìn)行深層次的改進(jìn)與創(chuàng)新最終產(chǎn)生的。氣體輔助注射成型工藝主要分為三個(gè)過程：一是充模過程，該過程的工藝流程是首先將熔體注入型腔內(nèi)，直到型腔內(nèi)的熔體數(shù)量達(dá)到多半時(shí)為宜；二是將受壓氣體注入到型腔內(nèi)，在這里要注意的是注入時(shí)要及時(shí)且迅速，若時(shí)間過長的話會(huì)影響注入的實(shí)際效果。氣體在預(yù)先注入的熔體中可形成中空并進(jìn)一步推動(dòng)熔體持續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)直至型腔內(nèi)充滿為止；三是保壓過程，該過程主要是持續(xù)不斷的向型腔內(nèi)注入高壓氣體，從而避免出現(xiàn)熔體冷卻導(dǎo)致型腔出現(xiàn)異常收縮現(xiàn)象。待型腔內(nèi)熔體全部冷卻完成后即可將多余的氣體排出。

氣體輔助注射成型技術(shù)與一般注射成型技術(shù)相比較而言，其具有明顯的優(yōu)勢，它一方面對注射壓力的要求較低，另一方面也能提高成品的使用效率，優(yōu)化制件結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行氣體輔助注射成型的熔體充填過程中，氣體一旦進(jìn)行型腔內(nèi)，會(huì)受到動(dòng)力學(xué)等作用的影響，使得成型過程較之前變得更為復(fù)雜，在控制方程的選擇是非等溫下非牛頓流體的廣義Hele -Shaw流動(dòng)的控制方程更為適用，當(dāng)該方程在氣體界面處的注入速度較低。我們可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)單相純物質(zhì)與熔體之間沒有任何關(guān)聯(lián)，氣體區(qū)域之間的壓力表現(xiàn)也是相類似的。在進(jìn)行熔體流動(dòng)方程的計(jì)算中只需在氣熔界面上施加一定的氣體壓力即可。在實(shí)際計(jì)算中研究人員主要選取的是混合有限元/有限差分法求解壓力場和溫度場，采用控制體積法及時(shí)追蹤熔體流動(dòng)前沿。

三、結(jié)語

縱觀塑料成型加工領(lǐng)域的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是其中發(fā)展最為迅速的一項(xiàng)內(nèi)容。它能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員節(jié)省時(shí)間與精力，降低了設(shè)計(jì)中的盲目性，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)に噮?shù)做好準(zhǔn)確的預(yù)估處理。設(shè)計(jì)人員通過對計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷強(qiáng)化，可避免因?yàn)樽陨砉ぷ鹘?jīng)驗(yàn)不足以及在工作中失誤所引發(fā)的不良后果，大大提高了工作效率。雖然在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)仍存在一些不盡如人意的地方，但隨著設(shè)計(jì)人員的深入研究，該技術(shù)將會(huì)在未來的塑料成型加工行業(yè)中不斷發(fā)展完善。