三维CAD国产化丨研究报告
核心摘要:
在中国制造崛起的背景下,政府大力推动新型工业化,支持国产工业软件,三维CAD的国产化显得愈发重要。一方面,国产化有助于中国企业可以摆脱对外部技术的依赖,另一方面,国产三维CAD相比国外产品更贴近中国制造业的实际需求。因此,越来越多的制造业企业开始关注三维CAD的国产化发展趋势。
研究目的:艾瑞发布的《2023年中国三维CAD国产化研究报告》深入探讨了三维CAD的基本概念、发展现状以及国产化的发展动力、难点和可行路径,为三维CAD厂商的国产化前进方向提供参考依据。同时,报告对三维CAD国产化的发展趋势和创新方向展开研究,帮助制造业企业深入了解三维CAD国产化在设计、生产、制造各环节的重要意义,为制造业企业选择国产三维CAD提供有价值的参考。
研究方法:本报告撰写过程中,艾瑞团队通过对公开资料和数据的搜集,与行业专家、工程师的深度对话,以及自身行业研究积累,重点输出包括三维CAD技术解剖、国产化方向、国产化难点及破局思路等核心研究成果。
三维CAD的概念
利用计算机技术进行三维物体建模和设计,帮助工程师完成产品研发
CAD属于工业软件分类中的研发设计类软件,包括二维CAD和三维CAD两类。其中,三维CAD(Three-Dimensional Computer-Aided Design)是一种利用计算机技术进行三维物体建模和设计的工具。它可以帮助工程师在计算机上创建、编辑和分析三维模型,以实现产品设计任务。三维CAD是最核心、最基础的工业软件之一,其数据模型是产品数字化的源头。
三维CAD的系统架构
底层算法组件化、功能模块化、通过图形用户界面提供用户交互
三维CAD系统整体架构大致可分为三层:(1)基础组件:提供三维CAD的各种内核引擎和常用算法组件,包括:几何建模引擎、约束求解引擎、数据交换引擎等;(2)通用功能模块:基于基础组件,实现各种通用的三维设计建模功能,通过图形用户界面供用户交互使用;(3)专用功能模块:基于基础组件和通用功能模块,实现面向不同专业的专用三维设计建模功能。
三维CAD可以根据具体应用场景进行二次开发,引入专业设计流程和操作,以满足不同行业用户设计需求。同时,三维CAD通常具备开放接口,可对接下游的产品数据管理、仿真分析、工艺规划、生产制造系统,打破不同系统间的应用壁垒。
三维CAD的功能模块
功能主要围绕产品的三维设计和建模,支撑下游的仿真分析和工艺制造
三维CAD的所有功能模块均以实现三维零件设计、三维装配设计和工程出图为目的,同时配有零件库和模型库辅助使用者快速创建模型。三维模型的标注、修改、审批也是实际应用中的主要需求。目前三维CAD的功能应用主要集中在设计及建模层面,仅具备基础的仿真功能,如碰撞检测、运动仿真等,功能深度较浅,应用频率不高。
三维CAD的对外接口
通过接口实现数据交换、应用编程和生态集成,赋能行业定制开发
实际应用中,标准化的三维CAD产品通常难以完全满足具体场景的业务需求,仍需进行定制开发。目前三维CAD的主要接口有三类:
1)数据交换接口:用于不同软件间几何、拓扑、PMI、属性信息等三维模型数据的共享和传递,如STEP、IGES、JT等;
2)应用开发接口:允许渠道伙伴和客户的开发人员通过编程的形式进行二次开发,或进行特定行业的专业功能开发;
3)生态集成接口:允许CAD与其他的工业软件(如CAE、CAM、CAPP、PDM等)或企业内部信息系统进行集成。
三维CAD通过接口进行数据互通和功能补充,向下游的仿真分析和生产制造提供准确的三维产品模型,提升工程设计的效率和质量。
三维CAD的分类与场景
通用三维CAD可以满足大部分制造企业的设计需求,高端三维CAD主要用于大型复杂产品
按照适用的行业和产品复杂度,三维CAD可以分为通用三维CAD和高端三维CAD。其中,通用三维CAD占据市场主流地位,可以满足各种装备和产品的设计需求,广泛应用于通用机械、专用设备、机器人、自动化、新能源、高科技电子、家用电器等制造领域。高端三维CAD可以满足大型复杂产品的设计需求,主要应用于飞机、大型船舶、汽车整车、航空发动机等制造领域。
