CAD工具趨勢之我見

張成，創(chuàng)客，產(chǎn)品及市場分析師。在 CAD和 PLM領(lǐng)域有近七年工作經(jīng)驗，并對IOT，機器視覺及 VR行業(yè)有強烈的興趣愛好。畢業(yè)后一直供職于某 PLM公司，業(yè)余時間創(chuàng)立 3D打印機公司 ，并致力于DIY三維重構(gòu)軟件。作為開源軟件和硬件的倡導(dǎo)者和實踐者，一直積極參加及建設(shè)當(dāng)?shù)氐膭?chuàng)客空間的活動中。（zebrajack@163.com，微信：Zebrajack）

20世紀(jì) 60年代，CAD開始進(jìn)入工程師的手中。但一直到 90年代初，CAD對大部分工程師來說依然是個高大上的玩意，并不是每個工程師都可以用這么昂貴的工具。這種現(xiàn)象終于隨著 Windows平臺的普及以及 PC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展逐步瓦解，CAD終于可以以相對廉價的成本成為每個工程師的助手。20年過去后，我們又進(jìn)入了另一個技術(shù)革新的快車道：移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等接踵而來。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計隨著時代的潮流不斷變化，那 CAD在新形勢下的動向便成為一個很有趣的話題。人們總是高估短期而低估長期科技能力，CAD軟件的創(chuàng)新也遵循同樣的道理。

一、系統(tǒng)工程和 IOT（物聯(lián)網(wǎng) ）

隨著智能傳感器的價位不斷降低，智能產(chǎn)品和行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的呼聲越來越高。顯然產(chǎn)品不再是一錘子買賣，生產(chǎn)商和終端用戶的交互越來越多。無論是可能出現(xiàn)的新型商業(yè)模式，還是更高效的營銷和售后模式，這些都對產(chǎn)品的設(shè)計產(chǎn)生了極大的影響。

1.系統(tǒng)工程

智能的產(chǎn)品意味著軟件和硬件的深度融合。有別于以前離散的硬件和軟件團(tuán)隊，當(dāng)下產(chǎn)品中的自動化和軟件的比重越來越大。如何將眾多傳感器有效嵌入到原來的硬件產(chǎn)品中，如何保證產(chǎn)品后續(xù)更便捷的升級和維護(hù)，這些無疑都拓展了傳統(tǒng)的 CAD功能。CAD不再僅僅著重于機械部分，而是以三維模型為紐帶，將軟控部分的設(shè)計雜糅進(jìn)來。傳統(tǒng)的軟件廠商已經(jīng)行動起來了，達(dá)索 V6平臺提出了 RFLP（Requirement → Function → Logic →physics）的系統(tǒng)工程解決方案。顯然他可以為系統(tǒng)工程建模，可以記錄系統(tǒng)從需求到電子模型的演化及蹤跡。貫串其中的多學(xué)科的仿真能在早期驗證系統(tǒng)的可行性。

達(dá)索及其他廠商首先針對的是復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計：比如飛機汽車的設(shè)計。但這對其他行業(yè)也有啟示。這種啟示不一定是工具層面上的，更應(yīng)該對設(shè)計方法論的探索和養(yǎng)成。

2.IOT反饋的設(shè)計

IOT是個很大的命題。其顯著的特點是提高產(chǎn)品的運營效率。但對于CAD設(shè)計來說，顯然收集過來的數(shù)據(jù)對進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品有很大的參考作用。針對不同區(qū)域和不同人群下的變形設(shè)計也好；針對硬件和軟件迭代設(shè)計也好，它都有明確的量化和指導(dǎo)意義。當(dāng)阿里巴巴在提攜 C2B的淘工廠時，我們的工廠也應(yīng)該思考一下如何從設(shè)計層面深化 C2B。

