CAD（计算机辅助设计）是将设计转化为可制造状态的工具。同时也是设计师和工程师将概念草图转化为三维模型的重要软件环境，这些模型经过可视化、优化和模拟后，可以直接进行 3D 打印或使用传统制造工具进行生产。
历经数十年发展，CAD 程序的核心基础已经扩展到数十种可行替代方案中，每种方案都有其优缺点、建模方法细分用途。让我们共同了解一下这些产品，以便您在选择能够伴随您职业生涯的虚拟工作环境时，能够做出正确的选择。
什么是 CAD 软件？
计算机辅助设计 (CAD) 是一种以数字方式创建 2D 图纸和 3D 模型的方法，广泛应用于许多行业并已经取代了手工绘图。CAD 软件工具使设计师能够探索设计思路、轻松修改设计、通过渲染将概念可视化、模拟设计在现实世界中的性能、起草文件、共享设计以获得反馈等，从而促进创新，使公司能够更快地将产品推向市场。
CAD 软件诞生于 1959 年，麻省理工学院的研究员 Doug Ross 开发了一个程序，以支持其团队在计算机上绘制电子电路图，从而发掘了快速修改和探索的潜力，在此之后“计算机辅助设计”一词应运而生。
到 20 世纪 80 年代初，CAD 已融入有经济实力的汽车、航空和消费电子产品制造商的工作流程。20 世纪 90 年代，实体建模引擎的边界表示功能得到增强，这是一种可以更加一致地通过边界和相互连接来描述虚拟对象的方法。目前广为人知的 SolidWorks（1995 年）、SolidEdge（1996 年）和 Autodesk Inventor（1999 年）系统均采用了这种方法。
2000 年代出现了 FreeCAD 等开源 CAD 系统。此外，各种 CAD 程序还开发出了新的功能和模块，使设计师不仅能开发实物产品，还能对其进行渲染、动画和模拟，以及将产品开发集成到项目管理和产品生命周期管理 (PLM) 的总体流程中。
最新的 CAD 软件系统基于云，使开发人员能够通过不同的工作站对同一模型进行协作，并将生成设计、模拟和渲染等密集型算法委托至云端。高级仿真功能可以根据众多机械性能对设计进行测试，耗时仅数小时而非数天。衍生式设计使计算机变为共同创造者，利用人工智能提出最佳形状建议，以解决特定的机械问题。
在整个产品开发过程中集成 CAD 有以下优势：
-
快速概念开发：可精确绘制概念设计，用于实现早期可视化效果并 3D 打印快速原型。
-
专业化：在整个组织中推广 CAD 有利于开发特定的认知，从而就如何将特定部件引入制造准备阶段达成共识。
-
可视化：使用最先进的 3D 渲染、动画和虚拟现实体验来展示正在制作的作品，便于客户和目标顾客体验，并留下深刻印象。
-
优化：在虚拟环境中可以更快地发现故障和缺陷并加以优化。利用具有精确公差的机械图纸，可以弥合设计意图和制造现实之间的差距。
-
快速制造：利用 CAM 系统和快速制造技术，可以更快地将产品投入生产。
桌面级立体光固化 (SLA) 3D 打印介绍
您是否在寻找一台 3D 打印机以制造高分辨率的 3D 模型？下载我们的白皮书以了解 SLA 打印的工作原理，以及为什么 SLA 打印是可创建具有完美细节模型的最热门 3D 打印工艺。
CAD 的用途
传统上，CAD 软件系统会生成一组机械图纸，告知工厂产品的生产方式，以及制造技术、材料、模具加工和所需的公差。而现在的功能更加丰富：
-
为内部演示和营销材料创建逼真的效果图
-
BOM（物料清单）集成，用于管理装配中的所有部件以及成本估算。
-
从不同供应商的链接数据库中直接导入标准机械部件和/或装饰元素
-
在设置一些基本参数后，从部件推导出注射模具设计
-
协助设计和模拟钣金件、焊接框架和复合材料部件
-
应力和屈曲分析 (FEA)、跌落试验模拟以及衍生式设计 (GD) 生成的优化建议
-
注射成型的模流分析
-
热、振动和空气动力学分析
-
装配运动分析和干扰检测
-
利用可活动 3D 人体模型进行人体工学分析
-
根据 3D 模型对模切图进行曲面展开
-
嵌套算法，用于优化激光切割机或 3D 打印机 2D 床面上的部件布局
-
为珠宝设计自动镶嵌宝石
-
织物和充气产品仿真
-
PLM 系统用于管理装配、部件版本历史记录、发布、工程变更、文件格式、元数据、成本估算、销售商和供应商、协作、访问控制、修订控制、制造流程规划以及相关部件文件、文档和演示文稿
-
高级几何尺寸和公差 (GD&T)，以传达设计意图并优化制造流程。
-
直接导入用于逆向工程的 3D 扫描数据
-
为 3D 打印准备模型
-
纹理映射和绘制，用于艺术、视频游戏、电影和全彩 3D 打印
CAD 软件系统的类型
在更纯粹的专业领域中，CAD 通常是指参数化系统，其中具有历史树和高级功能，可处理高度受限的复杂装配，而 3D 软件则主要用于生成可视化或艺术用途的模型。在本文中，我们使用 CAD 来指代任何可以为注射成型、热压成型或 3D 打印等制造工艺生成可行 3D 模型的程序。最终，参数控制量本身就是程序的一个参数，设计师可自行决定是否采用。
自由曲面建模软件或虚拟粘土雕刻软件提供的尺寸控制最少，用户可以在基础网格对象中绘制形状，在没有任何数值约束的情况下自由修改。最重要的例子是 ZBrush 和 Mudbox。
