什么是CAD?

Artec 3D扫描以最佳精度捕获图像，用于复杂的CAD设计

计算机辅助设计作为一款前沿和普遍的产品迭代工具，您可能以为它是最近才被发明的。恰恰相反，早在1957年，Patrick Hanratty博士就用第一套商用数控系统“PRONTO”奠定了计算机辅助设计的基础。

六年后，Ivan Sutherland又推出了SketchPad，这是一款突破性的机器，首次实现了人机交互。虽然Sutherland的设备仅支持弧线和线段等基本元素，但它却能在屏幕上绘制出前所未有的机械设计，成为未来CAD系统的先驱。

不久之后，各公司开始推出自己的CAD程序。利用Hanratty提供的代码，麦道公司于1967年推出了用于零件布局和几何形状的计算机软件。虽然该公司后来与波音公司合并而消失了，但MicroGDS CAD平台却非常成功，一直沿用至今。

几十年来，CAD一直是研究的热门话题。Computervision作为该行业的早期主要参与者之一，由Ken Versprille博士于1975年开发了NURBS（非均匀有理b样条）。现在，NURBS已成为3D建模的主流，能够创建具有曲面的复杂CAD模型。

从那时起，CREO首次将参数化建模等技术实现商业化，这些进步改变了CAD的使用方式——能够根据预设参数对模型进行调整。例如，如果某些功能需要修改，只需调整初始草图中的模型参数，就足以重新计算并完全重塑模型。

最近，计算机辅助设计技术也在不断与3D打印和扫描技术融合，新功能不断使这些技术更加紧密地结合在一起。

从广义上讲，不同类型的CAD可分为实体、线框和表面模型。虽然其他方法也值得一提，但大多数都属于这三类。

实体建模非常适合将线条、拱形、球体和立方体等原始形状组合成复杂的模型，同时保持可计算的对象体积。这样，设计人员就可以不断验证构建模型，确保能够进行制造。

相比之下，线框建模只描绘模型的边缘和拐角表面，使其制作更加精细。在技术层面上，这是通过将模型表示为由“面”连接的顶点来实现的，可以通过修改“面”来改变顶点的位置，并在物体外部创建表面。

CAD技术的进步不断超越设计极限

最后，通过表面建模，用户能够通过一系列引导线或控制点来建立模型。然后通过CAD平台计算出最平滑的方法，将这些点连接起来形成表面。由此可见，这种方法的无缝、流动表面焦点使其成为汽车和航空航天建模的理想选择—其中的关键正是气流。

其他方法，例如生成设计，有可能消除人为错误。设计师现在可以利于AI来解决设计问题，无论这些问题与重量、成本还是性能有关，AI都能提出解决方案。他们只需输入所需的参数，剩下的就交给算法了。

AI并不是CAD领域唯一掀起波澜的先进技术。通过3D扫描，现在不仅可以实现设计步骤的自动化，还可以通过数字化现有产品将其作为未来实物原型的基础，从而完全简化一些设计步骤。

这就是3D扫描如何融入3D CAD设计方式。但是，一旦获取了所需的数据，该怎么办呢？您能够直接在CAD软件上编辑扫描结果吗？

是的，不是立刻。首先，需要将扫描数据转换为实体3D模型，由于连接网格和模型的桥梁“扫描到CAD”程序的进步，这一工作流程变得越来越轻松。

扫描到CAD只需几个步骤，但结果却不言而喻

Artec Studio是启动这一工作流程的绝佳平台，它简化了扫描数据的采集和处理，将某些步骤简化为单击即可完成。几何和纹理跟踪算法可确保工程师捕捉到精细的零件，而平台上不断增加的布尔运算工具包则可用于增强网格，例如加厚可能破损的表面。

Artec Studio为您提供准备网格和执行基本逆向工程任务所需的一切。在该平台上，您能够移动和偏移面以进行修改，使用倒角和圆角工具增加抛光效果，并通过添加、减去图元或与其他模型相交来创建新的形状，所有这些都能在一处完成。

Geomagic for SOLIDWORKS等程序加快了将高度抛光的网格转化为CAD模型的过程。该插件可直接添加在您的SOLIDWORKS工作区，并提供从扫描数据创建实体、可编辑模型所需的特征提取工具。如果您想在熟悉的界面中快速、轻松、准确地修复或编辑现有设计，该程序是Artec Studio的理想伴侣。

对于密集型逆向工程，先进的Geomagic Design X具有更全面的扫描到CAD工具集。通过精确的曲面设计，可以重建复杂的自由形状，然后利用平台的修补功能即时添加紧贴物体轮廓和曲线的曲面体。

Geomagic开发了业界功能最强大的扫描到CAD平台

涉及到2D和3D草图，Design X为基于扫描的快速工程设计提供了完美的基础。自动草图可用于加速几何图形提取，并可配置为自动将形状拟合到折线实体，以满足所需的参数要求。其他工具，如放样和扫掠，也能轻松将截面混合成无缝表面。

总的来说，现在CAD与扫描到CAD程序之间有许多重叠，许多传统设计平台都集成了3D扫描友好功能。让我们来看看其中最受欢迎的几款软件，它们提供了哪些功能，以及它们的最佳应用。

产品设计

尽管迭代是确保各行各业产品质量的必要条件，但其中许多应用都有一个共同点：依赖CAD。在某些领域，最初的设计可能仍需通过传统的绘图来勾勒，但过去那种冗长的草图迭代过程会延误产品的推出，而现在这种过程已基本被搁置。

