注射模成型工艺发展了近50年，但是由于塑料制品的多样性、复杂性和工程技术人员经验的局限性，长期以来，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。注射模CAE技术建立在科学计算基础上，融合计算机技术、塑料流变学和弹性力学，将试模过程全部用计算机进行模拟，并显示出分析结果。利用计算机的高速度，在短时间内对各种设计方案进行比较和评测。
2传统模具技术与现代模具CAE技术的生产流程
注射成型分两个阶段，即:开发/设计阶段(包括产品设计、模具设计、模具制造);生产阶段(包括购买材料、试模、加工成型)。
图1为传统模具开发流程，图2为现代模具CAE开发流程。从传统模具开发流程图可看出，传统的方法在开始大规模生产前由于仅凭经验设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅要工艺师重新设置工艺参数，甚至还要设计师调整塑料制品和模具的设计方案，修改模具。重复各个步骤增加了生产的花费，影响模具质量，同时延长了制品生产时间。引入CAE技术后，在产品开发的任一阶段，都可以用计算机辅助工程技术检验各种想法的可行性，一天之内测试好几种甚至十几种设计，较之现场的修模、换模、试模，无论就人工、时间、材料、能源、场地而言都体现了CAE技术的优势。
如果说注射模CAD/ CAM技术偏重于产品的造型、模具设计、绘图和数控加工数据的生成，那么计算机辅助工程(CAE)技术是将工程设计、试验与分析贯穿于产品研制过程的每一个环节当中去，以指导和预测产品构思和设计。因为注射模设计要考虑塑料的流变性能，塑件的几何特性和注射成型工艺参数等，尤其是对于复杂精密的模具，凭经验难以全面考虑上述设计因素，往往需通过反复试模、修模来发现和纠正设计缺陷。采用CAE技术后，就能在制造模具之前，预测熔体在型腔中的成型行为，帮助研判潜在的问题，有效地控制问题的发生。故CAE技术在塑料模设计制造中的应用，除了其本身固有特性外，还极大地完善了CAD/ CAM系统的功能。
3 CAE技术应用举例
3.1设计原则
在CAD软件上进行产品设计后，在设计模具前，必须对以下几个问题加以全面考虑:
(1)了解塑料熔体的流动行为，如流动阻力、流动速度和最长流动长度等，还要估计塑料在模具里的流动方向和充填顺序，考虑料流的重新熔合与排气等问题，尽量使有熔接痕的塑件表面质量和强度达到合理的要求，避免塑件表面瑕癖。
(2)根据塑件的形状和结构特点，合理地选择分型面与浇口的位置、浇口的形式以及塑件的侧向抽芯和脱模顶出机构等。
(3)考虑模具冷却与加热系统的合理布局。现代模具CAE技术能帮助工程技术人员在生成模具设计图纸前分析以上几个问题。利用Z- MOLD软件的流动分析，可就浇口位置设计方案进行研判，看是否满足制品质量要求。
3.2模具设计初始构思
开发摩托车加速器内部一个塑料件，初步构想是将原先的1模1腔的设计改为1模2腔，以缩短生产时间。使用材料为ABS，成型方式采用两板模或三板模，对每个型腔设计1个浇口。料温控制在230-2500C，注射时间待定。浇口位置没有确定，要注意注射不平衡、熔接线处强度等问题。
3.3 Z- MOLD操作步骤
(1)建模。利用Z- MOLD前置处理模块完备的造型功能，将制件(图3)的几何信息输入计算机，生成图4线框模型(为方便起见，图中只显示1个型腔的线框模型)。在定义线框的拓扑关系后，进行三角形网格剖分，形成网格文件:加速器.fe m。制品的几何文件准备完毕。
(2)输入工艺条件。在Z- MOLD初始设计模块中，根据工艺要求选择材料为ABS，熔体入口温度为240 0C，模具温度为5 0 0C(对于ABS而言，常用的模具温度为25-800C;常用的熔融温度为200280℃)。充填时间:5s。分别保存为:加速器.p rc、加速器.mtl文件。
(3)分析计算。将加速器.fe m、加速器.p rc、加速器.mtl文件提供的数据信息代入流动分析计算程序。分析计算的结果有熔体前沿、压力场、温度场、表征剪切速率、壁剪切应力、熔接痕/融合痕的位置、气穴位置、注射压力、锁模力等。通过这些计算结果可查询熔接痕形成的方向，并结合压力场分布和温度场分布进一步分析形成熔接线对制品的影响;在有气穴的位置设置排气槽;浇口位置是否会引起过度的注射压力和锁模力等。
