當今的大多數工程師都熟悉創建數字 2D 和 3D 設計的計算機輔助設計 (CAD) 工具，以及將這些設計帶入車間的計算機輔助制造 (CAM) 軟件。但事實并非總是如此。

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

到了 20 世紀 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 軟件包創建 3D 設計。然而，2D 圖紙仍然是設計和制造部門之間的主要交流工具。通常，2D 圖紙仍然由 CAM 程序員轉換為 3D 模型，以便在 3D CAM 程序中加工模型。

直到 20 世紀 90 年代后期，設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。這在模具設計和制造行業表現得尤其突出，設計師的 3D 模型與模具制造商的 3D 模具設計之間的緊密結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，計算機輔助設計和制造工具日益集成化。當今的工程師期待在整個產品生命周期中以 3D 方式開展工作。各公司也逐漸意識到，提高數字效率的重要程度至少與提高制造效率相當。因此，3D 設計軟件的創造者正在將更多的 CAD 和 CAM 功能集成到其軟件包中。

設計工具

在 CAD 工具問世初期，工程師們面臨著陡峭的學習曲線。當時的大多數年輕工程師在基于計算機的設計方面都經驗甚少，尤其是 3D CAD 的經驗更為稀缺。

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。這兩者結合在一起，可能需要高達每席位 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，當今的年輕工程師為應用 3D CAD 做好了更充分的準備。如今，臺式電腦擁有足以運行現代 CAD 軟件的強大計算能力，大多數工程師在畢業時就至少對常用軟件包和技術有所了解。

建立面向制造的設計的直觀感受仍然需要時間的積累。但是，現代軟件模塊可以根據一種制造方法和某些基本指導準則凸顯出一些潛在的問題區域。只需點擊幾下鼠標就可以查看這些問題區域，這不僅可以教育用戶，而且也能縮短設計周期，因為無需等待制造商或高級設計師的反饋即可糾正設計。

現代 CAD 軟件包還包含多種模塊，可讓用戶估算制造給定設計的成本。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商的報價。

仿真和可視化

為了分析設計對應力或空氣動力學特性的反應，工程師過去需要以 3D 形式渲染其 2D 設計。隨后，將這些數據導出到另一個應用有限元網格的系統，并執行應力或流體分析。每個步驟都要耗費大量計算資源和時間。對設計進行的任何更改都需要重新渲染 3D 模型，重新應用網格并再次運行分析

另一方面，當今的 CAD 軟件包則采用集成式仿真設計。這讓工程師只需點擊幾下鼠標即可分析流體流動、冷卻、疲勞和應力。隨后，他們可以嘗試設計更改，并立即重新分析經過優化的設計。

拓撲優化又稱為創成式設計，進一步推進了分析的發展。工程師輸入一些基本參數，如要為零件使用的材料和制造方法，以及所需應力、流體或熱傳導能力。隨后軟件會創建一系列設計，使用最少量的材料即可滿足規定的條件。

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

制造工具

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

現在，集成式軟件包可以讓設計更改自動填充到所有下游產品中，包括 PDM 系統。它們還可以模擬注塑、鑄造和機械加工等制造流程。通過軟件預測的成果，3D 打印等新技術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線進行建模，以確定潛在的效率提升機會。工程師可以仿真添加或更換新機械設備的情況，看看新機械設備如何融入工作流程以及是否適應現有的空間限制。

協作工具

前幾代 CAD 工具需要將設計簽出才能保證進行版本控制，因此每次只能有一名用戶使用設計。為了將設計提供給第三方供應商使用，通常就意味著將其導出為另一種文件格式，然后通過 FTP 或物理介質傳輸，而所有這些做法都會導致版本控制進一步復雜化。每個設計修訂都需要存檔為紙質藍圖或者通過微縮膠片進行拍攝。

當今 CAD 程序的用戶可以跨大洲或跨專業開展協作。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計數據，從而減少數據傳輸，跟蹤查看情況，并提供版本控制。設計可以通過 CAD 格式以及加密 PDF，以電子方式進行歸檔。

然而，對于協作助力最大的因素是覆蓋設計、制造、仿真、可視化、營銷和第三方計算機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，因此創意可以更容易地在不同公司、不同專業之間進行傳播。

結論

CAD 和 CAM 程序已經在過去的基礎上取得了長足發展，不再是僅限于專業終端和用戶的深奧工具。當今的數字設計軟件集成了各種設計和制造活動，并將所有專業中的用戶連接在一起。其結果是產品生命周期的數字化階段比以往更快、效率更高。