摘要：本文概述了注塑成型可视化模具设计的影响因素。并详细论述了注塑成型可视化的发展历程及最新研究进展。最后对注塑成型可视化技术的发展前景进行了预测。优化可视化模具，加强与CAE技术的结合，扩展应用范围等成为未来研究者的主要任务。
关键词：注塑成型；可视化；模具设计；研究现状
随着市场需求的多样化，对塑料制品表面质量的要求也越来越高。因此，采用各种方法试图准确找出塑料加工过程中缺陷产生的原因成为当前注塑行业研究的重点之一。而注塑成型可视化技术能够如实反映具体过程，使注塑过程由“暗箱操作”变为“阳光工程”，对于找出塑件缺陷原因，减少模具设计的盲目性具有重要的作用。
1 注塑成型可视化模具的设计
注塑成型可视化技术实质上就是将可实时监测或可全程再现型腔内熔体流动规律的系统加入到常规注射成型设备中，从而实现对注塑成型过程的“可视化”和“可重复化”。在注塑成型可视化技术的部件中，注塑成型可视化模具占核心地位。根据可视化工作原理图，设计出一套切实可行的可视化模具是注塑成型可视化的关键。根据以往的可视化实验模具的设计经验可知，在设计和制造可视化实验装置的过程中，需要综合考虑的因素很多。其中最主要的因素是可视化窗口的材料和结构的选择。同时，由于可视化窗口主要是由透明玻璃构成，因此，玻璃的正确选择是注塑成型可视化实验成败的重要因素。具体来讲，主要表现在以下三个方面：
1）玻璃强度问题。普通注塑机的注射压力通常是150MPa，较大的压力使充模过程中玻璃受力不均匀；同时，由于玻璃的刚性大、抗冲击能力弱，当成型过程中型腔内塑料熔体压力急剧增大时，易导致玻璃破碎。
2）玻璃加工问题。玻璃的加工难度比金属大得多，设备对于玻璃的加工精度要求很高；同时，如果玻璃的形状复杂，加工难度将大幅度上升。因此，在设计可视化模具时应尽量避免使用形状复杂的玻璃。
3）影像的采集问题。为了实现充模成型过程中的可视化，需要进行较复杂的光路设计，通常是在改造普通注塑模具的基础上进行，实现起来比较困难。最常用的影像采集方式有两种，即光透射和光反射。除此之外，可视化模具设计中还需考虑耐高温、模具的正常开合模、熔体温度场和流场的平衡、各结构之间的装配等问题。
2 注塑成型可视化技术的研究进展
2.1 注塑可视化技术的发展历程
1951年可视化技术开始应用于注塑成型，Gilmore和Spencer提出了“透明模具”。当时，由于技术的不成熟，该可视化模具在实际应用中的效果并不十分理想。随着注塑行业的发展，注塑可视化技术的研发与应用也越来越广。
国外在注塑成型可视化技术的研究工作中已经取得了一些比较成功的经验。其中成果比较突出的有日本、美国、土耳其等。日本东京大学的横井秀俊等于1989年开始从事动态可视化模具的研究，并成功研制了半导体封固成型可视化模具、直流道可视化模具等，这些研究成果有力地推动了日本现代制造业的发展。东京工业大学的佐藤薰等最早将可视化技术应用于注射成型流痕缺陷的研究中。通过流动可视化数据揭示了流痕的产生与工艺参数、模具等的关系，发现当紧邻接触线后方的正在固化的区域受热不均匀时，塑件就会热收缩，从而引起波纹状流动痕迹。美国俄亥俄州立大学的Koelling等将可视化技术应用于气体辅助注射过程中，利用可视化模具观察气辅注射成型中流体的的流动状况，研究了气泡前端的流体动力学。土耳其Gazi大学的Ozdemir等将可视化模具与CAE模拟软件结合起来，研究了热塑性材料高密度聚乙烯和聚丙烯的注射充填流动情况。并设计了一套自动记录可视化图像的软件。
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2.2 我国注塑可视化技术的研究现状
从上述注塑成型可视化技术发展历程可以看出，我国在此方面的研究处于起步阶段，与工业发达国家相比还存在一定差距。当前，随着注塑行业的发展，国内研究者和塑料加工企业参与注塑成型可视化技术研究的积极性越来越高。