在多边形建模（也称网格、线框或盒子建模）中，用户同样从基础网格开始，但并非粗略雕刻形状，而是通过对网格元素（顶点、边和面）进行操作来变形。此外，修改器/变形器还可以对整个形状进行修改，如弯曲、扭曲、平滑和变形。这就为设计师提供了一些数值控制功能，尽管模型的各部分彼此不相关。Wings3D 是一款免费软件，但 3D Studio Max、Maya、Blender 和 Cinema4D 等盒子建模软件也具有高级动画和渲染功能。
实体建模是针对可制造模型进行 3D 设计的最简单方法。从一开始，即可将虚拟设计视为可制造的实体对象，然后用户使用构造实体几何 (CSG) 技术添加或去除材料。SolidWorks 和 SolidEdge 等程序支持在模型的各个部分创建草图，然后拉伸或绕轴旋转，以新建特征。
曲面建模软件将虚拟对象视为一组曲面，只有在这些曲面四周完全连接时，模型才能称为“密封”，并随后转换为实体，并可准备用于 3D 打印等生产过程。创建者首先要创建草图，然后在轨道上扫掠草图、绕轴旋转或向其他草图进行放样。然后，曲面可以相互组合和修剪，以创建复杂的部件设计。曲面可以相切，即一个曲面直接与另一个曲面顺畅连接。这称为 G1 连续。但是，如果切线的变化在整个曲面上也保持一致，则称为曲率连续或 G2 连续。Alias、Creo 和 Rhinoceros 等程序提供 G2 范围内的高级曲面建模功能。当曲率变化也必须保持光顺连续时（例如在空气动力学优化中），这就是 G3 连续，设计师实现 A 级曲面，这只有 CATIA 等最先进的软件系统才能胜任。在选择曲面建模软件时，务必了解其背后的引擎是基于 NURBS、Bézier、T-Splines 还是过时的 Coons 类型定义。
与直接建模软件相比，参数化建模软件可支持设计师完全控制建模过程。可以根据一组决定其大小、形状和位置的尺寸和约束条件来创建每个特征。这些元素相互叠加，即可创建反映模型构建方式的历史模型树。其中，设计师会更直接地处理驱动设计的参数，而非几何体本身。因为可以对部分设计进行编程或编写脚本，从而丰富了工作流程，为产品定制化的纹理、图案和版本提供了巨大的创新空间。参数化建模软件可以最大限度地利用 CAD 技术，但也要时刻评估参数化建模是否会不利于概念探索。在创作过程中，参数化步骤往往进行得过早。CATIA、Creo 和 OnShape 都具有高级参数化建模功能。虽然 Rhinoceros 是一款直接建模软件，但其插件 Grasshopper 则是将参数化控制融入流程的最佳范例。在 OpenSCAD 中，所有几何体均在单独的窗口中编码，而不是直接绘制在虚拟空间中。Antimony 虽类似于 Grasshopper，但以更直观的基于节点的流程图取代了文本脚本。甚至 SolidWorks 也支持使用电子表格文档作为输入定义来进行一些数据驱动控制。
在衍生式设计 (GD) 中，由计算机生成超出人类设计师视野范围的复杂结果。设计的定义可以通过手动调整输入数字来改变，模型也会相应更新。也可以部分或全部由人工智能完成，其中人工智能通过递归和进化来强化 3D 建模过程，从而达到拓扑优化中的最佳形状。
目前大多数 CAD 系统都是混合系统，它们根据特定行业或产品类型的需求，包含多种 CAD 建模方法的各种方面和工具。SolidWorks 和 Cobalt 最擅长实体建模，但也提供惊人的曲面功能。CATIA、Siemens NX 和 Creo 既有高级实体和曲面建模功能，也提供完全参数化的自由曲面建模选项。Blender 支持在单一环境中进行多边形建模和雕刻。SelfCAD 和 Fusion360 将网格建模与实体建模相结合。甚至 ZBrush 也属于混合系统，除了可以处理一块虚拟粘土外，它还提供出色的多边形建模工具。
在硬件方面，强大的 CPU、GPU 和更大的 RAM 内存是必备条件，尤其是对于参数化 CAD 软件和非云计算系统。投资专用于 3D 设计的控制器或鼠标也大有裨益。
衍生式设计简介：利用 3D 打印生产轻量化部件
在本次网络研讨会中，Formlabs 产品营销主管 Jennifer Milne 将以机械部件的设计为例，简要介绍衍生式设计的原理，包括使用 Fusion 360 制作轻量支架的分步教学。
按行业分类的 CAD 软件解决方案
CAD 软件最初属于精英商品，只有航空航天和汽车行业的大型公司才能使用，但在过去几十年中，即使是最小规模的公司也开始广泛使用。以下是各行业及其虚拟软件概览：
| 行业 | 软件 |
|---|---|
| 汽车 | CATIA、Siemens NX、Alias、Creo、Rhinoceros |
| 建筑 | AutoCAD、Revit、ArchiCAD、Microstation、SketchUp、Rhinoceros+Grasshopper |
| 牙科 | 3Shape、exocad、CEREC、OrthoCAD、PlanCAD、Ceramill Mind、Zirkonzahn、Maestro3D、RealGUIDE |
| 工程和产品设计 | SolidWorks、Onshape、Creo、Siemens NX |
| 家具 | Cobalt、SolidWorks、Rhinoceros |