二、創(chuàng)客運動

1.開源 CAD及細(xì)分市場的 CAD

對于眾多的草根創(chuàng)客而言，購買昂貴的工業(yè)設(shè)計軟件顯然不靠譜。但是他們的需求其實并不需要過于復(fù)雜的功能。在這種情況下，一些開源或者免費的 CAD開始在創(chuàng)客間逐步流行起來。比如 FreeCAD， open SCAD，tinkerCAD等。或許對很多專業(yè)人員來說，這些軟件很小兒科。但是專業(yè)的軟件往往需要耗費更長時間學(xué)習(xí)。而這類開源軟件往往能夠快速解決其需求。

除了免費的軟件，市場上也出現(xiàn)了針對創(chuàng)客群體的 CAD，比如Autodesk的 Fusion360，它主打在線存儲及線上協(xié)同。當(dāng)然其設(shè)計功能遠(yuǎn)比開源的軟件強大。但是又有別于傳統(tǒng)的三維 CAD，它將分形建模，直接建模雜糅在一起。這種方法保證了其具有易操作性。

重點提一下分形建模，自從 PTC將分形建模（又稱作自由塑性）引入到參數(shù)建模的環(huán)境中，它已逐漸在其他軟件中變成了標(biāo)配。有別于專業(yè)的CG設(shè)計師需要深厚的美術(shù)功底。分形建模明顯將控制自由曲面的難度系數(shù)降低。這樣，創(chuàng)客就可以快速掌握曲面造型的方法。

2.3D打印機的流行

打印機的再次流行除了專利開放以外，很重要的原因在于眾多創(chuàng)客需要利用 3D打印機做出產(chǎn)品。對大部分創(chuàng)客而言，商業(yè)化并不是其意愿。這種情況下，只有打印機才能幫助他們快速地以低成本的方法構(gòu)建出產(chǎn)品。

創(chuàng)客們需要在 CAD和獨立的前處理軟件間倒騰數(shù)據(jù)。尤其是當(dāng)有些第三方數(shù)據(jù)破損的情況下，事情就會變得更加復(fù)雜。如何簡化這些流程就變得尤為重要。好在主流軟件也在逐步將打印數(shù)據(jù)的處理融入進(jìn)來。但是在數(shù)據(jù)修復(fù)和修改上依然有改進(jìn)的空間。

三、云計算

云計算這類底層架構(gòu)的技術(shù)是彈性計算能力的骨架。雖然說 CAD和設(shè)計工具當(dāng)下并沒有受到很大的影響。但已經(jīng)有若干公司在這個領(lǐng)域耕耘了，其中 onshape是典型代表。我們需要關(guān)注其最重要的兩個特點。

1.無限量計算資源

最容易想到的便是 CAE有限元分析通過分布式算法加快運算的進(jìn)程。對企業(yè)來說不需要購買和升級昂貴的硬件來支持這類高性能運算。同時這為 CAE軟件的研發(fā)提出了新的要求：基于分布式運算的研發(fā)。或許在很多人眼里，將 CAD搬到云端沒有太大必要，但是他對于簡化 CAD龐大的數(shù)據(jù)管理將會是個很大的福音：PDM和 CAD將會合二而一，不需要將數(shù)據(jù)不斷地 checkin/out工程師們可以做到真正的實時協(xié)同，可以在線合并不同的設(shè)計（不沖突的情況下）。

2.IT運維的簡化

傳統(tǒng)設(shè)計軟件的分發(fā)是個非常繁瑣的事情，需要不斷重新安裝最新版本，利用管理工具來統(tǒng)一模板等。但是很多繁瑣的事情將變成歷史。基于云的CAD將可以讓設(shè)計師在任何地點，任何時間，任何設(shè)備上同步最新的部署。

暢想一下近期和可能預(yù)見的未來，以下幾點應(yīng)該會引起更多的關(guān)注。

四、機器學(xué)習(xí)（大數(shù)據(jù)和機器智能結(jié)合）驅(qū)動的CAD設(shè)計

關(guān)于人工智能，很多激進(jìn)的人認(rèn)為這在未來一定會發(fā)生，并認(rèn)為未來機器會控制 98%的人。底層的技術(shù)，當(dāng)下有公司在做，但沒有太形成規(guī)模。筆者站在中立的立場來看，認(rèn)為其依然處于初期。假如說未來的機會是將所有的任務(wù)打上 AI的標(biāo)簽的話。那么智能的 CAD當(dāng)然是個值得討論的話題。endprint