三维CAD的重要性
作为产品研发设计工具,提高设计效率和质量,助力企业正向创新
三维CAD在工程设计和制造中的重要性体现在:提供更准确的设计、更高效的设计过程、更好的设计沟通和协作,以及实现更高质量的产品制造。目前,三维CAD已经成为了现代工程设计和制造的基本工具和技术。
三维CAD国产化的宏观背景
企业亟需应对供应链安全和信息安全风险,缓解正版化带来的成本压力
工业软件断供事件的出现凸显了自主可控的重要性,国产化已然成为工业软件发展的战略方向。三维CAD是进行工业创新设计的关键,在我国制造业转型升级过程中发挥着至关重要的作用。中国三维CAD市场长期被国外软件垄断,为维护供应链的安全和可持续,提高国产化率迫在眉睫。此外,三维CAD向正版化和订阅制的转变为企业带来了采购成本的压力,共同促使三维CAD的国产化不断加速。
三维CAD国产化的驱动力:政策
政府大力推动新型工业化,支持国产工业软件,着力突破关键技术
十八大以来,国家政策多次对制造业发展作出指示,建设制造强国、推动制造业高质量发展无疑是近些年政策关注的重点方向,提高工业软件的国产化率、保障供应链安全稳定更是迫在眉睫的课题。三维CAD作为研发设计类工业软件,在《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》和《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》两项政策文件中均被提及。国家层面对三维CAD产业的高度关注将为国产三维CAD厂商带来新的发展机遇。
三维CAD国产化的驱动力:需求
制造业数字化转型加速,国产三维CAD兼具本地化与性价比优势
三维CAD作为基础工业软件,处于价值链的最前端,是产品数据的源头,在我国制造业的数字化转型过程中发挥着重要的支撑作用。下游的智能制造相关产业的快速增长,为三维CAD创造了大量的应用需求。国外产品对国内客户的需求响应慢,企业遇到问题时难以得到及时解决。而国产三维CAD更符合本土企业的使用需求,并能够提供更好的本地化服务。随着知识产权保护意识和力度的提高,软件正版化进一步给企业带来采购成本压力,国产三维CAD将有机会借助正版化浪潮,扩大自身市场份额。
三维CAD国产化的驱动力:资本
工业软件成为热门投资赛道,以三维CAD为代表的工业软件引发资本市场关注
2021年以来,三维CAD领域共有12起融资事件,几十家投资机构在该赛道开展布局,一方面是政策鼓励,一方面是市场需求提振。今年以来工业软件相关政策密集出台,国产工业软件受到国家的高度重视,是未来重点支持的方向。随着三维CAD技术的成熟和普及,以及中国制造业的转型升级,国内市场潜在需求正不断膨胀,并吸引投资者的目光,未来国产三维CAD将迎来重要发展机遇。
三维CAD市场被国外软件垄断,国产化率尚不足5%
当前,中国工业软件整体实力较弱,虽然在产品类别的覆盖上已经基本齐全,但是存在明显的发展不均衡。从制造业的生命周期来看,研发设计是伊始,产品设计不仅决定了材料、劳动力和管理的成本,更关系着产品能否顺利进行制造和装配。然而在研发设计领域,国产软件的竞争力远低于经营管理、生产控制等细分赛道,不仅核心技术能力有待提升,在先进工业支持度、工具完整性等层面也存在缺陷。因而研发设计类工业软件的国产化率仅在5%左右,大量市场空间被达索系统、西门子、PTC等国外厂商占据。
国产三维CAD发展概览
个别国产通用三维CAD产品已达到国际先进水平,但高端三维CAD领域依然是空白
最近几年,国产三维CAD不断发力,截至目前,已有中望软件、新迪数字、华天软件、数码大方等厂商推出了满足自主可控要求的三维CAD产品。上述产品在通用领域开始实现可用,但在软件性能、功能深度、上下游生态等方面与国际领先产品间仍存在一定差距。而高端专业三维CAD层面,国内尚无可替代产品。
