注塑成型工艺过程及典型缺陷虚拟仿真实验建设

马世博 闫华军 代学蕊 王伟 刘玉忠

摘要：本实验采用虚拟仿真技术，结合生产实际案例，全面呈现了典型塑件的注塑成型工艺过程和主要工艺参数对塑件质量的影响规律。采用情景化教学方法，为学生提供一个虚拟的设计、加工与交互环境，涵盖注塑工艺设计、塑件注射成型和塑件缺陷成因分析与工艺改进等内容。在专业理论知识的基础上，将真实演示实验与虚拟仿真实验结合，引导学生独立思考，培养学生归纳、总结、分析问题的能力，达到提高学生工程实践和创新能力的目的。

关键词：虚拟仿真技术；注塑成型；情景化教学；工艺设计；创新能力

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0274-03

一、前言

机械工程、材料科学与工程等相关专业的《塑料成型工艺及模具设计》、《塑料成型工艺及设备》、《塑料成型模具》等课程中针对注塑成型工艺过程开设的相关实验直观性差[1]，无法直接观察注射成型工艺过程和设备工作过程；工程应用性差，难以体现实际生产中工艺对塑件质量的影响规律及机理[2，3]；且受限于实验性质，该类实验多为演示性[4]，学生难以直接参与整个实验过程，制约了学生综合能力的培养[5]。

为克服上述问题，本文结合生产实际案例，利用虚拟仿真技术[6，7]，以“能实不虚”、“以虚补实”为原则，使学生通过虚拟仿真实验直观认知典型塑件的注射成型工艺过程和设备工作过程，并通过交互操作、自主分析典型缺陷成因，优化工艺方案，达到提高学生工程实践和创新能力的目的[8]。

二、实验设计

（一）实验目的

实验以学生为中心，综合运用3D建模、交互式虚拟现实、Web网络和数据库技术，以真实场景的空间布局、仪器设备为蓝本，构建集生产环境、设备、工具等为一体的虚拟实验。通过人机交互，学生既可在虚拟仿真实验中体验真实实验相同的效果，又可观看真实实验条件下无法体现的内部过程和现象。结合生产实际案例，使学生掌握注塑成型工艺过程、设备结构和设备操作的同时，要求学生能够考虑环境和安全等因素，合理分析、评价专业工程实践问题。着重培养学生的自我学习能力，设置了学生自主分析设计环节，包括：塑件结构分析、工艺方案确定、塑件缺陷成因分析及改进。旨在调动学生的学习兴趣和积极性，培养学生解决复杂工程问题的能力，提升学生创新意识[9]。

（二）设计思路

本实验以温控器外壳件为例，该塑件是电热产品温度控制单元的外壳，材料为ABS，由上盖、下盖和按键组合安装构成，在配合处有尺寸精度要求。其外形尺寸为120mm×163mm×23mm，平均壁厚为2mm，重45g。实验设计思路为：

1.实验场景及人物。虚拟环境中分别构建“工艺设计室”和“生产加工车间”，并设置“工艺工程师”和“加工操作员”两个虚拟人物。其中工艺设计场景主要完成工艺卡设计和塑件质量检查，生产加工车间主要完成塑件注塑生产过程。学生在两个场景内分别担任工艺工程师和加工操作员的主体角色。

2.实验过程设计学生在进行虚拟实验前，需在教师的指导下系统了解真实实验，掌握实际实验场景、设备组成、实验步骤和设备操作，以达到感性认识和“能实不虚”的目的。学生进入虚拟实验环境后，需进一步加强安全防护知识学习和实验知识预习，根据教师安排的预习知识，预习有关理论知识和实验内容，做好虚拟实验准备。虚拟实验在此理论和安全知识学习的基础上进行。首先，在工艺设计室内，学生需根据提供的塑件，结合理论进行工艺方案设计，确定工艺参数；其次，根据确定的工艺方案，进行试生产加工；再次，分析试生产加工的塑件是否存在缺陷，设置了充填不足、飞边、银纹三种缺陷，并要求学生至少完成一种缺陷的认知和生产加工过程；最后，直至工艺方案合理，加工的塑件无缺陷，完成实验。

3.实验具体实施。具体实施过程如图1所示，通过登录网站，进入虚拟实验场景后开始实验：（1）真实实验，学生可通过现场实验和网站内观看真实实验视频两种方式，进行真实实验过程的学习和掌握；（2）虚拟实验。

实验场景1：工艺设计室—确定工艺方案。学生虚拟为工艺工程师，根据提供的塑件信息、三维模具和缺陷认知手册等，分析塑件的材料、结构和工艺要求，结合理论知识、工艺参考和模具结构，进行工艺参数设计和确定，并填写工艺卡。

实验场景2：生产车间—塑件生产加工。工艺卡确定后，进入生产车间进行塑件生产加工。学生虚拟为加工操作员，生产加工前，需进一步学习安全生产知识和认知注塑机结构。学习完成后，进入生产车间，按照安全检查、干燥原料、安装模具、参数输入、注塑加工和清理结束等环节进行塑件的生产加工。该场景中，学生通过模拟操作，按照生产规程完成各个过程，参数需按工艺卡正确输入，并在加工过程中可通过动画了解注塑真实实验无法观测的储料和注塑充填过程。

