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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。

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