注塑成型工藝過程及典型缺陷虛擬仿真實驗建設

馬世博 閆華軍 代學蕊 王偉 劉玉忠

摘要：本實驗采用虛擬仿真技術，結合生產實際案例，全面呈現了典型塑件的注塑成型工藝過程和主要工藝參數對塑件質量的影響規律。采用情景化教學方法，為學生提供一個虛擬的設計、加工與交互環境，涵蓋注塑工藝設計、塑件注射成型和塑件缺陷成因分析與工藝改進等內容。在專業理論知識的基礎上，將真實演示實驗與虛擬仿真實驗結合，引導學生獨立思考，培養學生歸納、總結、分析問題的能力，達到提高學生工程實踐和創新能力的目的。

關鍵詞：虛擬仿真技術；注塑成型；情景化教學；工藝設計；創新能力

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0274-03

一、前言

機械工程、材料科學與工程等相關專業的《塑料成型工藝及模具設計》、《塑料成型工藝及設備》、《塑料成型模具》等課程中針對注塑成型工藝過程開設的相關實驗直觀性差[1]，無法直接觀察注射成型工藝過程和設備工作過程；工程應用性差，難以體現實際生產中工藝對塑件質量的影響規律及機理[2，3]；且受限于實驗性質，該類實驗多為演示性[4]，學生難以直接參與整個實驗過程，制約了學生綜合能力的培養[5]。

為克服上述問題，本文結合生產實際案例，利用虛擬仿真技術[6，7]，以“能實不虛”、“以虛補實”為原則，使學生通過虛擬仿真實驗直觀認知典型塑件的注射成型工藝過程和設備工作過程，并通過交互操作、自主分析典型缺陷成因，優化工藝方案，達到提高學生工程實踐和創新能力的目的[8]。

二、實驗設計

（一）實驗目的

實驗以學生為中心，綜合運用3D建模、交互式虛擬現實、Web網絡和數據庫技術，以真實場景的空間布局、儀器設備為藍本，構建集生產環境、設備、工具等為一體的虛擬實驗。通過人機交互，學生既可在虛擬仿真實驗中體驗真實實驗相同的效果，又可觀看真實實驗條件下無法體現的內部過程和現象。結合生產實際案例，使學生掌握注塑成型工藝過程、設備結構和設備操作的同時，要求學生能夠考慮環境和安全等因素，合理分析、評價專業工程實踐問題。著重培養學生的自我學習能力，設置了學生自主分析設計環節，包括：塑件結構分析、工藝方案確定、塑件缺陷成因分析及改進。旨在調動學生的學習興趣和積極性，培養學生解決復雜工程問題的能力，提升學生創新意識[9]。

（二）設計思路

本實驗以溫控器外殼件為例，該塑件是電熱產品溫度控制單元的外殼，材料為ABS，由上蓋、下蓋和按鍵組合安裝構成，在配合處有尺寸精度要求。其外形尺寸為120mm×163mm×23mm，平均壁厚為2mm，重45g。實驗設計思路為：

1.實驗場景及人物。虛擬環境中分別構建“工藝設計室”和“生產加工車間”，并設置“工藝工程師”和“加工操作員”兩個虛擬人物。其中工藝設計場景主要完成工藝卡設計和塑件質量檢查，生產加工車間主要完成塑件注塑生產過程。學生在兩個場景內分別擔任工藝工程師和加工操作員的主體角色。

2.實驗過程設計學生在進行虛擬實驗前，需在教師的指導下系統了解真實實驗，掌握實際實驗場景、設備組成、實驗步驟和設備操作，以達到感性認識和“能實不虛”的目的。學生進入虛擬實驗環境后，需進一步加強安全防護知識學習和實驗知識預習，根據教師安排的預習知識，預習有關理論知識和實驗內容，做好虛擬實驗準備。虛擬實驗在此理論和安全知識學習的基礎上進行。首先，在工藝設計室內，學生需根據提供的塑件，結合理論進行工藝方案設計，確定工藝參數；其次，根據確定的工藝方案，進行試生產加工；再次，分析試生產加工的塑件是否存在缺陷，設置了充填不足、飛邊、銀紋三種缺陷，并要求學生至少完成一種缺陷的認知和生產加工過程；最后，直至工藝方案合理，加工的塑件無缺陷，完成實驗。

3.實驗具體實施。具體實施過程如圖1所示，通過登錄網站，進入虛擬實驗場景后開始實驗：（1）真實實驗，學生可通過現場實驗和網站內觀看真實實驗視頻兩種方式，進行真實實驗過程的學習和掌握；（2）虛擬實驗。

實驗場景1：工藝設計室—確定工藝方案。學生虛擬為工藝工程師，根據提供的塑件信息、三維模具和缺陷認知手冊等，分析塑件的材料、結構和工藝要求，結合理論知識、工藝參考和模具結構，進行工藝參數設計和確定，并填寫工藝卡。

