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在广东省机械模具科技促进协会举办的2023国际先进制造业（中国广东）高峰会上的报告 报告人:倪江良（致修） 尊敬的各位老师，各位企业家，各位朋友，大家下午好！ 黄会长在刚刚的致辞中提到制造业正面临前所未有的困难。这正是我们模塑行业所面临的。这种困难的原因是多方面的，大家比我更清楚，不在此细谈。今天我报告的主题是模具设计所面临的技术挑战。这个挑战主要来自三个方面 一，客户对产品质量的要求越来越高，尤其是外观。苹果产品对产品外观的极致追求引领了消费潮流，获得巨大商业成功，引来各巨头纷纷效仿。风气已开，趋势已成，各终端客户纷纷在质量，尤其是外观质量上对标苹果。 二，制造成本的压力。人工成本上涨迫使企业想尽一切办法少人化，模具技术因此面临两个方面的挑战，一方面产品不再允许人工剪水口，去毛刺，对模具要求更高；其次，要求模具要更高的稳定性；再次，要求产品更高尺寸精度和更好的变形，以方便自动组装。 三，环保的压力。出于环保的考虑一些塑件后加工，如喷涂，电镀，等被取消，塑胶制品需要素材出货，因而对外观要求更高；其次，一些工艺兼容性很好，但对环境和人身有伤害的塑胶材料添加剂被禁用，如卤素阻燃剂，替代成无卤阻燃剂，给注塑成型带来巨大挑战。 设计决定质量，设计决定成本，设计决定效率，这一观念在业界早就深入人心！ 然而对这一观念的理解却有很大不同。 许多人对设计的重要性认识不足，也对设计的理解不够。一些企业老板重硬件，轻软件，这就是对设计的重要性认识不足的表现。 设计分为两大方面，工艺美术设计和工程设计。产品设计中的ID（外观）设计属于工艺美术设计，而产品零部件分拆，细节结构组成，以及实现方法（包括制造工艺）的确定，都属于工程设计。 模具设计属于工程设计。 工程设计的定义： Engineering design has been defined as “… the process of applying the various techniques and scientific techniques for the purpose of defining a device, a process or a system in sufficient detail to permit its realization…. Design may be simple or enormously complex, easy or difficult, mathematical or nonmathematical; it may involve a trivial problem or one of great importance.” 工程设计已经被定义为：“…应用各种技术和科学方法的一个过程，目的是清晰地定义一个装置，一个过程或者系统，以达到实现的目的…。设计可以是简单的或极度复杂的，容易或困难，数学的或非数学的；可以是为了解决一个微不足道的问题，也可以是为了解决一个非常重要的问题。” 《Design of Machinery》中文名《机械原理》，作者：Robert L Norton，机械工业出版社，P7 工程设计是在前期对后续实现过程的提前设定，包括对后期可能出现的各种问题的预判，提前采取应对措施或计划；从这点来说，设计的本质是预测。 任何时候预测的准确性取决于我们对事物的了解程度。工程设计的成功率，取决于设计者对需要解决的问题的了解程度。那么模具设计的成功率，就取决于设计者对模具的使用条件，注塑成型工艺过程的了解程度。 模具设计如何决定产品质量？ 任何一个产品在其几何形状和品质标准确定后，就隐含了达到这个标准所需的条件，包括材料条件，模具条件（包括产品几何形状），和工艺条件，不论前期我们是否认识到这一点。如果前期预测准确，那么就能够依据行业的技术水平，在预算的范围内合理地定义产品品质标准，这就是成功的设计。