实验场景3：工艺设计室—塑件缺陷分析及改进。塑件试生产后，在工艺设计室进行塑件质量检查，学生根据设计的工艺方案，查看塑件的質量，理论结合有限元分析视频分析缺陷产生的原因，以情境对话形式与指导教师进行交流、回答问题，正确后方可进行下一步。学生正确回答缺陷产生原因和主导因素后，重新进行工艺参数设计、修改和生产加工，直至塑件生产合格。

三、考核要求

实验完成后，学生需根据实验情况，完成自测题和实验报告等考核环节。实验以自动判断的方式对学生塑件加工操作过程的正确性进行判断，并进行相应的提示，对学生的操作过程进行记录，并以文字描述的形式提供给学生和教师查看，教师依据过程记录、自测题和实验报告对学生进行综合评价。

三、实验特点

在真实实验的基础上，虚拟实验还原了整个生产环境及过程，采用远程访问，内容引导，自主完成教学方法。学生借助网络进入虚拟实验，虚拟环境中，辅以文字、图片、动画、交互式界面等手段，使学生充分体验整个实验过程。在系统引导下，学生通过交互操作，按生产流程独立实施实验。学生可多次重复实验，直至完全掌握整个实验填写实验报告、完成自测题等考核环节。虚拟实验中，学生通过理论学习、虚拟操作、知识引导、分析设计、问题情景等方法，自主完成注塑原理与工艺（理论认知学习）、注塑机使用操作（技能操作学习）、塑件缺陷成因分析（综合应用学习）等实验过程。

理论学习：学生利用虚拟实验提供的理论知识学习板块，通过图片、视频形式，完成注塑原理、注射机结构与操作、注射成型过程、缺陷形成机理等实验内容的自主学习。此过程既可作为实验前的预习环节，也可作为实验后进行理论知识的深化巩固。

虚拟操作：学生通过模拟操作，按照生产规程完成工艺设计、注塑生产前准备、开机、装模、参数设置、注塑成型、开模出件、结束清理等过程。使学生在虚拟操作的过程中，将认知与实践相结合，系统地掌握实际生产过程中的工艺规程和规范操作。

知识引导：虚拟实验过程中依据教学和实验的要求，分别设有情景人物对话、知识提示、观察视角引导、部件高亮提示、虚拟动画等指引方法。其中情景对话和知识提示对基础的实验知识进行了拓展与扩充，便于学生更好地进行理论和实践的融会贯通；视角引导、高亮提示等引导手段，降低了实验的操作难度，保证学生将更多的注意力集中于对注塑工艺过程的学习。

分析设计：学生自行完成工艺分析和方案设计，通过生产加工验证其方案可行性，可多次实施不同工艺方案并分析不同参数下的缺陷形式，掌握重要工艺参数对塑件质量的影响规律。此外，学生可借助系统提供的不同工艺参数下塑件注射过程的有限元分析视频，深入分析缺陷成因，理解缺陷形成机理，明晰参数影响规律，改进工艺方案。

问题情境：系统在关键工艺过程创设了问题情境分析及模拟对话，设置了多样化的交互问题，包括情境判断、专业知识测试、错误操作警示等形式，使学生能充分理解所学知识在实践中的体现和应用，激发学生的好奇心和求知欲。

四、结论

本实验将专业理论知识和生产实际有机融入虚拟情境中，具有丰富的融入感和带入感，通过工艺方案设计、有限元分析结果和问题情景对话等，学生“真实”体验并主动参与工艺设计、设备操作、注塑加工和缺陷分析的整个生产过程，充分发挥学生的主体地位，有效激发了学生的学习兴趣和专注度，切实提高了学生的分析能力、设计能力和实践能力。

本实验向全校和相关企业开放，自2017年5月开放以来，为本校相關专业本科、研究生专业学习及企业人员岗前培训、技能提升提供了服务，使用人数达800人次/年，得到了广泛的认可。实验可在任何地点、任何时间灵活地开展，打破了传统实验在时间和空间上的限制，弥补了传统实践教学的不足。且显著降低了实验成本，每年节省实践经费约10万元。将专业基础课、专业课等课程的相关知识有机地结合在一起，帮助学生在实践中认知理论，使学生对专业知识体系和工程应用有系统的认识。

参考文献：

[1]厚国旺，陈清奎，高博，等.《塑料成型与模具设计》虚拟仿真教学系统开发[J].模具工业，2018，（44），9：74-77.

[2]夏建生，周海，窦沙沙，等.注塑模智能制造虚拟仿真实验研究[J].科技教育，2018，（05）：170-171.

[3]吕东莉，张涛.虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用[J].教育教学论坛，2015，（11）：226-227.

[4]李江，卢艳丽，王永欣.虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2017，（27）：267-268.

[5]李阳，帅昌辉.刘英，等.多型号注塑机虚拟仿真系统的实现[J].实验科学与技术，2015，（5）：177-178.

[6]蓝东，董春法，王向杰，等.基于Moldflow的相机外壳注射工艺虚拟仿真[J].湖北理工学院学报，2016，（32），5：44-46.

[7]杜彦敏.基于虚拟仿真技术的实验教学中心建设研究[J].教育教学论坛，2018，（15）：273-274.

[8]吕东莉，张涛.以虚拟仿真实验平台为基础的“材料成形CAD/CAE/CAM”课程教学改革[J].教育教学论坛，2017，（8）：263-264.

[9]王培丞.虚拟仿真实验教学中心建设的拓展与创新[J].教育教学论坛，2018，（25）：265-266.