在广泛使用传统草图的汽车行业，CAD 设计正在占据主导地位

除了加快原型设计的速度外，CAD的引入还帮助克服了比例图有关误读和共享的问题。设计数字化和CAD的普及也开启了从前无法想象的自动化和协作水平。

CAD的出现不仅改变了产品设计的方式，还开辟了全新的途径。以前，预览早期设计需要制作和运送模型。现在，像豪华家具公司Sherrill Furniture这样的企业能够在几分钟内通过3D扫描将家具数字化，并利用这些数据每周制作出几十件用于定制和3D可视化的CGI休闲用品。

这一切得益于快如闪电3500万点/秒的Artec Leo。凭借一键扫描功能和亚毫米级的3D扫描能力，Leo能够在拥挤展厅中，快速、轻松地捕获复杂、纹理丰富的家具，同时还能在其他方面实现应用，我们将在下文进行探讨。

工程设计

CAE是CAD真正为机械工程师派上用场的地方——作为机械零件和组件投入生产前对其性能进行分析的手段。与产品原型设计类似，CAE能够让制造商模拟产品的工作原理，从而避免浪费。

然而，工程设计需要完全不同的仿真工具集。Autodesk已经通过Inventor认识到了这一点：该平台将手动绘图要素与静态模态应力分析工具相结合，用于测试产品是否能够承受设定的负载。

此外，西门子还提供Simcenter FLOEFD CAD嵌入式计算流体动力学（CFD）软件。通过CFD模仿，可以预测空气和水等流体在模型周围的流动情况，进而预测如何疏导流体，使模型更符合空气动力学性能。这在公路自行车等领域尤为重要，最大限度地减少空气阻力是获得第一名的关键。

英国模拟公司Vorteq利用Leo和超精确的Artec Space Spider捕获的数据，将这一方法提升到了一个新的水平，打造出了世界上最快的公路自行车。Leo的速度和无线便携性加快了对比分析的捕获速度，0.1毫米分辨率的Space Spider所捕捉到的细节，使得通过自行车车架的摩擦力能够通过CFD进行建模。

随着多体动力学分析（用于检查连接体的行为方式）等其他功能在许多平台上的应用，细节工程显然仍是CAD设计中最令人兴奋的领域之一。

汽车

在汽车领域，手绘汽车设计背后的艺术性仍然有着旺盛的生命力，只不过CAD建模引领其迈入了21世纪。设计过程往往仍从草图开始，但工程师们已开始将草图转化为虚拟设计，在CAD平台上以数字方式绘制，并利用生成的模型创建真人大小的原型进行测试。

许多汽车改装公司都会采集现有模型，然后对所需的改装进行数字化设计

概念设计的数字化提高了设计过程的精确度，使用户能够确保设计符合预期并能正常运行。它还能生成可输入模拟的模型，以确定部件或组件在负载下的性能。无论是空气动力负载还是物理负载，其结果都可用于分析设计的安全性和性能。

通过3D扫描，现在可以从真实世界的物体中逆向设计出此类模型，其速度之快、精度之高，可用于产品迭代。过去，SNAG Racing Rallye车队曾成功使用高度灵活的Artec Eva——久经考验的中型纹理部件数字化解决方案——从而实现目标。

从纸质建模转向3D扫描设计为拉力赛车升级，使它们能够提高强度、速度和机动性，同时实现降低生产成本和缩短交付周期。

建筑

CAD被用于设计各种形状和大小的建筑，一般是通过专用软件来实现的。就像产品草图一样，建筑设计和项目管理的数字化使反复修改（客户要求的修改）成为可能，而土木工程师无需重头开始。

与CAD相比，建筑信息模型（BIM）更常用于建筑设计，建筑师也可以通过这一过程预览建筑外观效果。ArchiCAD等流行软件包甚至能帮助室内设计师在动工之前就生成逼真的视觉效果，或者提前进行房地产营销。

长距离3D扫描将设备数字化并提高现场效率

由于建筑业施工各方的相关者众多，BIM同样是一款重要的场地规划工具。从本质上讲，BIM建模有七个协作等级，第一个等级是2D图纸，最后一个是将2D图纸转化为3D模型并与所有相关人员共享。由于BIM可促进高效的工地规划和成本计算，因此被视为最前沿的工具。

牙科&医疗

CAD在牙科领域也得到了蓬勃发展，不过它更多地用于定制种植体的制造，而不是纯粹的设计工具。Dental CAM通过印模或扫描患者的口腔，对牙齿进行3D建模，并以此为基础制作修复体。

在20世纪80年代牙科CAD/CAM技术得到广泛应用之前，为患者制作特定的牙冠、种植体或假牙需要跑几次牙医诊所，然后再将模具送去生产。现在，牙医可以在内部进行制造，使用3D扫描以高精度捕获患者的微笑，从而开发出完美贴合的牙种植体。

种植牙中心（Center for Implant Dentistry）就是这样一家诊所，它开发了将超精确的全彩Space Spider扫描与口内扫描相结合的方法，制作出了极其逼真的牙齿模型。不仅加快了种植牙的设计过程，还让患者可以预览自己的新笑容，自此，该诊所的认可度一路飙升。

不出所料，由于将CAD输出转化为STL文件非常容易，3D打印也正在成为外部采购的流行替代方案，并且将这两种技术结合起来从而实现更高精度的牙科效果具有巨大的潜力。

在医疗保健领域，3D打印也已开始起步，目前正在继续努力将CAD集成到标准的“DICOM”临床数据格式中。预计CAD在医疗领域的进一步应用将使石膏与假肢的定制变得更加容易，并通过生物建模推动手术规划和药物设计向前发展。