| 时尚 | Marvelous Designer、CLO |
| 鞋类 | Modo、ICad3D+、MindCAD、Geomagic Freeform、Blender、Rhinoceros |
| 室内设计 | Homestyler、HomeByMe、Virtual Architect、FloorPlanner、RoomStyler |
| 珠宝 | 3Design、ZBrush + GemCut Pro、 Rhinoceros（+ Grasshopper、Matrix、2Shapes、Weaverbird、Peacock 和 Lunchbox 插件） |
| 制造 | Inventor、SolidEdge、SolidWorks |
| 创客空间 / 3D打印 | ZBrush、Mudbox、Fusion360、MeshMixer、Rhinoceros + Grasshopper |
| 医疗 | SolidWorks、Inventor、Siemens NX、Spaceclaim、Rodin4D Neo、Adept、Within Medical |
| 模型制作和娱乐 | Maya、3D Studio Max、Houdini、Modo、Cinema4D、Blender、Daz3D |
| 景观美化 | Vectorworks Landmark、LandFX、Rhinoceros + Lands Design、SketchUp |
| 研究和教育 | SelfCAD、TinkerCAD、3DBuilder、SketchUp、BlocksCAD |
| 虚拟现实 | Maya LT、3D Studio Max、Creo、SketchUp |
如何选择 CAD 环境
人们总是倾向于根据具有一定吸引力或新颖性的功能来选择 CAD 软件。但是，最重要的是要评估这些功能是否确实具有颠覆性、是否进行了根本性创新，或者是否只是具有边际价值的渐进式改进。
能否满足产品所需的复杂性对于虚拟工作区的选择至关重要。您的产品是否需要进行高级表面处理，如曲率组合、软质产品的曲面展开或如渐变过渡等图案特征？是否需要壁增厚、所有尺寸的参数控制或包含 100 多个部件的高级装配设计等高级功能？
在将 CAD 工具添加到开发流水线时，切勿低估文件格式的兼容性。如果文件格式不匹配，可能需要一段时间才能确保格式之间无任何损失。
其次，除了部件设计之外，还要考虑整个工作流程所需的复杂性。程序是仅用于实现纸上概念图的技术转换，还是也用于创造性探索？生产过程中是否需要进行机械分析？公司是否会生产同一产品的多个版本，或同一系列产品中共用的相同部件？是否需要对部件进行彻底修改，从而控制整个历史树？是否可能使用云存储或网络渲染，还是一切都要依赖本地服务器和工作站？3D 打印原型或成品部件的频率如何？
在做出购买决定之前，最好对软件试用版进行为期数周的评估。以便检查软件对计算机 CPU 和 GPU 的负荷情况、是否足够强大或仍然存在错误（甚至导致崩溃），以及文件管理的工作方式。
然后，检查该软件是否是当地教育课程的标准组成部分。如果公司的设计或工程团队很可能并不熟悉该软件，那么就要考虑用户界面是否足够直观，且便于轻松学习从而迅速进入项目。图形用户界面是否可定制，以满足初学者和专家用户的需求，并是否为最常用的命令提供即时快捷方式？
最后，由于高级 CAD 系统越来越昂贵，在某些情况下有必要考虑一些免费或经济实惠的替代方案。DesignSpark 是 AutoCAD 的免费替代软件。除了 ZBrush，还有免费的 ZBrushCoreMini 和 Sculptris。Blender 完全免费，其效果可与 Maya 和 3D Studio Max 相媲美。如果觉得 Blender 的复杂性较高，Wings3D 也是一款简单易学、同样免费的多边形建模工具。SolidEdge 是 NX 的简化衍生工具，虽然 SolidWorks 的先进程度和全面性略微不足，但在很多情况下与 CATIA 一样好用。FreeCAD 是免费开源软件，便于想深入学习基于特征的建模的人员入门。
以下是一些精选 3D CAD 软件在最重要标准方面的评分：
| 雕刻 | 多边形 | 实体 | 曲面 | 参数化 | 功能 | 可扩展性 | 用户体验 | 价格 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3DBuilder | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ |
| Blender | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★★★ |
| CATIA | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ |
| Creo | ☆☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| FreeCAD | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★★★ |
