當(dāng)今的大多數(shù)工程師都熟悉創(chuàng)建數(shù)字 2D 和 3D 設(shè)計的計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 工具，以及將這些設(shè)計帶入車間的計算機(jī)輔助制造 (CAM) 軟件。但事實并非總是如此。

20 世紀(jì) 80 年代，3D CAD 工具最初問世之時，大多數(shù)設(shè)計都是在 2D CAD 工具中執(zhí)行，或者手工在繪圖板上進(jìn)行，3D 建模往往僅限于有限元分析 (FEA)。在制造領(lǐng)域，CAM 編程人員會將設(shè)計部門提供的 2D 圖紙渲染為 3D 形式，以創(chuàng)建 CNC 加工輪廓。

到了 20 世紀(jì) 90 年代，工程師開始可以使用臺式電腦，其處理能力足以支持他們使用桌面 3D CAD 軟件包創(chuàng)建 3D 設(shè)計。然而，2D 圖紙仍然是設(shè)計和制造部門之間的主要交流工具。通常，2D 圖紙仍然由 CAM 程序員轉(zhuǎn)換為 3D 模型，以便在 3D CAM 程序中加工模型。

直到 20 世紀(jì) 90 年代后期，設(shè)計和制造工程師共享 3D 模型的做法才開始普及，而這種做法消除了重新為 CAM 建模的需要。這在模具設(shè)計和制造行業(yè)表現(xiàn)得尤其突出，設(shè)計師的 3D 模型與模具制造商的 3D 模具設(shè)計之間的緊密結(jié)合改變了模具制造的面貌，大大縮短了模具的交付時間。

時至 21 世紀(jì)，計算機(jī)輔助設(shè)計和制造工具日益集成化。當(dāng)今的工程師期待在整個產(chǎn)品生命周期中以 3D 方式開展工作。各公司也逐漸意識到，提高數(shù)字效率的重要程度至少與提高制造效率相當(dāng)。因此，3D 設(shè)計軟件的創(chuàng)造者正在將更多的 CAD 和 CAM 功能集成到其軟件包中。

設(shè)計工具

在 CAD 工具問世初期，工程師們面臨著陡峭的學(xué)習(xí)曲線。當(dāng)時的大多數(shù)年輕工程師在基于計算機(jī)的設(shè)計方面都經(jīng)驗甚少，尤其是 3D CAD 的經(jīng)驗更為稀缺。

這部分要歸咎于 3D CAD 的高昂成本。每一名工程師都需要一個單獨的軟件許可證，以及具有更高處理能力的專用工作站。這兩者結(jié)合在一起，可能需要高達(dá)每席位 25 萬美元的成本，這還沒有考慮到這些資源密集型程序和模型加載或更新所需的額外時間。

相比之下，當(dāng)今的年輕工程師為應(yīng)用 3D CAD 做好了更充分的準(zhǔn)備。如今，臺式電腦擁有足以運行現(xiàn)代 CAD 軟件的強大計算能力，大多數(shù)工程師在畢業(yè)時就至少對常用軟件包和技術(shù)有所了解。

建立面向制造的設(shè)計的直觀感受仍然需要時間的積累。但是，現(xiàn)代軟件模塊可以根據(jù)一種制造方法和某些基本指導(dǎo)準(zhǔn)則凸顯出一些潛在的問題區(qū)域。只需點擊幾下鼠標(biāo)就可以查看這些問題區(qū)域，這不僅可以教育用戶，而且也能縮短設(shè)計周期，因為無需等待制造商或高級設(shè)計師的反饋即可糾正設(shè)計。

現(xiàn)代 CAD 軟件包還包含多種模塊，可讓用戶估算制造給定設(shè)計的成本。對于某些制造方法（比如鈑金加工），工程師甚至可以在 CAD 工具中直接請求第三方供應(yīng)商的報價。

仿真和可視化

為了分析設(shè)計對應(yīng)力或空氣動力學(xué)特性的反應(yīng)，工程師過去需要以 3D 形式渲染其 2D 設(shè)計。隨后，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出到另一個應(yīng)用有限元網(wǎng)格的系統(tǒng)，并執(zhí)行應(yīng)力或流體分析。每個步驟都要耗費大量計算資源和時間。對設(shè)計進(jìn)行的任何更改都需要重新渲染 3D 模型，重新應(yīng)用網(wǎng)格并再次運行分析

