CAD工具趋势之我见

撰文/ 张成

张成，创客，产品及市场分析师。在CAD 和PLM 领域有近七年工作经验， 并对IOT，机器视觉及VR 行业有强烈的兴趣爱好。毕业后一直供职于某PLM 公司，业余时间创立3D 打印机公司,并致力于DIY 三维重构软件。作为开源软件和硬件的倡导者和实践者，一直积极参加及建设当地的创客空间的活动中。

（zebrajack@163.com，微信：Zebrajack）

20 世纪60 年代，CAD 开始进入工程师的手中。但一直到90 年代初，CAD 对大部分工程师来说依然是个高大上的玩意，并不是每个工程师都可以用这么昂贵的工具。这种现象终于随着Windows 平台的普及以及PC 产业的蓬勃发展逐步瓦解，CAD 终于可以以相对廉价的成本成为每个工程师的助手。20 年过去后，我们又进入了另一个技术革新的快车道：移动互联网、物联网和云计算等接踵而来。当产品设计随着时代的潮流不断变化，那CAD 在新形势下的动向便成为一个很有趣的话题。人们总是高估短期而低估长期科技能力，CAD 软件的创新也遵循同样的道理。

一、系统工程和IOT（物联网）

随着智能传感器的价位不断降低，智能产品和行业互联网的呼声越来越高。显然产品不再是一锤子买卖，生产商和终端用户的交互越来越多。无论是可能出现的新型商业模式，还是更高效的营销和售后模式，这些都对产品的设计产生了极大的影响。

1. 系统工程

智能的产品意味着软件和硬件的深度融合。有别于以前离散的硬件和软件团队，当下产品中的自动化和软件的比重越来越大。如何将众多传感器有效嵌入到原来的硬件产品中，如何保证产品后续更便捷的升级和维护，这些无疑都拓展了传统的CAD 功能。CAD 不再仅仅着重于机械部分，而是以三维模型为纽带，将软控部分的设计杂糅进来。传统的软件厂商已经行动起来了，达索V6 平台提出了RFLP（Requirement → Function → Logic →physics）的系统工程解决方案。显然他可以为系统工程建模，可以记录系统从需求到电子模型的演化及踪迹。贯串其中的多学科的仿真能在早期验证系统的可行性。

达索及其他厂商首先针对的是复杂的系统设计：比如飞机汽车的设计。但这对其他行业也有启示。这种启示不一定是工具层面上的，更应该对设计方法论的探索和养成。

2.IOT 反馈的设计

IOT 是个很大的命题。其显著的特点是提高产品的运营效率。但对于CAD 设计来说，显然收集过来的数据对进一步改进产品有很大的参考作用。针对不同区域和不同人群下的变形设计也好；针对硬件和软件迭代设计也好，它都有明确的量化和指导意义。当阿里巴巴在提携C2B 的淘工厂时，我们的工厂也应该思考一下如何从设计层面深化C2B。

二、创客运动

1. 开源CAD 及细分市场的CAD

对于众多的草根创客而言，购买昂贵的工业设计软件显然不靠谱。但是他们的需求其实并不需要过于复杂的功能。在这种情况下，一些开源或者免费的CAD 开始在创客间逐步流行起来。比如 FreeCAD, open SCAD,tinkerCAD 等。或许对很多专业人员来说，这些软件很小儿科。但是专业的软件往往需要耗费更长时间学习。而这类开源软件往往能够快速解决其需求。

除了免费的软件， 市场上也出现了针对创客群体的CAD， 比如Autodesk 的Fusion360，它主打在线存储及线上协同。当然其设计功能远比开源的软件强大。但是又有别于传统的三维CAD, 它将分形建模，直接建模杂糅在一起。这种方法保证了其具有易操作性。

重点提一下分形建模，自从PTC将分形建模（又称作自由塑性）引入到参数建模的环境中，它已逐渐在其他软件中变成了标配。有别于专业的CG 设计师需要深厚的美术功底。分形建模明显将控制自由曲面的难度系数降低。这样，创客就可以快速掌握曲面造型的方法。

2.3D 打印机的流行

打印机的再次流行除了专利开放以外，很重要的原因在于众多创客需要利用3D 打印机做出产品。对大部分创客而言，商业化并不是其意愿。这种情况下，只有打印机才能帮助他们快速地以低成本的方法构建出产品。

创客们需要在CAD 和独立的前处理软件间倒腾数据。尤其是当有些第三方数据破损的情况下，事情就会变得更加复杂。如何简化这些流程就变得尤为重要。好在主流软件也在逐步将打印数据的处理融入进来。但是在数据修复和修改上依然有改进的空间。

