一篇文章看懂什麼是3D CAD！
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目次 |
3D CAD是什麼?
3D CAD是一種利用立體數據進行設計的電腦輔助軟體，3D表示「立體」，即以3D立體來表現設計意圖，「CAD」是「Computer Aided Design」的縮寫，直接翻譯即為「電腦輔助設計」，通稱為「CAD」。
3D CAD多用於機械、製造等行業，用來進行產品設計加工製造的繪圖建模軟體。
一般來說3D CAD是透過繪製稱為「草圖」的2D線圖，並對其定義高度和深度等來形成3D數據。
草圖拉伸實體 (圖取自Fusion官網 )
這些數據可以被精確地用數值控制，具備比例、尺寸和幾何的概念。這與動畫或遊戲圖形製作所使用的3D CG(computer graphics)軟體不同，後者的3D數據重點在造型的表現，較不需要有生產製造跟實際尺寸的概念。
實體與面片
3D CAD生成的3D數據主要是「實體模型」，即中間是實心的立體。相對於動畫遊戲軟體大多由非實心的面片組成。因為是實心的立體因此可以透過電腦計算體積、模擬材質、重量、重心，甚至物件之間的碰撞模擬等在生產製造時重要的參考依據。
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實體與面片 (左圖取自 Autodesk Fusion官網 ；右圖取自 Autodesk Maya)
參數式與直接建模
實體模型的製作方法主要分為兩大類：「參數化建模（基於歷程）」和「直接建模（基於特徵）」。參數化建模基於“數值”跟“條件”逐步構建3D模型，根據需求非常嚴謹進行數值及條件約束設定，正因這些設定只要修改基礎的草圖即會改變整張圖（設計變更），可謂牽一髮動全身，建模前需事先將設計邏輯規劃好。參數化建模對於有許多大大小小不同尺寸但同品類產品非常好用 - 舉例來說長短不同的螺絲釘，各類貨架等，透過修改數值無須重新建模即可快速進行設計變更，短時間內設計出各種不同尺寸大小的同款產品。市面上主流的CAD軟體幾乎都是基於歷程的參數化設計軟體。
參數式建模 (圖取自Autodesk Fusion官網)
而基於特徵的直接建模則不受歷程的限制，可以自由創建形狀不用擔心歷程等限制直接對3D模型進行編輯。相對參數式建模，直接建模對於產品設計師（特別是外觀設計）來說有著極大的好處，可以更快速的設計或改變產品外觀而無需考慮複雜的建模邏輯。此外，若僅只是要製作簡單的形狀或設計好就不需要變動的應用，直接建模也比較方便直覺。有些CAD軟體主要基於直接建模，也有些是兩者可隨時切換。
直接建模 (圖取自Autodesk Fusion官網)
CAD 的重要性
學會使用CAD是成為設計師、工程師的必備基礎，不管是在產品設計、產線製造、甚至是生產驗證都離不開CAD軟體，會CAD 已是職場上不可或缺的技能。雖然如此，但僅是會CAD軟體還是遠遠不夠的，要成為一名合格的工程師或設計師還需要掌握製圖、力學等各種知識，並積累實際業界的經驗才能真正成為獨當一面的大師。
CAD 軟體的歷史與種類
過去，設計師跟工程師們使用工程繪圖板工繪製圖紙。80年代隨著個人電腦的普及，2D CAD開始流行，在機械設計領域中最著名且市佔率最高的2D CAD 軟體是美國 Autodesk公司開發的「AutoCAD」。
AutoCAD (圖取自Autodesk Fusion官網)
其後隨著電腦性能提升且價格下降，因其實用性3D CAD已迅速普及到各大領域企業中，具備CAD技能的人才因此需求激增。
CAD軟體非常多種，根據行業領域不同主流的軟體也不同，以下主要針對機械製造領域進行整理。機械製造業用的3D CAD可以分為高、中、低階CAD三種。這三種類型的主要在於功能上的差異。高階CAD的功能最強，中階次之，低階功能相對較弱。
高階CAD
高階 CAD主要應用於航空、汽車、電子、模具製造等需要大量零部件裝配和複雜設計的領域。代表性的高階CAD軟體包括CATIA和 NX（UG）。
CATIA (圖取自CATIA Youtube官方頻道)
NX (圖取自Siemens Software Youtube官方頻道)
中階CAD
中階 CAD具備較低的價格和操作簡便的優點，但在某些特定領域用的功能上稍遜於高階CAD。然而，其主要建模功能並不遜色於高階CAD，完全可以滿足設計需求。代表性的中階CAD 軟體有 Creo（舊稱Pro/ENGINEER）、SolidWorks、Inventor、Fusion等。
Creo (圖取自PTC官網)
Creo (圖取自Dassault Systems官網)
Inventor (圖取自Autodesk官網)
Fusion (圖取自Autodesk官網)
低階CAD
這類CAD 軟體價格低廉，也有不少免費版本適合作為個人興趣使用。然而在實際設計建模過程中，這些 CAD 軟體的功能可能會有些不足之處。代表的低階免費CAD軟體有TinkerCAD、FreeCAD等。
TinkerCAD (圖取自TinkerCAD官網)
3D CAD的優勢
3D CAD 帶來的優勢十分明顯。首先，視覺上更容易理解。2D CAD需從圖紙中想像立體結構，而3D CAD則能展示立體模型，從各個角度查看，這對於無專業知識的人來說非常有幫助，任何人都能一目了然。
由於3D CAD基於實體進行設計，因此可以輕鬆獲得體積、表面積、質量和重心等重要的資訊，這些資訊在生產過程非常重要，有CAD檔案可以事先進行各種模擬避免重工，節省大量時間和精力。此外，實體也可以針對組立件的干涉進行檢查和解析，確認裝配的位置是否產生碰撞等。在設計初期發現並修正錯誤，減少失誤的可能，進而提升設計速度。
總結
3D CAD 已是現代設計及製造的重要工具，學習3D CAD已是必備的技能。3D CAD其優勢在於視覺上易於理解、設計過程中可進行各種模擬及組立件干涉檢查。學習和掌握3D CAD是成為設計及工程師跟進入相關領域非常重要的一步，隨著科技的進步，3D CAD將在未來各領域中發揮更大且深的作用。