| Fusion 360 | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| MeshMixer | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| NX | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ |
| Onshape | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ |
| Rhinoceros | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★☆☆ |
| SelfCAD | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ |
| SketchUp | ☆☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ |
| SolidWorks | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ |
| TinkerCAD | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| ZBrush | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★☆☆☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ☆☆☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ |
前五项评分主要涉及每种建模样式的特征深度和鲁棒性。通用性基于程序的不同用例和适用应用的数量。可扩展性是指从概念到制造阶段处理不同类型模型的能力、管理复杂装配的能力，以及建立具有互连部件和文档的整个产品线的能力。用户体验结合了图形用户界面的用户友好性和学习难度。
CAD 软件程序比较
在本节中，我们将按用户类型对不同的 CAD 程序进行比较。其中包括适合初学者、学生、专业设计师和工程师、大型企业以及 3D 打印的最佳 CAD 软件。
初学者的最佳 CAD 软件
SelfCAD
开发者：CrossBrowser3D
发行时间：2016
平台：全部、浏览器内
适用于：教育（初中/高中）、3D 打印
售价：599 美元或免费简化版
SelfCAD 是一种基础浏览器内直接建模环境，可满足用户想要体验 3D 领域的需求。该软件提供了多种始于对象的选项，用户可以对这些对象进行修改、雕刻或与其他对象组合。SelfCAD 支持通过绘制草图和拉伸、旋转或放样这些草图来进行参数控制。用户可以导入 SVG 图像，进行自定义拉伸。在相当直观的用户界面中，可以为单边添加圆角和倒角等细节，并可随时观看视频教程。
免费版本包括一套基本的建模和雕刻工具、MyMiniFactory 数据库集成和一个用于半专业可视化的渲染引擎。付费版每年 140 美元，永久许可证 599 美元，包括网格修改器、3D 草图、文件导入/导出、基本动画、ImageTo3D 和 3D 打印支持。
SelfCAD 的用户界面极具吸引力，并配有工具提示，可提供初级建模命令。
TinkerCAD
开发者：Autodesk
发行时间：2011
平台：所有支持 WebGL 的浏览器
适用于：教育（小学/初中）、3D 打印
售价：免费
TinkerCAD 是 Autodesk 123D 的后继版本，操作简单，即使是最年轻的用户也能轻松学会 3D 建模。从图形库开始，使用标准图元并在此基础上进行构建，然后可以精确旋转、移动和重新缩放，最后移至预定位置。诚然，这种虚拟块构建方法会导致形状的简单化，但优势在于用户界面简单易学，能激发年轻人的创造力，从而获得令人耳目一新的效果。
TinkerCAD 可在浏览器中使用，支持云存储且完全免费。形状库包括标准图元、铰链和球窝关节，用于制作可移动部件，以及可 3D 打印史密森国家自然历史博物馆的化石和展品。
TinkerCAD 通过简单的构建块和趣味性对象库便于用户初次尝试 3D 建模。
学生和专业人士的最佳 CAD 软件
Rhinoceros
开发者：Robert McNeel & Associates
发行时间：1998
平台：Windows、macOS（功能有限）
适用于：部件设计、自由曲面、鞋类、3D 打印、数据驱动设计、珠宝
售价：995 美元；195 美元（学生版）
对于任何希望涉足专业 3D 建模领域的人员而言，Rhinoceros 是一种最佳入门工具包。其教程和用户界面从一开始就很高级。鉴于该程序提供了无限的建模功能和工具集，这是不可避免的。随着用户不断积累专业知识，他/她对热键和文本输入法的熟悉程度也会提高，这会大大加快工作流程。Rhino 的另一个出色功能是图层。这支持对特定的选择集进行分组，并以不同的颜色显示，从而提高了组织水平。
