洞见 | 更智能、更轻量、更坚固：复合材料与数字化设计如何塑造制造业的未来

根据 Grand View Research 的数据，2022 年全球复合材料市场价值达 937 亿美元，预计到 2030 年将以 7.2% 的复合年均增长率增长。同样，包括 Future Market Insights 和 Credence Research 在内的其他分析机构预测，高性能和先进聚合物复合材料将实现两位数增长。

对制造商而言，驱动因素很明确：优秀的强度重量比、理想的能效以及可持续性。例如，车辆重量减少 10% 可将燃油效率提高多达 8%，这会对运输、航空和可再生能源领域产生巨大影响，在这些领域中每磅重量都至关重要。更轻量的材料还意味着更小的电机、更低的排放和更长的使用寿命。

凭借这些及更多优势，复合材料从一种小众材料发展成为更轻、更强、更可持续设计的核心推动因素也就不足为奇了。

PTC 公司 CAD 产品管理副总裁Paul Sagar解释道，对更轻量、更环保产品的追求正在推动一种新设计思维的出现。

“制造商希望设计出性能卓越的工程部件，而复合材料正是实现这一目标的关键所在，” Sagar表示。“由于复合材料重量轻且适应性日益增强，它们对于提高效率和减少碳足迹至关重要，尤其是在交通运输领域更是如此。”

这种灵活性正是当今工程领域所需要的。从风力涡轮机叶片、氢气罐到网球拍和假肢，复合材料同时具备金属根本无法比拟的强度、刚度与轻量化特性。

这些特性还有助于推动实施可持续发展举措。通过强化关键位置的强度，工程师可以大幅减少浪费并延长产品寿命，使复合材料不仅是高性能之选，更能体现付责任的态度。

但尽管复合材料制品优势显著，其设计过程却并不简单。复合材料的各向异性的特性（强度会根据纤维取向而变化）使得分析和仿真远比金属复杂。设计工程师须定义每一层铺层、取向和叠层顺序，同时还要确保可制造性。铺层设计的微小变化可能会改变应力路径、改变刚度，甚至影响零件的固化过程。而当项目涉及数百层和多个区域时，手动管理这些数据会成为一大难题。

在传统工作流程中，CAD、CAE 和 PLM 相互脱节，这给本已耗时且复杂的过程又增添了新的挑战。实体原型根本无法跟上当今加速的数字化开发流程。

为了真正利用复合材料的优势，工程师需要一个集成的工作流程。

PTC 的 Creo 将复合材料设计、分析和可制造性整合在一个互联环境中。工程师无需离开其数字化设计空间，即可从概念阶段过渡到生产阶段。

从 Creo 10 开始，PTC 推出了一套完整的复合材料工具包：铺层设计、织物覆盖可视化以及自动化制造文档。设计师可以对材料适应复杂几何形状的方式进行建模，并实时查看零件是否真的可以制造出来。

借助 Creo 11，这些功能得以扩展和增强，包括基于区域的设计、增强型过渡以及用于精确且可追溯的手工铺层或自动纤维铺放的激光投影支持。

今年早些时候推出的 Creo 12 进一步增强了功能。关键增强功能包括：

通过这些及其他改进，Creo 12 在速度和精度上均实现了飞跃，弥合了数字设计与实际制造之间的差距。

“Creo 12 完整展现了我们目前拥有的强大功能，”Sagar表示。“如今，设计师能够在更短时间内将创意转化为可制造模型，且这一过程具备完整的可追溯性，这让他们充满信心。”

随着复合材料产品的需求持续增长，PTC 已在展望未来的发展方向。Creo 未来的版本将扩展对复合嵌件的支持，深化仿真集成，并纳入 AI 驱动的自动化以简化设计和验证流程。

“我们的目标是让复合材料设计像传统材料设计一样直观，同时让工程师可以实时了解有关性能和可制造性，”Sagar表示。

这样的未来已经可以期待。随着创成式设计、基于 AI 的优化以及 Windchill 和 ThingWorx 等互联 PLM 系统构建起从概念到生产的连续数字主线，数字工程与复合材料正趋于融合。试想设计一个复合部件时，从纤维方向到树脂类型的每一项决策，您可以基于实时仿真反馈、供应商数据和可持续性指标进行确定，将是多么令人振奋的事情。

随着各行业追求更轻、更强、更可持续的产品，复合材料已成为一种战略推动力。将这些材料与 Creo 的集成数字工具集相结合，制造商能够加快开发速度、提升性能并减少浪费。

复合材料产品的未来不仅仅是更轻或更强，而是更智能。人工智能辅助建模将可以评估并推荐理想的铺层方向。云协作将可以实时连接全球设计团队。嵌入式仿真会在设计演进过程中验证可制造性，而互联的 PLM 系统将确保实现从设计端到制造车间的一体化工作流程。

这正是 PTC 的发展方向：通过智能互联工具赋能工程师，实现自信设计、高效协作和可持续创新。

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