田净娜、姜开宇等在分析薄壁注塑成型原理的基础上，将可视化技术应用于薄壁注塑成型。以一模两腔模具和单型腔模具的注射成型过程为研究对象，对比分析了两种不同模具注射成型中制件厚度对熔体充填平衡性的影响，并自行设计出两种不同厚度的单型腔镶块及传感器镶块，对于改进单型腔模具的可视化实验具有重要的意义。谢鹏程研制了一套用于精密注塑成型可视化研究的装置。利用该可视化装置以及CAE模拟技术，从熔体流动行为和温度参数分布两个方面研究了不平衡充填现象的产生机理和原因。最后提出了一种基于超磁致伸缩材料的超高速注射成型新方法。李维等针对注塑制品的熔接痕这一常见缺陷，借助注射成型充模过程可视化实验装置，设计了三种型腔结构，用于研究在形成冷接痕过程中熔体的流动行为，并得出可以通过改变注射压力、加工温度、注射速度等工艺条件消除冷接痕。刘旭辉等以聚苯乙烯为原料，构建一套水辅助注射成型的可视化装置，并利用自主研发的注水系统，研究了成型过程中水穿透熔体的机理。结果表明，熔体的温度和黏度是影响水穿透熔体行为的关键因素。姜开宇等将可视化技术应用于一模一腔矩形塑件的注塑成型过程，通过对不同纤维含量热塑性复合材料不同型腔厚度的充填过程的观测，得出尺寸及原料的性能对薄壁塑件熔体的充填行为的影响较大。随着壁厚的减薄，高速注射时熔体的充填速度会下降，低速注射时熔体充填型腔的速度在后期有突然增大的现象。
3 总结与展望
可视化技术使注塑成型过程一目了然，未来研究重点主要集中在以下三个方面：
3.1 促进可视化模具优化与创新
由于塑料制品的几何形状一般比较复杂，导致模具的设计制造比较困难。注塑成型可视化技术的关键取决于可视化模具的改进和性能的提高。塑料注射成型是一个相当复杂的过程，此过程中要受到多种因素的影响。为了保证成型高质量的塑件，需要利用可视化技术观察整个成型过程，收集相关信息。同时，通过可视化技术收集到的信息又可以作为优化模具设计的重要依据。
3.2 加强与CAE模拟技术有机结合
注塑成型CAE技术是利用聚合物加工流变学、计算力学和计算机图形学等基本理论，对注塑成型过程进行数值模拟，从而可以提前预测成型条件对产品的影响，减小制品缺陷。但是，由于利用CAE技术对于物理、热学等性质的简化使得相关研究与实际结果存在一定的出入，很难完全一致地模拟注塑成型过程，需要结合其他手段。实际应用中，根据目的不同，可视化技术可分为两大类，一类是以验证CAE模拟结果为目的，另一类是以再现未知成型现象为目的。伴随着控制技术、计算机技术的逐步成熟，加强可视化技术与CAE模拟技术的结合将成为注射成型过程研究的一种重要手段。
4 结束语
随着注塑行业的发展，新的注塑成型技术层出不穷，目前应用较广泛的有气体辅助注塑成型、双色注塑成型、微孔注塑成型、水辅注塑成型等。未来注塑成型技术发展的主流是各种技术的相互借鉴或揉合。作为研究高分子材料加工成型过程的重要手段，可视化技术在未来的发展中，必须加强与先进注塑成型工艺的结合，从而使其从一项实用技术变为一门应用科学。
参考文献：
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［2］严志云，谢鹏程，丁玉梅，等．基于可视化技术对注射成型喷射现象的研究［J］．塑料，2010，39（3）：103－106．
［3］李维．注射成型过程可视化研究及缺陷分析［D］．北京：北京化工大学，2008：5－6．
论文作者:欧维兴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：注塑论文; 技术论文; 模具论文; 过程论文; 玻璃论文; 缺陷论文; 应用于论文; 《电力设备》2018年第23期论文;