Rhino3D 是一款基于 NURBS 的自由曲面建模工具，特别适合使用复杂曲面组合、双轨扫掠和虚拟面过渡来创建复杂的作品或图形。该软件还可用于产品设计、珠宝、鞋类和汽车表面处理等专业领域。该软件的独特之处在于其活跃的在线社区和可用的第三方插件，这些插件将其用途扩展到了建筑、3D 打印和景观设计等领域。
最著名的 Rhino 插件是 Grasshopper3D。在单独的窗口中，Grasshopper3D 具有基于节点的流程图界面，可通过脚本制作甚至是模拟复杂的模型和样式。通过名为“烘焙”的过程，可以将这些模型和图案传输到 Rhino 视口。Grasshopper 本身提供数十种插件，可以实现几近无限的功能。包括用于珠宝设计的 Matrix 和 Peacock、用于平滑网格的 Weaverbird、用于迭代反馈循环的 HoopSnake 和 Anemone、用于基于物理的模拟的 Kangaroo、用于排版的 Lunchbox、用于结构分析和优化的 Millipede 以及用于矢量场映射的 Nudibranch。Grasshopper 模型很难做到无懈可击，在 3D 打印之前需要在 Rhino 中进行大量返工。
Rhinoceros 学生版只需不到两百美元，而普通版本则需要近千美元。Grasshopper3D 和大多数重要插件均可免费下载。
Grasshopper3D for Rhino 是复杂几何图形生成的一流工具。
Fusion 360
开发者：Autodesk
发行时间：2013
平台：Windows（64 位）、macOS
适用于：产品/部件设计、创客空间、3D 打印
售价：每年 495 美元；学生和初创企业可免费使用
Fusion 360 是 Autodesk 基于云的 CAD 解决方案，学生和初创企业可以完全免费使用该软件。可根据参数定义模型，程序包括历史树的简化版，也可将其禁用以使用直接建模方法。现代化用户界面包含了七个工作区。在设计工作区，可以使用实体和曲面几何的基本运算符创建部件。与其他软件一样，该软件也有检测和装配设计工具，尽管工具包已缩减到最基础程度。还可以从 McMaster-Carr、3M、ABB、Bosch、Essentra、Fabory、Farnell、Lego、NXP、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Siemens 等数百家供应商的库存中导入标准部件。
在仿真工作区中，可以对部件进行机械应力、振动、热性能、屈曲载荷和冲击事件测试。还包括形状优化，便于设计师利用人工智能，在特定载荷情况下找到最佳形状。输出结果为复杂部件，可以转换成 B-rep 并使用多边形建模工具进一步开发。
衍生式设计工作区是付费订阅部分，类似于形状优化。它不仅结合机械载荷情况，还可以包含多个不同的输入参数，并根据特定材料和制造技术创建多个输出变体。其他三个工作区包括基础动画、渲染和生产图纸。基于云端的 CAD 平台的主要优势在于，可在网络中执行资源密集型操作，而不必依赖于本地工作站的处理能力。
正如我们的教程所述，Fusion 360 非常适合创建可打印的 3D 部件，并可与 Formlabs 3D 打印机直接集成。
Fusion 360 具有直观的用户界面和初级 3D 设计师所需的所有基础知识。
SolidWorks
开发者：Dassault Systèmes
发行时间：1995
平台：Windows
适用于：产品设计与工程、大学教育、家具、医疗
售价：3995 美元 + 1295 美元/年；学生版 99 美元/年
SolidWorks 是全球使用最广泛的专业 3D CAD 软件。但众所周知，该软件无法直接建模。无法进行拖动、雕刻或以任何其他方式直接操作。在基于约束的建模环境中，所有特征及其参数都保存在历史树中。从第一张草图开始，设计师就需要输入数字，将草图锁定在预定位置，并确定草图与其他设计元素的关系。装配也是如此。部件间和子装配间彼此紧密相连。部件约束定义了产品几何形状和制造意图，而装配约束则决定了部件在装配中的移动方式。
这种建模方式的主要优点是：在更新和修改时，模型会随着设计要求的变化而动态更新。一旦掌握了这种方法，建模过程就会变得越来越直观。这种功能强大的建模方式需要精心的规划和严格的程序化工作方法，而无需更多探索性方法。该软件的缺点之一是，当部件未能正确约束或曲面由多条复杂的输入曲线组成时，特征树中就会出现错误。甚至在重新加载同一部件时也会出现这种情况，导致历史树亮起红色警告，就像一棵圣诞树一样。在最糟糕的情况下，对于庞大的装配，错误处理可能花费数天时间。
SolidWorks 不仅提供强大的实体建模功能，还提供曲面工具，如放样、单轨扫掠、边界曲面、填充、曲率圆角、加壳和曲面平展等。除了部件设计模块，SolidWorks 还提供高级装配设计、钣金设计、机械模拟、模流分析、3D 扫描数据导入和逼真渲染等功能。尽管有评论称 SolidWorks 不能修改用于 3D 打印的网格文件，但它能很好地根据实体或曲面模型导出 STL 文件，即使这些文件需要一些后期优化。有关该软件功能的更多信息，请阅读我们的 SolidWorks 3D 打印教程。