如果预测不准，定义的品质标准不合理，那么在后续阶段会遭遇各种预料之外的问题，最终的结果是：双方妥协，修改品质标准，或者特采接受，或者项目失败，这就是失败的设计。在经历许多失败设计之后，总结经验，增加了预测的准确性，然后有了成功的设计。 模具设计蕴含产品设计。注塑模具本质上是一个封闭的型腔，具备成型的功能，热传的功能，和机械的功能。 成型的功能包括：一，塑胶流动通道；二，赋予产品几何形状，外观。要实现这两个目的，首先要满足流动的需求。塑胶熔体是非牛顿流体，它的黏度随剪切速率增加而下降；模具型腔的几何形状（产品结构）结合模具浇注系统的不同设计，流动结果会有很大不同。不同的流动结果必然导致产品不同的外观和尺寸结果。要设计好模具的成型功能，首先必须对产品品质标准所需的条件有一个清晰的预判，而做到这点又必须先知道塑胶熔体的流动规律，以及在不同的浇注系统设计和不同的模具型腔中塑胶的流动状况。 其次要满足精度要求，因为想要获得设计的产品尺寸精度，模具型腔必须要足够的精度。 再次要清楚塑胶熔体流动所需的驱动力。压力驱动塑胶熔体流动，模具必须要能够抵抗注塑压力作用不会出现超出预期的变形。这是设计好模具机械功能的前提。 模具的热传功能 塑胶的受热经历对材料最终性能（产品性能）有很大的影响。受热经历决定了材料的收缩率和收缩均匀程度，最终决定了产品的尺寸和翘曲，以及外观应力缺陷；受热经历决定了材料的机械性能，最终决定力产品最终的机械性能。 注塑过程中的热平衡状态决定了注塑过程中材料的受热经历。热平衡状态指的是在一个注塑周期中，输入模具的热量和输出的热量相等，一旦这个平衡状态被打破，产品的热经历就不同，从而最终性能出现差异。 只有深刻理解模具的受热经历及其对产品品质的影响，才能设计好模具的热传功能。 模具的机械功能 模具是大量生产的工具。产品要从模具中顺利取出，模具型腔要能打开，还要顶出产品，因此模具要具备机械运动的功能来实现这一目的。产品结构多样化，复杂化，因而模具的机械动作也相当多样和复杂。 机械动作的稳定性取决于有效的约束。没有约束的运动是不可控的。约束的有效性取决于机构的设计和配合的精度，以及在受力作用下机构刚度的保持能力。产品的外观和尺寸要求决定了约束的严格程度。而这些需要在前期做出准确的预测。不然设计就会失败。 机械运动必然导致磨损，这是不可避免的。设计者必须从选材，机构设计，加工精度，表面处理，润滑多方面考虑如何延缓磨损，确保模具的机械功能正常。 不同的产品，及其品质要求，对上述的模具的三个方面功能有不同的要求，也就是说，实现产品品质所需的模具条件不同。例如，普通的日用品，如塑胶桶，盆等，由于外观和尺寸要求都不高，所用的PP料流动性也非常好，那么对模具的流变，热传，和机械刚度等要求就不会太高；而一些消费电子产品，如手机，充电器，耳机等产品，由于其几乎零瑕疵的外观和严格的尺寸要求，需要极高的模具条件和工艺条件才能满足品质要求，因此对模具无论是成型功能，热传功能，还是机械功能，都提出了极为严格的要求；而一些光学产品，不但有极高的尺寸和外观要求，还有更为严格的光学要求，光学要求需要严格控制产品的内应力，因而对模具的要求更高。 总之，无论任何产品及其品质要求，都需要提前预测达到品质要求所需的条件，才能设计出符合质量要求的模具。因此设计决定了品质。 很难想象，一副在流变，热传，和机械方面有设计缺陷的模具，能够生产出质量满意的产品。 要做到极致的产品品质，所需的底层知识是注塑过程中塑胶运动规律。深刻把握这一规律，不管产品种类，品质标准，所选材料千变万化，都能找到合适的解决方案。明一定之理，得千变之法。 模具设计如何决定生产成本？ 设计的本质是一个权衡折中。 任何一套模具都没有一个最优的设计方案，只有合适的设计方案，关键是如何选择。每个企业受制于各种客观条件，如机器设备等硬件条件，技术能力和管理水平等软件条件。同样一个问题解决，对于A企业来说合适的设计方案，不一定适合B企业。 所以模具设计的目的是在各种可行的方案中选择一个最优性价比方案。 