模具企业数字制造技术的现状与发展
在现代工业生产中，60%～90%的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础。根据国际生产技术协会的预测，21世纪机械制造工业零件粗加工的75％，精加工的50％都需要通过模具来完成，其中汽车、电器、通信、石化和建筑等行业最为突出。
模具作为一种高附加值的技术密集产品，它的技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标。早在CAD/CAM技术还处于发展的初期，CAD/CAM就被模具制造业竞相吸收应用。目前国内的模具制造企业约20000家，并且以每年10％～15％的速度高速增长。在约400亿元的模具工业产值中，自产自用模具的企业约占2/3，50％～60％的企业较好地应用CAD/CAE/CAM/PDM技术。模具相关的CAD/CAE/CAM技术一直是研究开发、教育培训和推广应用的热点。
1 模具CAD/CAM系统专用化程度不断提高
随着模具工业的飞速发展以及CAD/CAM技术的重要性被模具界的广泛认可，近年来CAD/CAM开发商投入了很大的人力和物力，将通用CAD/CAM系统改造为模具行业专用的CAD/CAM系统，针对各类模具的特点，推出了宜人化、集成化和智能化的专用系统，受到了广大模具工作者的好评。例如以色列Cimatron公司推出的Quick系列产品，能在统一的系列环境下，使用统一的数据库，完成产品设计，生成三维实体模型，在此基础上进行自动分类，生成凸、凹模并完成模具的完整结构设计，能方便地对凸、凹模进行自动NC加工。又如英国DELCAM公司推出的PowerSHAPE系统，包括PSMoldmaker模块，是面向模具制造的模具总装设计专家系统，可自动为复杂注塑模、吹塑模创建模具结构及抽芯机构、自动产生分模面，加工信息被自动封装，并可直接输出到PowerMILL模块，自动产生加工程序。日本造船信息系统株式会社的三维CAD/CAM系统SpaceE中也增加了专用于注塑模的设计模块。日本UNISYS株式会社推出的专用于塑料模设计和制造系统的CADCEUS也颇具特色，该系统综合了塑料产品设计从产品形状设计、模具设计到模具生产所需要的全部功能，重点放在三维设计与二维视图的关联，体现了宜人化和集成化方面的技术进步。
2 面向模具企业的CAD/CAE/CAM技术的系统集成方案
随着模具工业的科技进步和国际竞争的日益激烈，模具业对CAD/CAM系统的要求也从单纯的建模工具变为要求支持从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息管理集成化系统。近几年来，有不少研究单位和公司都开发了面向模具企业的CAD/CAE/CAM系统集成方案，表现出较高的实用水平。如上海交通大学国家模具工程中心在数字化制造、系统集成、反向工程、快速原型/模具以及计算机辅助应用技术等方面已形成了全方位解决方案的能力，能够提供模具开发与工程服务的业务，全面地提高模具企业的水平和产品质量。又如浙江大学旭日科技开发公司，能为企业提供产品设计、三维造型与NC编程、逆向工程、三坐标测量、模具设计与分析、技术培训以及模具CAD/CAE/CAM技术开发的全方位技术支持。北航海尔软件有限公司推出的CAXA品牌系列CAD/CAE/CAM软件也能够为用户提供有关模具工程的全方位解决方案。
3 塑性成型过程计算机模拟技术取得显著进步
塑性成型过程计算机模拟技术在近两年来也取得了突飞猛进的发展，华中科技大学模具技术国家重点实验室研制的注塑成形模拟软件和湖南大学研制的薄板冲压成形模拟软件，在数学建模、算法、前后置处理以及实验验证、工厂运用等方面，两校都有显著的进步，这标志着我国在注塑成型、板料成型过程计算机模拟方面已接近国际先进水平。这两项成果均被评为2002年度中国机械工业科学技术重大进展项目。
塑料注射成型过程仿真属于机械、力学、材料和计算机相交叉的新兴学科，由于塑料熔体的非牛顿性以及注射流动过程的非稳态、非等温性，采用计算机模拟熔体成形过程具有很大难度。虽然世界各国研究的单位很多，但最终形成有影响的商品化系统的只有两家：澳大利亚Moldflow公司和美国ACTech公司。华中科技大学模具技术国家重点实验室在国家自然科学基金和其他课题基金的资助下不断地改进、应用和推广，经历了从二维分析到三维分析，从局部试点到大面积推广应用的历程。经过10余年的努力，开发出独具特色、具有当前国际先进水平的三维注塑成型仿真系统。
传统的注塑成型仿真软件基于制品的中心层模型，而模具设计多采用三维实体模型，由于两者模型的不一致，二次建模不可避免。但是从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作，提取过程繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有畏难情绪，这已成为注射仿真软件推广应用的瓶颈。该系统能直接在三维实体模型上划分网格，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现了基于三维实体模型的分析，并显示三维分析结果，突破了仿真系统推广应用的瓶颈。解决了用三维实体模型取代中心层模型的关键性技术难题。
注塑制品大多是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。该系统在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立了与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使计算速度满足工程需要，并采用控制体积法解决了成型中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品，划分为两部分体积并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证两部分的协调，实现了有限元/有限差分/控制体积方法的综合运用。
输入参数的合理性是数值分析获得正确结果的前提，该系统通过人工智能技术获得了注射时间的优化和分级注射的优化，保证了输入参数的合理性，并采用专家系统技术自动生成分析结果报告，缩短了用户需求与分析结果之间存在的距离，将仿真软件由传统的“被动式”计算工具提升为“主动式”的优化系统。
在仿真中流道系统一般采用圆柱体单元，而制品采用的是三角形单元，该系统采用半解析法解决了混合单元的集成求解问题，不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小型精密制品，大大拓宽了系统的使用范围，实现了制品与流道系统的三维流动保压集成分析。
熔合纹对制品的强度、外观等有重要影响，准确预测熔合纹位置也是仿真软件的难题，该系统通过采用节点特征模型方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率，其准确度高于国际上同类产品的先进水平。并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度做出定性评价，为用户对成型质量的评估提供了直接的判据。
该系统的开发与应用，为注塑制品与模具的虚拟制造奠定了坚实的理论和技术基础，构成了注塑制品成形质量全面控制的核心技术。目前，该系统已形成商品化软件产品，并在海尔、科龙等60多家用户中推广应用，产生了可观的经济效益。
在现有的研究中，基于CAE的成型工艺优化主要是采用数值分析的方法，但是由于成型工艺本身的特点，很难给出连续和规则的优化求解空间。并且，数值分析方法还存在计算量大、效率低、优化目标单一等缺点，这在很大程度上影响了CAE技术的普及。知识工程的方法和技术是解决数值分析固有不足的有效途径。20世纪90年代以来，知识工程的研究异常活跃，相关的方法与技术层出不穷，随着知识工程研究的深入与扩展，通过建立包括产生式规则、实例、样本等集成多知识表达方式的知识库和规则推理（RBR）、实例推理（CBR）、人工神经网络（ANN）等集成多处理方式的多智能主体，建立全面支持CAE应用过程的智能化系统，应用人工智能与专家系统技术，在数值分析结果的基本上自动对成型方案进行分析和评价，并提出方案的优化建议，是当前材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。
在模具CAD/CAM的基础上，结合人工智能技术深入应用材料成形CAE技术，是我国企业能够尽快地登上现代数字制造技术新台阶的捷径。