SolidWorks 专业版需要数千美元的前期投资和超过一千美元的年费，而对于学生版，整个软件包的年费仅为一百美元，而且通常可以通过教育机构免费获得。
SolidWorks 可为复杂建模提供充足的工具，同时在工程和制造阶段严格定义部件和装配。
OnShape
开发者：PTC
发行时间：2012
平台：iOS、Android、Linux、macOS、Windows
适用于：产品和部件设计
售价：1500 美元/年，教师和学生可免费使用
Onshape 基于云计算，由 SolidWorks 的联合创始人创立，有望为 21 世纪 CAD 领域带来颠覆性改变。该软件尚不具备 SolidWorks、Rhino 或 Creo 的高级曲面建模功能，但随着不断更新，新功能也在相继增加。Onshape 所提供的功能包括：从多个工作站（包括智能手机和 Mac 上的浏览器）进行同步协作、使用 FeatureScript 实现任务自动化、钣金工具、内容库、模具设计向导、分析、版本控制以及保存选择集的可选功能。
除此之外，作为一款基于约束的参数化建模工具，它可以媲美于 SolidWorks。更改特征会随之更改下游的所有相关特征，甚至是生产图纸。它在组织（可能由表格驱动）部件间关系方面表现出色，可实现经优化的多部件设计，并为参数化设计体验设定了更高的标准。
OnShape 可在多台设备上同时运行，其参数化设计功能堪称完美。
ZBrush
开发者：Pixologic
发行时间：1999
平台：Windows、macOS
适用于：美术、游戏设计、3D 打印、珠宝
售价：免费；每年 895 美元或 360 美元
如需制作 3D 打印技术所擅长的复杂几何形状，设计师可以求助于衍生式解决方案（如 Grasshopper3D），也可以选择雕刻环境。在后一类解决方案中，ZBrush 仍然拔得头筹。其全面的工具集可为用户提供愉悦高效的工艺过程。如果设计师计划创建肢体，可以使用专用笔刷从身体中拉出。此外，设计师还可以从内置库中添加现成肢体。网格拓扑结构可以根据每个特定区域的正确细节层次 (LOD) 进行完善。可以调整折痕和捏合工具，以获得恰到好处的效果，这在复杂的雕刻（如逼真的肖像）中至关重要。还可以创建自定义笔刷，以快速实现三维纹理效果。NanoMesh 可以实现物体和纹理的随机散布。
在某种程度上，ZBrush 可以处理实体，因为几何图元可以通过参数进行设置，例如不同的手镯尺寸。使用 PolyMesh3D 工具可将其转换为可雕刻的网格。ZModeler 是网格编辑工具的一个重要子集，可单独突出边缘，用于进行圆角、倒角、选择性折痕或平滑。用户可以从线框骨架开始，然后在骨架上添加粘土，就像真正的雕塑一样。Zspheres 是创建基本肢体的另一种方法，而无需手动雕刻比例。在同一空间内可以生成和雕刻多个肢体，从而可以创建环境而非单个物体。标尺和数字输入字段可确保所需的精确度。宝石切割工作站可以导入宝石和爪镶。最后，还可以直接连接到 Keyshot，进行即时逼真渲染。这些旗舰功能使 ZBrush 有别于其他雕刻引擎，适用于各行各业。如需了解 ZBrush 在超写实雕刻方面的可能性，请查看我们与 Modern Life Workshop 的故事。
ZBrush 具有完美兼具网格建模和自由雕刻的界面。
大型企业的最佳 CAD 软件
CATIA
开发者：Dassault Systèmes
发行时间：1982
平台：Windows、Unix
适用于：汽车、航空航天、产品设计、工程、装配设计
售价：约 1.2 万美元 + 2000 美元/年
CATIA 是 Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application（计算机辅助三维交互应用）的缩写，同时也是全球最先进的建模系统。CATIA 不仅属于 CAD，而且是用于制造最复杂产品（如福特、本田、特斯拉和雷诺的汽车以及空中客车和波音的飞机）的成熟数字基础设施。
它包括与其他参数化建模软件相同的基于历史建模的高级控制功能，以及先进的 CAM 和 CAE 集成。此外，其“创成式造型”和“自由风格造型”模块具有一流的曲面设计功能，而“形状雕刻器”支持在虚拟粘土中进行自由形状雕刻。此外，该软件还提供钣金设计、复合材料部件、工具、装配设计、制图、渲染、部件修复、焊接、公差、扫描数据逆向工程、空气动力学设计、结构分析、人体工学评估、利用 3DExperience 虚拟现实探索造型变体、数控加工、衍生式设计、用于增材制造的晶格设计器以及用于 3D 打印的文件准备等模块。CATIA 的缺点在于，由于由数十年前的主干系统驱动，因此加载大型装配的等待时间较长。
CATIA 的最新版本将模块组织在独立的选项卡中，界面更加友好。其中甚至包含了类似 Grasshopper 的衍生式设计功能。
Creo
开发者：PTC
发行时间：1982
平台：Windows、Unix
适用于：产品设计与工程、汽车、虚拟现实
售价：2310 美元
Creo 的前身是 Pro/Engineer，一个完全参数化的建模软件包。它适用于具有超过 1000 个部件的装配，因此广泛用于阿斯顿马丁、约翰迪尔、大众汽车、丰田和亚马逊等公司。该软件结合了实体、曲面和多边形建模方法，以及用于形状优化的高级衍生式设计模块。与其他一些同类软件包相比，曲面工具（如组合和扫掠）更加可靠。