读懂客户对产品品质的要求，帮助一些技术能力不足的客户优化产品结构使之符合流变要求，并定义合理的品质标准，准确预测所需的模具条件和工艺条件，才能制定性价比最优的设计方案。这个最优性价比对模塑一体化企业来讲，是综合考虑模具成本和注塑生产成本的最优性价比，即不能只关注模具的成本，而是考虑模具投入能为注塑生产带来多少回报，例如模具考虑使用先进技术如随形水路增加多少模具成本能够缩短成型周期和获得更好的产品品质，能够获得多少回报。 模具设计充分考虑模具加工便利性，对降低模具制造成本有重要意义；充分考虑注塑生产量产性，对降低注塑成本，提高生产稳定性和提升品质有重要作用；充分考虑模具后续维护保养便利性，对减少停机待产时间有重要意义。等等这些，都是模具设计决定。 模具设计如何决定生产效率？ 效率和成本是一个相互衡量的指标，一般来说，效率越高，成本就会越低。 既然设计决定了成本，也就基本决定了效率。 模具设计充分考虑模具机械运动的稳定性和耐磨性，能够充分缩短注塑生产开合模时间；合理设计冷却水路和流道直径，能够充分缩短注塑周期；说服客户定义合理的品质标准，可以避免不必要的不良报废。等等这些，对于提高效率都至关重要。 模塑企业的设计能力是企业的核心竞争力，其中最重要的模具设计能力。 模具设计能力指的不仅是设计工程师个人或者设计部门的设计能力，而是整个公司的集体智慧，包括设计部门，加工部门，和注塑成型，以及后工序。集众人的智慧，借设计工程师或设计部门用设计图纸体现出来。 注塑模具设计工程师的技术水平大致可以分三个等级，初级，中级，和高级。 一，初级水平。初级水平只考虑如何把产品做出来。该级别工程师重点关注的是如何脱模，如何分型，如何顶出，以及按照DFM指导完成模具细节设计。 二，中级水平。中级水平能够考虑模具在生产过程中的受力状况，以及模具动作的稳定性，可靠约束，等等。这些包括结构本身强度能承受注塑压力作用不变形；可靠定位在不平衡受力下前后模不发生弹性偏移；能承受锁模力和合模撞击作用封胶面不变形；能承受重力作用开模不下沉，等等。简言之，就是关注的焦点在模具的机械部分。 三，高级水平。高级水平考虑塑胶流动，收缩，和模具的热平衡。深刻理解注塑过程中塑胶运动规律，因而能够在规律指导下按照产品品质要求预判产品结构潜在问题，进而主动创造条件满足产品品质要求。即，优化产品结构条件(熔胶流动通道条件)，热平衡条件(均匀冷却，均匀收缩条件)，模具刚度条件(满足注塑压力和锁模力要求)，注塑机条件(熔胶质量，足够的压力/速度、控制精度，机器模具匹配)，以及塑胶材料条件。简言之，能从模具的流变设计，热传设计，机械设计三个方面考虑模具设计方案，并能兼顾成本，开发出性价比最优的模具。 初级水平只能把产品形状做出来。 中级水平能做出较好的外观(断差，夹口)和并获得较好的模具寿命。 高级水平能做到极致的外观(应力痕，厚薄印，光影)，精密的尺寸和最短的周期。 上述的初，中，高级水平也同样可以用于评价模具厂，注塑厂的技术水平。 模具中蕴含着产品结构，因而模具设计蕴含产品设计。符合塑胶流变要求的产品几何结构(熔胶流动通道)是获得优质产品的先决条件。从这点出发，优化产品结构使之符合流变要求，是模具设计工作最重要的部分，怎么强调都不过分。 然而，模塑企业居于整个产业链的下游，往往没有产品结构和选材的话语权，很多时候只能被动按照有问题的产品结构和选材来进行模具开发和注塑生产，却被要求做出对标苹果的外观和尺寸品质的产品，这不能不说是模塑行业最大的痛。苹果产品能够做到极致的外观，最重要的一个原因是它的产品设计。 优秀的模具工程师能够一定程度通过模具设计来弥补产品设计的不足。但弥补效果始终有限。顶级的模具工程师能“搞定客户”—帮助客户优化产品结构，说服客户定义合理的产品品质标准，包括合理的外观，尺寸公差，和性能要求。这对于提高模具品质（产品品质）和降低成本是决定性的因素。 高级水平工程师在行业凤毛麟角，是稀缺人才。 