另一方面，當(dāng)今的 CAD 軟件包則采用集成式仿真設(shè)計。這讓工程師只需點擊幾下鼠標(biāo)即可分析流體流動、冷卻、疲勞和應(yīng)力。隨后，他們可以嘗試設(shè)計更改，并立即重新分析經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計。

拓?fù)鋬?yōu)化又稱為創(chuàng)成式設(shè)計，進(jìn)一步推進(jìn)了分析的發(fā)展。工程師輸入一些基本參數(shù)，如要為零件使用的材料和制造方法，以及所需應(yīng)力、流體或熱傳導(dǎo)能力。隨后軟件會創(chuàng)建一系列設(shè)計，使用最少量的材料即可滿足規(guī)定的條件。

CAD 軟件包也整合了設(shè)計可視化。如今，軟件讓營銷部門能夠通過 CAD 數(shù)據(jù)創(chuàng)建出逼真的產(chǎn)品圖像，以填充產(chǎn)品資料。工程師和營銷人員都使用逼真的 2D 和 3D 圖像，以及動畫、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實仿真，支持產(chǎn)品的設(shè)計迭代和美學(xué)決策、收集客戶反饋并推廣產(chǎn)品。

制造工具

過去，CAM 程序員會在 3D 中渲染 2D 紙質(zhì)或數(shù)字化設(shè)計，從而創(chuàng)建 CNC 輪廓、工作流程、檢查文檔和其他產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 (PDM) 項目。如果更改了原始設(shè)計，那么就需要重新經(jīng)歷整個過程，而且往往造成將以往的工作成果丟棄不用。

現(xiàn)在，集成式軟件包可以讓設(shè)計更改自動填充到所有下游產(chǎn)品中，包括 PDM 系統(tǒng)。它們還可以模擬注塑、鑄造和機(jī)械加工等制造流程。通過軟件預(yù)測的成果，3D 打印等新技術(shù)也逐漸得到了充分的理解。

這些軟件包也允許工程師對整個生產(chǎn)線進(jìn)行建模，以確定潛在的效率提升機(jī)會。工程師可以仿真添加或更換新機(jī)械設(shè)備的情況，看看新機(jī)械設(shè)備如何融入工作流程以及是否適應(yīng)現(xiàn)有的空間限制。

協(xié)作工具

前幾代 CAD 工具需要將設(shè)計簽出才能保證進(jìn)行版本控制，因此每次只能有一名用戶使用設(shè)計。為了將設(shè)計提供給第三方供應(yīng)商使用，通常就意味著將其導(dǎo)出為另一種文件格式，然后通過 FTP 或物理介質(zhì)傳輸，而所有這些做法都會導(dǎo)致版本控制進(jìn)一步復(fù)雜化。每個設(shè)計修訂都需要存檔為紙質(zhì)藍(lán)圖或者通過微縮膠片進(jìn)行拍攝。

當(dāng)今 CAD 程序的用戶可以跨大洲或跨專業(yè)開展協(xié)作。基于云的 CAD 程序支持多用戶同步控制。使用 Web PDM 等工具可以更輕松地與合格的第三方共享設(shè)計數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，跟蹤查看情況，并提供版本控制。設(shè)計可以通過 CAD 格式以及加密 PDF，以電子方式進(jìn)行歸檔。

然而，對于協(xié)作助力最大的因素是覆蓋設(shè)計、制造、仿真、可視化、營銷和第三方計算機(jī)工具的用戶體驗無縫集成。由于上述每個群體都可交互使用的類似的工具，因此創(chuàng)意可以更容易地在不同公司、不同專業(yè)之間進(jìn)行傳播。

結(jié)論

CAD 和 CAM 程序已經(jīng)在過去的基礎(chǔ)上取得了長足發(fā)展，不再是僅限于專業(yè)終端和用戶的深奧工具。當(dāng)今的數(shù)字設(shè)計軟件集成了各種設(shè)計和制造活動，并將所有專業(yè)中的用戶連接在一起。其結(jié)果是產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化階段比以往更快、效率更高。