工程师可以购买 Creo 的 Advanced Plus 软件包，其中包括高级曲面设计、3D 打印切片工具、GD&T、模具设计和仿真功能。如果将 Creo 与 PTC 的 PLM 解决方案 Windchill 结合使用，用户可以对装配、部件清单和供应商、访问和修订控制等进行高级管理。
Creo 会让人联想到 SolidWorks，但在曲面功能（如自由式模块）方面略胜一筹。
NX
开发者：西门子
发行时间：1973
平台：Windows (x64)
适用于：产品设计与工程、医疗、汽车、PLM
售价：5900 美元 + 1600 美元/年
在西门子于 2007 年接管之前，NX 名为 Unigraphics。与其他最佳 CAD 软件包的竞争公司一样，NX 提供高级部件设计、装配和绘图功能，以及 PLM、CAM 和 CAE 方面的高级解决方案。这也是苹果、塔塔、马自达、日产、戴姆勒-梅赛德斯和 SpaceX 等大公司纷纷采用 NX 的原因，有些公司甚至放弃了 CATIA 等功能强大的系统，转而采用 NX。毋庸置疑，这是最先进的系统。
其与众不同之处在于采用了混合建模方法，工具包中包括自由曲面网格、实体和 A 级曲面方法，质量接近 CATIA。在不完全放弃基于约束的建模的同时，NX 所谓的同步技术支持用户推拉模型的某些特征，以进行智能直接编辑。西门子 NX 的用户界面简单易用，甚至可以预测未来项目中最常用的命令。缺点则是后台仍使用旧 Unigraphics 代码库，导致程序某些方面的运行速度慢于预期。
西门子 NX 提供了一套非常完整的曲面功能。
最佳免费 CAD 软件
FreeCAD
开发者：Jürgen Riegel, Werner Mayer, Yorik van Havre
发行时间：2002
平台：Linux、Unix、macOS、Windows
适用于：概念和部件设计、3D 打印
售价：免费
如果您正在寻找可以超越 TinkerCAD 水平的免费 CAD 解决方案，但同时又不具备 Fusion360 专业能力，那么 FreeCAD 是一个不错的选择。FreeCAD 实现了一定程度的参数化，其中设计师可以根据草图和尺寸约束来构建部件。该引擎主要用于处理实体，但也提供一些基于曲面的操作。这些操作的多样性和先进性远不及业内其他工具，但也能实现概念的三维可视化。此外，还提供了少见的双轨扫掠选项。程序会记录撤销/重做堆栈，而不是特征树。此外，草图与曲面保持链接，因此模型会在一定程度上随后期更改而更新。
FreeCAD 并不完美。约束草图可能会变得有点混乱，尤其是在添加镜像操作和多切线曲线时。修剪曲面时也会出现故障。不过幸运的是，很多情况下都有解决方法。基于图标的用户界面外观稍显过时。热键可用于最重要的命令，总体而言，该工具需要一定的学习曲线才能掌握。
最重要的附加功能是网格设计工作台（具有网格修复和 STL 文件导出功能，可用于 3D 打印）、光线追踪渲染工作台、结构有限元分析 (FEA) 和计算流体动力学 (CFD) 工作台。所谓的 OpenFoam 可用于流体流动和空气动力学分析。FreeCAD 是一款开源软件，其部分功能（如新增的动画功能）可通过 Python 或 C++ API 编写脚本。
FreeCAD 提供基于约束的实体建模和曲面功能。
Blender
开发者：NeoGeo
发行时间：1994
平台：Linux、macOS、Windows、Android、BSD
适用于：视觉特效、角色设计、美术、动画、3D 打印、虚拟现实
售价：免费
Blender 已经发展为一种热门开源软件，可替代 Maya 和 3D Studio Max 等全面的动画工作站。它结合了先进的网格建模和雕刻技术，对视觉特效艺术家和 3D 打印爱好者都极具吸引力。
CG 艺术家会喜欢它直观的渲染引擎、运动跟踪功能、用于人物绑定的逆运动学以及高级模拟效果，如粒子云、烟雾、流体、爆炸、布料、皮肤和碰撞。对于 3D 打印初学者或身处更具工程意识的 CAD 环境的人员来说，过渡到 Blender 需要一段陡峭的学习曲线。最好还是坚持使用一种建模方法。然而，一旦掌握了其工具集，一切皆有可能。可以对网格进行精心控制，以创建最微小、最复杂的细节。网格可以通过弯曲、扭曲、锥化、拉伸等更多方式变形。Blender 以多边形建模为基础，但也支持一些数值输入，例如新几何节点工作区的工作方式与 Grasshopper 非常相似。此外，网格修改器保存在修改器堆栈中，可在建模过程中随时更改。将网格转换为线框是针对 3D 打印的一项出色功能。这可以产生具有复杂图案的晶格结构，而这种结构只有使用 3D 打印机才能实现。
与市场上售价近 2000 美元/年的商业巨头相比，Blender 稍显难学，在网格布尔运算等功能上易于出错，在雕刻功能上略微受限，总体而言更适合小型项目。不过，对于那些对 3D 打印网格建模感兴趣的人来说，Blender 是一个很好的入门选择。
Blender 是独立设计师和初创公司的首选网格建模工具。
SketchUp
开发者：Trimble Inc.
