虛擬製造帶動虛擬設計趨勢大行其道

智慧工廠的建構過程，電腦輔助設計已成必要工具。Wiki

製造業為了因應日趨激烈的全球化競爭，尋找有助於提高生產效率，改善產品質量，降低成本，提供優良服務的技術，已是無可避免的任務，其中「虛擬製造(Virtual Manufacturing)近年來已引起各界關注，成為競相研究的話題。

由於虛擬製造是運用虛擬真實技術，在電腦上完成製造過程，讓產品在實際製造之前，可以針對產品的功能、造型、成本等各種因素進行分析和預測，作為製造過程中各級的決策和控制之用，包括電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助製造(CAM)及電腦輔助工藝設計(CAPP)都是虛擬製造不可或缺的技術。

如為了因應電動車(包括複合動力與純電動)市場缺乏動力系統整合廠，以及零組件業者開發產品需經實體整合驗證，速度慢且成本高的問題，工研院就以「車輛動力虛擬開發平台技術」，取代傳統實體系統整合開發與驗證，藉由電腦軟體模型與專家資料庫及實驗室複合動力即時運轉設備，成功縮短二分之一的時程，協助業者開發電動化關鍵模組及模擬設計驗證。

製造設計需求帶動AR及VR成長

虛擬製造的風潮，也因此帶動包括擴增實境(AR)及VR的產業發展。根據IDC發布的最新報告顯示，全球AR和VR產業的營收可望將從2016年的52億美元，到2020年成長到1,620億美元，2015至2020年間的年複合成長率達181.3%。

IDC副總裁克里斯・舒特(Chris Chute)指出，AR和VR發展多年以來，一直都是科幻小說裡的東西。現在不僅因為基於智慧手機的低價VR設備推出，讓消費市場已經準備好接受新的原創內容，從醫療產業也開始對AR和VR設備產生興趣的發展證明，AR和VR也可以在工業層面產生強大影響，預計將於未來5年逐漸在教育、物流和製造等其他領域實現。

IDC副總裁湯姆・邁尼利(Tom Mainelli)指出，硬體價格快速下降，讓更多的企業和個人得以使用VR和AR技術。但與以往一樣，人們是否會持續使用這些設備，關鍵還是在於相關的應用和服務是否普及，開發者為這些設備所開發的各種各樣的新體驗，能否徹底改變我們很多人的工作方式。

IDC預期AR和VR應用在未來5年的營收將會大幅成長，尤其是應用面的部分，主要的信心就是來自於物流和製造業可望開始導入相關應用。包括硬體、軟體、諮詢服務和系統整合服務在內，在醫療和產品設計及管理相關領域中，都可看到AR及VR的相關應用。

而從區域來看，亞太(不包括日本)、美國、西歐將貢獻全球AR和VR收入的四分之三。這三個地區2016年的收入相似，但美國到2020年將全面領先另外兩個地區。由於AR和VR現在仍處於普及初期，所以每個地區都有望在預測期內出現超過100%的年度成長。

電腦輔助設計接近實體世界

此外，工程師們過去在設計出產品後，在製造生產銷售到市場之前，很難掌握產品在市場的真實表現。事實上，管理產品完整生命週期的構想，從產品的設計開始、上市、到最終退役，始終都有些未知和神祕的層面難以顧及。

事實上，許多產品光是畫個產品圖面，就得花上許多時間，如果要提供三五個樣品，可能就需要更多的時間。因此，想要快速在短時間內建立多個模型，可以透過3D Design工具如PTC Creo的虛擬化油土功能，創造簡單、容易上手、直觀的自由造型曲面，再讓客戶去做選擇。

電腦輔助設計透過物聯網，也將能提供銜接數位與實體世界的新可能。PTC提出Digital Twin的概念，當產品被設計或改造加入感測器時，將可提供一個真正的回饋迴路，讓產品在設計、製造到服務不同階段，都能獲得真實數據，可用來改善整個產品生命週期管理，演繹出物聯網時代更多無限可能的未來。

只要在產品上加裝感測器，廠商就可以在平板、電腦等媒介上利用AR看到產品的狀況，並從中修改需要修正的功能，免除了傳統上必須要設計很多使用情境，以及演算法來試驗、測試產品的功能。

3D列印技術的出現，因為擺脫傳統的製造方式，為產品設計帶來更多的可能性，但也需要新的方式來建模，如何能夠更快速的交付設計，讓產品設計擁有更有機的形狀，同時還能為設計規範增加製造設計相關的規則。

透過電腦輔助設計，創客可透過分析手法，透過網格方式組成一個3D模型，就可以轉換成3D列印的格式，產生各種意想不到的形狀，以及功能性組合，找到最省材料、最有效能的造型設計。

檔案格式互通需加強

為了達到有效使用資源，避免反覆建立電腦幾何模型，以加速設計時程，以及減少重複的工作而造成資源、成本浪費，將電腦輔助設計(CAD)與電腦輔助製造(CAM)，以及電腦輔助分析工程(CAE)加以整合，更已是目前產業界的趨勢。

CAD、CAM與CAE整合的基本想法，是可以共用幾何模型的資料庫，由於不同的軟體各有優點，單一軟體通常也無法完全涵括所有需要的功能，但如果CAD、CAM與CAE分別用不同的軟體執行，最重要卻也常常出問題的部分即是檔案的轉換。

如CAD軟體中完成的幾何模型，通常會期望能繼續於CAM與CAE軟體中使用，但由於各軟體程式撰寫上的差異，雖然有通用的檔案格式如IGES，在檔案轉換時，還是會有些資料無法被完整的讀取，必須花費額外的時間與人力進行修補工作，有些檔案花費在修補的時間，甚至比重新建立所花的時間還要多。

電腦輔助繪圖軟體所繪製的實體模型，在有限元素分析軟體中常常無法進行網格化，是因為繪圖軟體所繪製的實體模型，要求相當高的準確性，所以對於較小的面積或是導角都必須詳細的繪製出來，導致有限元素軟體無法網格化，或是網格化後產生過多的元素與節點，也因此欲進行有限元素分析的實體模型，通常都需經過適度的簡化，也成為電腦輔助設計工具未來需要強化的方向。

建構智慧工廠必要工具

對製造業而言，電腦輔助設計已經不只是一套產品設計工具而已，而是一套資訊化處理、溝通與協同作業的新製造模式。隨著概念設計可以變得更加多樣時，設計過程的不斷變更與複雜度也隨之提高，還要評估產品設計中的不同概念設計提案，而在正式設計未確認前，可能還要整合不同設計的各種創意，顯示完整的電腦輔助設計流程，還需要有一套提案管理的工具，取代人工作業，讓概念設計提案更有效率。

透過設計提案管理，可以建立無限設計樣式及設計替代方案分支，並立即切換不同設計樣式，以輕量格式儲存所有檢查點作為日後參考，隨時儲存及存取多種設計樣式資料。

由於自動化科技近年來發展相當快速，應用範圍層次隨電子、半導體、資訊、光電、機械等技術的進步而逐漸擴大，其中製造系統的彈性化、機敏化最明顯，除了在硬體上結合CNC工具機、工業機器人、自動倉儲及無人搬運車等外，在軟體上更需要整合電腦輔助設計？製造、產品資料管理、供應鏈管理、網路遠端監控等，才能朝向全面自動化生產與系統整合方向邁進。

以整合虛擬實境與製造系統的虛擬製造系統，提供模擬環境，使製造系統從機台配置、廠房布局、零件加工等，都能在虛擬的環境下進行模擬、學習，也成為智慧工廠建構的必要工具。