三、云计算

云计算这类底层架构的技术是弹性计算能力的骨架。虽然说CAD 和设计工具当下并没有受到很大的影响。但已经有若干公司在这个领域耕耘了，其中onshape 是典型代表。我们需要关注其最重要的两个特点。

1. 无限量计算资源

最容易想到的便是CAE 有限元分析通过分布式算法加快运算的进程。对企业来说不需要购买和升级昂贵的硬件来支持这类高性能运算。同时这为CAE 软件的研发提出了新的要求：基于分布式运算的研发。或许在很多人眼里，将CAD 搬到云端没有太大必要，但是他对于简化CAD 庞大的数据管理将会是个很大的福音：PDM和CAD 将会合二而一，不需要将数据不断地check in/out 工程师们可以做到真正的实时协同，可以在线合并不同的设计（不冲突的情况下）。

2.IT 运维的简化

传统设计软件的分发是个非常繁琐的事情，需要不断重新安装最新版本，利用管理工具来统一模板等。但是很多繁琐的事情将变成历史。基于云的CAD 将可以让设计师在任何地点，任何时间，任何设备上同步最新的部署。

畅想一下近期和可能预见的未来，以下几点应该会引起更多的关注。

四、机器学习（大数据和机器智能结合）驱动的CAD 设计

关于人工智能，很多激进的人认为这在未来一定会发生，并认为未来机器会控制98% 的人。底层的技术，当下有公司在做，但没有太形成规模。笔者站在中立的立场来看，认为其依然处于初期。假如说未来的机会是将所有的任务打上AI 的标签的话。那么智能的CAD 当然是个值得讨论的话题。

就目前来说，我们是可以尝试将设计本身半自动化的。有别于传统的基于“知识工程”下的设计自动化，软件工程师在探索利用机器学习研究零件间的上下文及装配关系。想象一下，当软件尽可能地将行业类的模型都学习了一遍，那么它就可以主动地为设计提供可靠的建议。当然，当我们综合了机构的上下文，设计理论的上下文以后，它会变得越发强大。

五、3D 打印的成熟

当3D 打印发展到一定程度，就可以打印功能性的零件。但当下可能的趋势更强调增材制造和减材制造的融合。尤其是针对金属打印来说，先利用直接/ 选择性激光烧结打印出零件，再利用传统的NC 机床进行精加工。但这种混合加工对我们的CAD/CAM 提出了挑战，如何控制激光的功率和温度来保证打印质量，如何安排和控制这种混合加工的流程。这些问题依然等待我们去实践和完善。

其实更令我们觉得激动人心的是基于各类新材料的设计和加工。比如各类合金粉末，微观层面上融入石墨烯，还有高性能陶瓷粉末的打印等。材料的长足进步会大大影响设计理念，尤其是增材制造可以在各个局部融入不同的材料。这个时候的设计，仿真验证，工艺和制造不再是被割裂的，而是合并在一起。这才是真正的面向制造的设计。可以想象得出：传统离散型制造业冗长的工艺流程会大大缩短。

六、向自然界学习

这一项很大部分是由打印机技术成熟而驱动。我们都知道很多时候大自然的选择就是进化了多年的最优设计。但是由于其造型过于复杂，导致了其无法加工。比如说镂空的鸟骨头便是个典型的例子。尤其是在医疗器械领域，这类设计变得尤为重要。

当造型本身可以突破传统加工的限制，我们的几何拓扑优化可以不再拘泥于特定的边界条件。尤其是当我们能灵活调配几何中的材料，那就越发的变得自由。

七、VR( 包含AR) 行业的崛起

VR 行业仍处于初期，但科技人员普遍都认为它会迅猛地发展。首先各大硬件厂商如雨后春笋那样推出各种消费3D 内容的头盔和眼镜。随着VR 的普及，如何获取适配VR 头盔的3D 内容便是一个值得我们思考的问题。

长期以来，CAD 都是专业人士的活儿。但是VR 的消费化却促使普通人能够如拍照片那样创建三维内容。但显然我们不太可能沿用传统CAD的做法，很多人都憧憬着利用深度传感器来重构三维模型。Intel 已经力推在笔记本和移动设备上附加此传感器。但是在易用性和精度上，软件的算法依然有缺陷。未来到底会如何完善和发明出新方法来，这些依然不得而知。

这是个巨变的年代，CAD 这个行业注定要迎来更多新的元素。或许盘点工具本身对我们的工作并没有多大影响。权当梳理一下前沿趋势，留个底，攒点谈资吧。