发行时间：2000
平台：Windows、macOS
适用于：概念布局、建筑、景观设计
售价：免费版、Pro 299 美元/年、Studio 699 美元/年、教学版 55 美元/年
SketchUp 是初涉 3D 建模领域的最简单入门工具之一。SketchUp 能够快速绘制布局图，广受建筑师欢迎，可用于在开发流程前端进行大致探索和演示。配合 V-Ray、Thea、Maxwell 或免费的 Lumion LiveSync 等渲染插件以及内置的 Fly Through 功能，它可以成为一个强大的可视化工具。
除了从头开始建立模型外，还可以从 3D Warehouse 中的数千种模型中选择一种进行绘制。3D 建模可能一开始有些受限，但 Extension Warehouse 提供了数百种附加功能。借助合适的插件，用户就能绘制复杂的曲线、执行边缘倒角和圆角处理、进行高级顶点编辑和网格修改、添加项目文档、导出 STL 文件用于 3D 打印、导出 STEP 文件用于其他 CAD 环境或导出 Keyshot 文件用于外部渲染、使用布尔运算符、曲面展开或在工作流程中添加参数化建模。SketchUp 有一定的学习曲线，尽管某些建模功能仍然繁琐甚至并不具备，但对于业余和专业建模人员来说，SketchUp 都是值得一试的工具。
SketchUp 提供免费的浏览器应用程序，但如需充分利用附加模块，则应使用 Pro 版。SketchUp Shop 的价格不到专业版的一半，不支持插件，但增加了增强现实浏览器。
使用附加组件可以在 SketchUp 中创建高级网格几何体。
3D 打印的最佳 CAD 软件
MeshMixer
开发者：Autodesk
发行时间：2009
平台：Windows、macOS
适用于：3D 打印
售价：免费
MeshMixer 是为 3D 打印创建和准备网格的数字万用工具。就其简单性而言，它之于网格就像 TinkerCAD 之于实体。可从形状库中导入现有几何体并将其与网格相结合。也可以使用自有创作来扩展形状库。导入 3D 扫描数据后，可以提取部分曲面，并将其与新的几何体连接，以精确拟合部件或可穿戴设备。
网格操作仅限于增厚、挖空、桥接、平面切割、平滑、布尔运算和拉伸。可以投射图像进行击凹/击凸。同样有趣的还有雕刻工具。虽然不如 ZBrush 或 Mudbox 数量众多，但也足以制作简单的 3D 可打印物品。MeshMixer 的网格修复和支撑生成工具为同类最佳，是 3D 打印机用户不可或缺的免费工具之一。
如需了解更多信息，请查看我们的 MeshMixer 教程：编辑 STL 文件用于 3D 打印的 15 个技巧。
除了可用作网格修复工具，MeshMixer 还包含大量令人惊喜的 CAD 创意功能。
3DBuilder
发行者：Microsoft
发行时间：2013
平台：Windows 10 with Creators Update + 移动版
适用于：教育（小学/初中）、3D 打印
售价：免费
对于那些刚刚开始接触 3D 打印，并且已经下载了 3D 模型准备进行打印的人来说，没有必要投资任何外部 CAD 软件，因为 Windows 已经提供了内置解决方案。3D Builder 初看只是一个查看器，但它还能进行纹理绘制、简单编辑（包括布尔运算），甚至还能使用文本和图像添加三维雕刻和浮雕。
3D Builder 是一款小巧的应用程序，可从 Microsoft Store 免费下载。与 MS Scan 应用程序兼容，可用于导入 3D 扫描数据。并使用 3MF 文件格式，但也可导出 STL 和 OBJ 文件。
Windows 中的 3D Builder 为编辑 3D 模型和准备 3D 打印文件提供了一些简单的功能。
学习 CAD
在开始软件培训时，首先要学习建模策略和正确的工作流程，例如在命名时遵守惯例、在特征树中对部件进行分组、创建备份以及始终引用全局变量和坐标系。这些将决定今后所有工作的质量，如果没有坚实的基础，以后在解决更复杂的问题时可能会遇到困难。
在建模方面，参数化曲面建模软件通常倾向于创建自由浮动的曲面，这些曲面的两端可以自由地延伸到空间中，然后在后期阶段将不同的曲面修剪成实体，而“面片建模”则不同，其中每个曲面均为单独创建，并立即与周围环境相连。而“主体建模”方法则更进一步，在开始创建实体和曲面几何图形之前，先在草图中列出所有已知尺寸。只有在不需要太多创造性探索且建模人员希望尽快进行工程验证的情况下，这种方法才会奏效。当需要进行大幅修改时，过于拘泥的方法可能会导致结构失效。圆角和组合等细节最好在稍后阶段共同完成，图案、布尔函数、文字或图像浮雕等计算量庞大的操作也是如此。在网格和虚拟粘土建模中，从粗加工到细加工也属于标准程序，过程中应保存大量备份。
网上提供大量的学习资源。在选择了 CAD 工具后，只需在开发商的网站和 Youtube上探索教程即可。
开始使用 CAD 和 3D 打印
在本指南中，我们对目前市场上大部分 CAD 产品进行了评估，比较了它们最重要的功能，如主要用途、所需经验水平、用户友好性、价格以及功能多样性和技术深度，涉及了曲面、实体、多边形和自由曲面建模。
对于大型项目，参数化建模软件将是最佳选择。流水线和产品结构的复杂程度将决定最佳的 CAD 配置。最佳系统可以实现混合建模方法、提供多种建模功能和文件格式、PLM 和数据库集成、数据驱动的衍生式设计以及各种用户友好的工作区，从而将项目从概念阶段一直推进到设计、工程、制造、扩展和销售阶段。
选择软件环境是 CAD 相关的最重要决定。选择 SolidWorks 或 NX 等行业标准软件是明智之举。Fusion 360 或 OnShape 等基于云的系统较新，风险较高，但其功能在不断丰富，可靠性也越来越高。对于那些希望快速创建复杂形状而又不需要尺寸约束功能的用户来说，Rhinoceros 是一个不错的选择。对于艺术家来说，ZBrush、Maya 或 Blender 等具有多边形建模功能的雕刻环境将是最佳选择。对于快速项目，最容易学习的 CAD 软件程序是 FreeCAD、TinkerCAD、Fusion 360 和 SketchUp。
您是否已经开始制作 3D 模型并希望实现自己的设计？了解 3D 打印的工作原理，以及如何创建具有惊人细节的模型。