實驗場景2：生產車間—塑件生產加工。工藝卡確定后，進入生產車間進行塑件生產加工。學生虛擬為加工操作員，生產加工前，需進一步學習安全生產知識和認知注塑機結構。學習完成后，進入生產車間，按照安全檢查、干燥原料、安裝模具、參數輸入、注塑加工和清理結束等環節進行塑件的生產加工。該場景中，學生通過模擬操作，按照生產規程完成各個過程，參數需按工藝卡正確輸入，并在加工過程中可通過動畫了解注塑真實實驗無法觀測的儲料和注塑充填過程。

實驗場景3：工藝設計室—塑件缺陷分析及改進。塑件試生產后，在工藝設計室進行塑件質量檢查，學生根據設計的工藝方案，查看塑件的質量，理論結合有限元分析視頻分析缺陷產生的原因，以情境對話形式與指導教師進行交流、回答問題，正確后方可進行下一步。學生正確回答缺陷產生原因和主導因素后，重新進行工藝參數設計、修改和生產加工，直至塑件生產合格。

三、考核要求

實驗完成后，學生需根據實驗情況，完成自測題和實驗報告等考核環節。實驗以自動判斷的方式對學生塑件加工操作過程的正確性進行判斷，并進行相應的提示，對學生的操作過程進行記錄，并以文字描述的形式提供給學生和教師查看，教師依據過程記錄、自測題和實驗報告對學生進行綜合評價。

三、實驗特點

在真實實驗的基礎上，虛擬實驗還原了整個生產環境及過程，采用遠程訪問，內容引導，自主完成教學方法。學生借助網絡進入虛擬實驗，虛擬環境中，輔以文字、圖片、動畫、交互式界面等手段，使學生充分體驗整個實驗過程。在系統引導下，學生通過交互操作，按生產流程獨立實施實驗。學生可多次重復實驗，直至完全掌握整個實驗填寫實驗報告、完成自測題等考核環節。虛擬實驗中，學生通過理論學習、虛擬操作、知識引導、分析設計、問題情景等方法，自主完成注塑原理與工藝（理論認知學習）、注塑機使用操作（技能操作學習）、塑件缺陷成因分析（綜合應用學習）等實驗過程。

理論學習：學生利用虛擬實驗提供的理論知識學習板塊，通過圖片、視頻形式，完成注塑原理、注射機結構與操作、注射成型過程、缺陷形成機理等實驗內容的自主學習。此過程既可作為實驗前的預習環節，也可作為實驗后進行理論知識的深化鞏固。

虛擬操作：學生通過模擬操作，按照生產規程完成工藝設計、注塑生產前準備、開機、裝模、參數設置、注塑成型、開模出件、結束清理等過程。使學生在虛擬操作的過程中，將認知與實踐相結合，系統地掌握實際生產過程中的工藝規程和規范操作。

知識引導：虛擬實驗過程中依據教學和實驗的要求，分別設有情景人物對話、知識提示、觀察視角引導、部件高亮提示、虛擬動畫等指引方法。其中情景對話和知識提示對基礎的實驗知識進行了拓展與擴充，便于學生更好地進行理論和實踐的融會貫通；視角引導、高亮提示等引導手段，降低了實驗的操作難度，保證學生將更多的注意力集中于對注塑工藝過程的學習。

分析設計：學生自行完成工藝分析和方案設計，通過生產加工驗證其方案可行性，可多次實施不同工藝方案并分析不同參數下的缺陷形式，掌握重要工藝參數對塑件質量的影響規律。此外，學生可借助系統提供的不同工藝參數下塑件注射過程的有限元分析視頻，深入分析缺陷成因，理解缺陷形成機理，明晰參數影響規律，改進工藝方案。

問題情境：系統在關鍵工藝過程創設了問題情境分析及模擬對話，設置了多樣化的交互問題，包括情境判斷、專業知識測試、錯誤操作警示等形式，使學生能充分理解所學知識在實踐中的體現和應用，激發學生的好奇心和求知欲。

四、結論

本實驗將專業理論知識和生產實際有機融入虛擬情境中，具有豐富的融入感和帶入感，通過工藝方案設計、有限元分析結果和問題情景對話等，學生“真實”體驗并主動參與工藝設計、設備操作、注塑加工和缺陷分析的整個生產過程，充分發揮學生的主體地位，有效激發了學生的學習興趣和專注度，切實提高了學生的分析能力、設計能力和實踐能力。

本實驗向全校和相關企業開放，自2017年5月開放以來，為本校相關專業本科、研究生專業學習及企業人員崗前培訓、技能提升提供了服務，使用人數達800人次/年，得到了廣泛的認可。實驗可在任何地點、任何時間靈活地開展，打破了傳統實驗在時間和空間上的限制，彌補了傳統實踐教學的不足。且顯著降低了實驗成本，每年節省實踐經費約10萬元。將專業基礎課、專業課等課程的相關知識有機地結合在一起，幫助學生在實踐中認知理論，使學生對專業知識體系和工程應用有系統的認識。

參考文獻：

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