(4)结果显示。Z- MOLD后置处理提供了等值线图、彩色阴影图、X- Y节点图、文本报告几种方式来显示分析结果。
根据塑件结构初步设计3种浇口方案，图5浇口在塑件底部，图6浇口在塑件底部的弓形处，图7浇口在塑件的顶部，通过Z- MOLD后置处理显示不同浇口位置产生的熔接线位置和气穴位置。
3.4问题分析及方案比较
(1)不同的浇口位置产生的气穴。在塑料熔体注射充填型腔过程中，模腔内除了原有空气外，还有塑料含有的水份在注射温度下蒸发而成的水蒸气，塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体等。这些气体如果不能通过排气系统顺利排出模腔，将会影响制品成型以及脱模后的质量。它将会受到熔体的压缩并因此对熔体产生反压力，从而导致制品出现填充不足或制品中产生气泡以及组织疏松等。另外，模腔中的气体在受压较高时还会产生高温，使制品出现局部碳化和烧焦现象。为了除去气穴，可以修改充填模式，通过降低注射速度，加大排气槽尺寸或在产生气穴的地方设置合适的排气槽。
通过Z- MOLD软件分析预测出塑件在充填结束后可能会产生气穴的地方。如图6气穴2可以在顶出装置中利用顶杆配合间隙排气，但图5气穴3形成在塑件的弓形面上不便于气体逃逸，图6气穴1形成在垂直于分型面的平面上也不便于气体排出。图7的气体都可通过分型面的间隙排出。从熔体整个充填过程看，图7的浇口位置最利于气体的排出。通过流动分析预测出气穴位置及时采取补救措施。图6的调整方案为降低注射速度让气体有充足的时间排出型腔。
(2)不同浇口位置产生的熔接线。通过Z- MOLD后置处理的显示可以对图8和图9的结果进行比较。塑件外形约为97mm X 76mm X 85mm的箱体，设计成1个模腔1个浇口进料，1模2腔模具。分析不同的浇口位置熔体在塑件形成的气穴和熔接线/熔合痕。
一般来讲，熔接线对制品强度有影响，并且在涂漆等后处理时，熔接线难以处理，所以必须缩短熔接线的长度。为了在需承受外力的部位或者醒目的部位不产生熔接线，可通过CAE软件预测熔接线位置，再通过改变制品设计或浇口设计，将熔接线移至不影响外观及使用强度的部位。
图8和图9是两种浇口方案，用Z- MOLD软件分析得到的熔接线图。如图8所示，因为塑料熔体充填型腔时弯折多、流程长、注射压力损失大，前锋料头温度下降现象严重，最后型腔最低温度为215℃，熔接痕处力学性能较差。图8的第3 ,4条熔接线处可能同时有气穴存在，这样该处强度会明显削弱。如图9所示，塑料熔体流程相对图8的流程要短，压头损失、温度变化相对图8要少。试验表明，提高注射压力、熔料温度和模壁温度有助于克服浇注系统对熔体的流动阻力，能有效地将压力传递到料流前，于是料流汇合处能在较高压力下融合，从而熔接痕处密度增大，强度提高;图9第1条融合痕距浇口近，这意味着注射压力对该处作用较强，熔体温度相应较高，故熔体融合得较好，其它各处的熔接线形成的位置不是主要受力区。应该注意的是，由于制品结构本身的要求使熔接线/融合痕不可避免，但通过控制相遇的两股熔体温度差(不超过10 -C)、提高注射压力和模壁温度等工艺条件使熔体融合处的强度提高一些。
以相同的工艺条件对图6和图7两种不同的浇口位置进行分析。查看Z- MOLD的流动分析文本报告得知，图6浇口的型腔压力、锁模力比图7浇口的型腔压力、锁模力高很多。根据Z- MOLD分析结果的综合比较，选择浇口位置在制品顶部如图7所不。
4结束语
注射模CAE技术的发展，给模具行业带来了一场技术革命。但因为塑料熔体是非牛顿粘弹性流体，制品结构复杂，成型充模流动过程的非稳态、非等温性，使充模过程的数值模拟相当复杂，所以在程序实现时作了一些假设，建模过程进行了适当简化，这样计算结果精度与实际结果会有偏差，然而总体趋势与实际结果是一致的。
由于进行CAE分析时还要重新建模，不能充分利用产品设计的三维模型，造成重复劳动。国外注射模软件商已开始着手于集成化的CAD/ CAE技术研究，并有商品化软件形成。虽然这些软件能识别CAD的三维图形，但集成的CAD/ CAE软件本身不具备建立浇注系统、冷却管网等的功能，使分析应用范围大大减小。目前国内外注射模软件制造商都在进行CAD/CAE集成技术的研究，相信不久真正集成化的CAD/ CAE软件将面市。
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