2022年,新迪数字收购西门子Solid Edge源代码,推出新迪天工CAD,使国产三维CAD取得了显著进步,达到了国际先进水平。降低对国外产品和技术的依赖,推动三维CAD的国产化,将是保障工业安全、促进制造业高质量发展的重要课题之一。
三维CAD国产化难点分析:关键技术
涉及跨学科跨领域的交叉融合,内核引擎投入产出比低、进入门槛高
三维CAD是具有多学科基础的复杂产品,它涉及数学、物理学、计算机技术及工程知识,对研发团队跨学科、跨领域的交叉融合能力要求极高。如何将理论知识、行业实践融入到代码开发的过程中,是三维CAD面临的关键技术壁垒。
此外,与三维CAD造型能力和稳定性息息相关的内核引擎具有投入产出比低的特征。其下游客群局限,作为独立产品难以获得与研发投入相匹配的收入。除业内重点关注的几何建模引擎与约束求解器外,复杂曲面造型、数据交换引擎等亦存在较高的进入壁垒。对于后进入的中国厂商来说,历史积累不足,难以在短期内完成技术突破。
三维CAD国产化难点分析:验证成熟
存在后发劣势,缺乏大量用户的使用反馈,不利于产品迭代
工业软件的本质是将工业知识软件化,工业软件的成熟过程也即工业知识的沉淀过程。当中所凝聚的产品价值需要经过长时间的用户使用、反馈与迭代,一旦用户形成了深度的产品依赖,替代过程将非常困难。国产三维CAD面对的正是这样的局面。
在由国外软件转向国产软件的过程中,既不能因为国产三维CAD的可用性不佳,降低企业产品设计的质量与效率,也不能因为无法兼容历史数据,打断企业当前的生产连续性。然而,国产三维CAD发展历程较短、用户规模有限,缺乏实际应用的检验,不利于厂商发现产品的潜在问题,进行性能和可靠性的升级。尽管在功能覆盖层面,国产三维CAD已经与国外产品差距不大,但进入到不同行业的应用场景中,仍然存在着诸多局限,容易损害国产化产品的口碑,不利于建立产品验证与用户习惯间的正向循环。
三维CAD国产化难点分析:生态体系
二次开发及上下游应用生态有待健全,导致企业应用受限
三维CAD的生态体系包括二次开发和上下游应用两个层面。一方面,国外领先厂商借二次开发浪潮进入中国市场,通过汇聚众多的第三方开发者,实现了对特定行业或场景需求的深度覆盖。另一方面,国外厂商多定位于工业软件,除CAD外,其产品体系还囊括了CAE、CAM、PLM等生产链条中其他环节的系统,能够帮助企业在整个产品生命周期中进行高效地协作和创新。
但对于国内厂商而言,现阶段的精力多聚集在自身产品的研发上,重点提供通用型产品,在生态建设方面的投入力度不足。而由于用户规模较小,国产三维CAD产品对生态伙伴的吸引力也较为有限。国产厂商仍需要大量时间和资金的投入,加强二次开发生态建设,提高与各种上下游软件的兼容适配。
三维CAD国产化发展策略分析
多数厂商采取收购+创新的方式,优先满足用户可用需求,逐步从产品可控迈向自主创新
三维CAD的国产化是在功能和性能满足用户需求(可用)的前提下,实现产品替代。除了满足软件通用功能可替代,国产三维CAD需进一步持续提升行业应用的深度和适应性,形成围绕国产工业软件的产业链生态。
完全从零开始研发一款三维CAD已经不现实,多数国产厂商更倾向于收购国外的三维CAD产品,先实现产品可控,然后消化吸收,最终实现自主创新。相较而言,收购具有国际一流水平的成熟产品,可以快速缩短与国外厂商间的差距,更好满足可用需求。这种先可控、后自主的发展策略,将有助于国产厂商打破国外软件的垄断。
国产三维CAD的创新探索:云化
云CAD赋能研发设计远程协同,支持工程师灵活、高效工作
近年来,三维CAD领域开始呈现出云化发展趋势。将CAD部署在云端,可以降低对硬件配置的要求,并支持多终端、远程实时访问。现阶段云CAD与本地部署CAD在定位上存在一定差异,两者倾向于互补而非替代,即云CAD更适用于具有协同工作或移动办公需求的场景。随着未来技术瓶颈的突破,云CAD将能更加流畅、稳定地支持对告高算力要求的应用,如数字孪生、智能制造等。