就目前來說，我們是可以嘗試將設(shè)計本身半自動化的。有別于傳統(tǒng)的基于“知識工程”下的設(shè)計自動化，軟件工程師在探索利用機器學(xué)習(xí)研究零件間的上下文及裝配關(guān)系。想象一下，當(dāng)軟件盡可能地將行業(yè)類的模型都學(xué)習(xí)了一遍，那么它就可以主動地為設(shè)計提供可靠的建議。當(dāng)然，當(dāng)我們綜合了機構(gòu)的上下文，設(shè)計理論的上下文以后，它會變得越發(fā)強大。

五、3D打印的成熟

當(dāng)3D打印發(fā)展到一定程度，就可以打印功能性的零件。但當(dāng)下可能的趨勢更強調(diào)增材制造和減材制造的融合。尤其是針對金屬打印來說，先利用直接 /選擇性激光燒結(jié)打印出零件，再利用傳統(tǒng)的 NC機床進(jìn)行精加工。但這種混合加工對我們的 CAD/CAM提出了挑戰(zhàn)，如何控制激光的功率和溫度來保證打印質(zhì)量，如何安排和控制這種混合加工的流程。這些問題依然等待我們?nèi)嵺`和完善。

其實更令我們覺得激動人心的是基于各類新材料的設(shè)計和加工。比如各類合金粉末，微觀層面上融入石墨烯，還有高性能陶瓷粉末的打印等。材料的長足進(jìn)步會大大影響設(shè)計理念，尤其是增材制造可以在各個局部融入不同的材料。這個時候的設(shè)計，仿真驗證，工藝和制造不再是被割裂的，而是合并在一起。這才是真正的面向制造的設(shè)計。可以想象得出：傳統(tǒng)離散型制造業(yè)冗長的工藝流程會大大縮短。

六、向自然界學(xué)習(xí)

這一項很大部分是由打印機技術(shù)成熟而驅(qū)動。我們都知道很多時候大自然的選擇就是進(jìn)化了多年的最優(yōu)設(shè)計。但是由于其造型過于復(fù)雜，導(dǎo)致了其無法加工。比如說鏤空的鳥骨頭便是個典型的例子。尤其是在醫(yī)療器械領(lǐng)域，這類設(shè)計變得尤為重要。

當(dāng)造型本身可以突破傳統(tǒng)加工的限制，我們的幾何拓?fù)鋬?yōu)化可以不再拘泥于特定的邊界條件。尤其是當(dāng)我們能靈活調(diào)配幾何中的材料，那就越發(fā)的變得自由。

七、VR（包含 AR）行業(yè)的崛起

VR行業(yè)仍處于初期，但科技人員普遍都認(rèn)為它會迅猛地發(fā)展。首先各大硬件廠商如雨后春筍那樣推出各種消費 3D內(nèi)容的頭盔和眼鏡。隨著VR的普及，如何獲取適配 VR頭盔的 3D內(nèi)容便是一個值得我們思考的問題。

長期以來，CAD都是專業(yè)人士的活兒。但是 VR的消費化卻促使普通人能夠如拍照片那樣創(chuàng)建三維內(nèi)容。但顯然我們不太可能沿用傳統(tǒng) CAD的做法，很多人都憧憬著利用深度傳感器來重構(gòu)三維模型。Intel已經(jīng)力推在筆記本和移動設(shè)備上附加此傳感器。但是在易用性和精度上，軟件的算法依然有缺陷。未來到底會如何完善和發(fā)明出新方法來，這些依然不得而知。

這是個巨變的年代，CAD這個行業(yè)注定要迎來更多新的元素。或許盤點工具本身對我們的工作并沒有多大影響。權(quán)當(dāng)梳理一下前沿趨勢，留個底，攢點談資吧。endprint