注塑生产质优价廉的的产品，从来就不仅仅是注塑厂的责任；制造最优性价比的模具，也从来就不仅仅是模具厂的责任；而是行业全产业链，包括终端客户在内的全部工程师协作的结果。终端客户不去反思自己的产品设计是否具备极致外观和高精度的条件（流动通道条件），以及不愿为极致品质支付相应的价格，而一味将产品质量问题归咎于模塑企业，这是不公平的。 产品工程师必须要在想要的（产品结构和品质：外观，尺寸，性能）和能做到的（生产性，可开模性，等技术限制，以及成本限制）之间找一个折中，或者说终端客户必须要在想要的和愿意支付的价格之间找一个折中。 如何设计优质模具？ 前期DFM阶段要充分预测产品的可开模性问题，和产品的生产性问题，尤其是后者更重要。尽管后者非常重要，由于其大部分是一些隐性的问题，不容易发现。要做好产品生产性的评估，需要具备系统的知识结构，丰富的经验，而且要好好利用先进的仿真分析软件，如Moldflow进行模拟，参考模拟结果，做出正确的决策。 通常要设计一套好的模具，需要做好三个方面的设计工作： 一，模具的流变学设计。通俗的讲就是设计好流道和浇口。在深刻理解塑胶融体微观流动状态的基础上设计好模具的浇注系统。 二，模具的机械设计。即模具的结构设计。充分考虑模具动作稳定性，模具结构强度，加工方便性，和维护保养方便性，模具的寿命要求，以及客户的模具标准和要求。 三，模具的热传导设计。在深刻理解塑胶分子收缩特性，结合热传导知识设计好模具的热传导系统，以达到产品快速并均匀冷却的目的。 做好上面三个方面的设计，需要系统的知识架构作为支撑，而且需要结合丰富的经验，配合先进仿真分析工具如Moldflow的使用，才能够做到。 优质的设计，配合优质的加工保证，是获得优质的模具基本保证。 模具制作完成，仅仅是完成了整个模具开发过程的第一步。尤其对于一些高要求模具，后续的修模改模完善过程同样是一个艰苦的过程。在这个艰苦的模具改进过程中，需要注塑工艺的密切配合才能获得上述的优质模具。精密的模具更加需要精心设计的工艺来配合才能发挥模具的最大效能，正如最酷的法拉利超跑需要舒马赫这样的天才赛车手才能把其性能发挥到极致一样。 注塑工艺的变数如此之多，即使在前期聚集所有顶尖的工程师一起，做了最充分的分析，也没有办法确保后续试摸的没有任何问题，而且即使没有问题发生，总是有改进的空间。 模具开发阶段中的修改模过程非常痛苦，痛苦的根源来自于行业中模塑分家的现状。模具工程师不懂注塑，注塑工程师不懂模具，相互的知识结构的交集不够，出现问题无法准确找到真因，互相推诿扯皮。从这点出发，需要对注塑工程师和模具工程师进行系统的培训，扩大两者知识结构的交集，双方加强互动，才能很好地从源头解决这个问题。 在模具试摸改进阶段，有几个原则需要牢记 ：
企业如何打造培育一支优秀的设计团队 许多中小型模塑企业缺乏具备系统模塑知识的综合型技术人才。 许多模具厂由于缺乏这方面的人才，往往模具设计开发无法充分考虑模具的生产性，只是关注在模具本身，很大程度上仅保证模具满足产品要求，至于如何为客户降低生产成本，让模具为客户创造更大价值往往考虑不足，或者心有余而力不足。而许多注塑企业在遇到生产问题时，往往仅依赖变更工艺解决，很少有能力从模具改进来改进生产。常见的是遇到难以解决的问题，互相推诿，责怪对方。这是模塑行业常见的一个现状，困扰着无数企业，也困扰着无数模塑工程师们。 模塑企业打造培育设计团队，这个设计团队不仅是设计部门，而是企业整个技术团队。建议从以下几个方面进行： 一，系统的模塑技术原理培训。系统的学习模塑技术原理，包括塑胶材料特性，注塑成型原理，模具设计依据，科学设定参数和选型注塑机，注塑成型缺陷机理和原因分析，等等。 任何一个注塑产品质量问题模塑问题都不是一个孤立的问题，而是一个系统性的问题，是由材料，模具（包括产品结构），和工艺（包括参数，设备，环境），三方面因素综合作用的结果。这三个方面因素，相辅相成，相互制约。简单来说，材料方面的不足，可以通过模具和工艺来弥补，但这种弥补会导致模具成本高和生产管控困难，提高了设备要求;同样，模具方面的不足，也可以通过材料改性和工艺来弥补。 