考虑到CAD云化已然是大势所趋,国产三维CAD厂商应积极布局云CAD,抢占云端协同研发设计的高地。同时,以云CAD为核心构建工业云平台,以一体化解决方案赋能工业企业,有望为国产厂商提供弯道超车的机会。
国产三维CAD的创新探索:移动化
移动端重点提供图纸查看和审阅功能,满足随时随地看图及互动操作需求
工业企业中接触三维CAD图纸的人不仅有工程师,在与内部、外部协同的过程中,图纸往往需要传递给其他岗位的人员,如生产人员、质检人员、销售人员、上下游外协人员等,进而衍生出了对移动端产品的需求。相比于PC端的三维CAD,移动端的功能较为简单,多集中在看图、审图的层面,既能满足工程师与其他岗位人员的内外部协同需求,也可以支持工程师自身的远程办公需求。通过在手机、PAD端快速浏览三维CAD图纸,对图纸内容进行及时地审批、协作,移动端的三维CAD产品可以促进工业流程的高效顺畅,帮助企业缩短研发周期,降低沟通成本。
国产三维CAD的创新探索:标准化
重点聚焦中国标准建设,将技术和创新实力转化为标准化成果
目前,中国在三维CAD领域缺乏自有标准,高度依赖于国外的标准体系,导致国产三维CAD的创新受制于人,不利于破除国外软件厂商的产业垄断。三维CAD行业应重点聚焦于中国标准的建设,国产厂商可以基于自身行业实践参与标准化工作,与下游客户及合作伙伴合作,共同推动相关标准的制定和实施。
国产三维CAD的创新探索:MBE
从MBD向MBE演进,三维模型贯穿产品设计、分析、工艺、制造、服务等全生命周期
技术应用不仅让设计制图更加高效智能,更促使设计、生产、运维等各环节的信息联通,帮助工业企业形成一体化的供应链体系。MBD和MBE作为模型驱动的新应用形式,强调用三维模型表达产品设计信息和制造信息,将设计、分析、制造和文档工作流集成到统一的数字化环境。通过带来更高效、更准确的产品设计和生产方式,可以减少反复修改和返工的时间成本,提高产品质量和竞争力。同时,以三维模型为中心的数据表达方式能够更直观地展现产品设计信息,方便不同部门人员的沟通和协作,有助于打破沟通障碍,提高整体工作效率。
国产三维CAD的创新探索: 信创支持
与国产操作系统等基础软硬件进行适配,全面满足国产化需求
从自主可控的角度讲,仅有工业软件的国产化显然是不够的。由于应用软件与操作系统间存在深度绑定的关系,而主流三维CAD多基于Windows系统,不支持国产操作系统,一旦企业由Windows系统转向国产操作系统,就会面临三维CAD无法运行的问题。在此背景下,中望软件、华天软件、新迪数字等厂商开始积极与国产操作系统进行适配,并逐步将适配的范畴拓展至芯片、整机等层面,通过提供兼容性强、功能全面、稳定可靠的国产三维CAD,进一步提升工业领域自主可控的能力,保障工业全流程的信息安全。
应用背景
三维CAD作为工业软件分类中的研发设计类软件,是产品数字化的源头。为应对潜在的供应链安全和信息安全风险,缓解正版化带来的成本压力,三维CAD国产化至关重要。
实践步骤
三维CAD的国产化涉及通用功能、行业定制和生态建设三个层面。建议企业采用“新旧混用”的方式,即新项目优先使用国产化产品,部分老项目可沿用国外产品,从而实现更加平滑、可控的过渡。
选型参考
目前已有中望软件、新迪数字、华天软件、数码大方等厂商推出了满足自主可控要求的国产三维CAD。主流厂商普遍采取收购+创新的方式,收购产品的成熟度越高,后期的创新成本越低,有助于快速将产品推向市场,破除国外软件的垄断。
国产通用三维CAD软件与国际领先产品仍存在10年左右的差距。新迪数字通过收购,其产品已经达到通用三维CAD的国际先进水平。
除关注传统PC端的三维CAD国产化外,国产厂商在云CAD及移动端产品的布局为制造业带来了新的想象空间,将不断推动研发设计向灵活、高效发展。
加强设计与生产制造流程中其他环节的协同,建立以三维模型数据为核心的一体化供应链体系,将成为制造业企业在新时代重要的竞争力来源。