深刻理解材料，模具，和工艺三者之间的错综复杂的相辅相成，相互制约关系，就能够清晰判断问题改善的方向;具备系统的专业知识，就能多维度解决问题，而不是在个人的专业领域中苦苦挣扎，如只盯着模具，或工艺，或材料等等;或者把挑子一撂，这是你工艺的问题，这是机器的问题，这是材料的问题，不关我模具的事。 二，建立机制建立企业知识库。 没有经验支撑的理论是空中楼阁。 每个项目结束后，或者每套模具结案后，及时总结经验教训和设计亮点，形成文件，定期组织全部技术团队学习。这样做，一来建立知识库；二来总结的经验教训能够普及整个团队。 三，鼓励创新。 创新需要灵感，灵感源于对技术原理的深刻理解和对问题的深入研究。 创新需要系统性专业知识架构。专业知识不成体系就无法理解各变数之间相辅相成，相互制约的关系。 创新需要打破常规，即是从另一个维度去想办法。多维度去解决注塑产品问题，总是能够更快速，更高效，更多途径，跳出各种条件的限制。 创新会犯错，犯新的错误。需要鼓励试错。 四，建立持续生产改善的机制。 模具在开发阶段可能只能解决90%的问题，还有10%的问题，或者说模具在导入量产后还至少可以优化10%。所以要建立一个持续改善的机制从模具优化来改善注塑生产。这样做一来可以直接改善生产，而来可以在改善中得到的经验反馈到模具设计部门，形成一个完整的技术闭环，有助于技术提升。 广东省机械模具科技促进协会新技术推广中心服务项目简介：
1，提升企业的创新能力。创新能力需要系统的知识架构和经验总结。 2，有利于降低成本。成本降低需要系统性思维加上系统性专业知识架构。 3，有利于培育团队。技术团队的领头人需要极高的工程师素养才能服众，更好带领团队进步。
1，深刻理解机理。明一定之理，得千变之法。 2，准确把握概念。思维的混乱源于逻辑混乱，逻辑混乱源于概念不清晰。 3，掌握解决问题的思路。注塑产品质量/成本取决于三个方面因素：材料，模具（包括产品结构），工艺（机器，工艺参数环境）；三者相辅相成，又互相制约。因此系统性的解决问题的思路非常重要，不能头痛医头，脚痛医脚。 4，掌握理论联系实践的方法。通过案例学会分析方法。 5，跳出经验局限具备创新能力。
这是一个长期顾问服务。包括以下几个方面：
任何一项新技术都是应对某个具体问题解决或某个具体应用而发明的，因而一定有着其局限性。 许多企业对新技术只知其优势一面，却不知其局限一面，往往导入不成功或者导入过程中困难重重，浪费大量资源。 所以，对于新技术必须要了解其原理，才能知道其局限性，根据其局限性来：
而这些不是新技术供应商所能提供的服务。
新技术研发需要一种打破常规的创新思维，才能有创新灵感从机理上去克服一些机理性缺陷。 对机理深刻理解，才能洞悉常规方法的不足，才有创新灵感诞生的可能，不然就是永动机式的创新。 创新灵感到创新方案，需要集团队的智慧。 同新技术导入一样，创新方案成功同样需要：
大品牌化工厂的每一支材料，性能优越，兼具功能性和生产性，在某类产品领域内广泛应用验证，相对来说都是通用料。 通用料不是针对某一个具体产品，具体机台设计的，因此可能会出现一些问题需要模具和工艺来弥补，增加了制造成本，而且大品牌料价格相对较高。另外，弥补效果始终有限。 定制化材料针对具体产品，具体机台，或者针对具体的注塑生产/产品品质问题改性一些塑胶原料，以获得更好的功能性和生产性，从材料端解决质量问题，并降低成本。 定制材料配方开发需要系统的专业能力：
致修简介 本名 倪江良
致修作品： 英文名《Handbook of Molded Part Shrinkage and Warpage》， 中文名《注塑成型缺陷解决手册—收缩和变形》， 化工出版社，2022年出版。ISBN 978-7-122-39932-8 擅长：为模塑问题把脉，提供解决思路，及模具，工艺方面的具体解决方案 |
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