Computer Aided Design

Dieser Artikel erläutert CAD, das Computer Aided Design; für andere Bedeutungen siehe CAD (Begriffsklärung).

Ein einfaches Bauteil in 3D-Ansicht

Der Begriff Rechnerunterstützte Konstruktion oder englisch Computer Aided Design (CAD) [kəmˈpjuːtə ˈeɪdɪd dɪˈzaɪn] bezeichnet eine Art „elektronisches Zeichenbrett“.

Funktionsweise

Mit CAD-Programmen erstellt man nicht nur technische Zeichnungen. Mit den aufwändigeren Programmen werden zunächst einmal dreidimensionale Volumenmodelle erstellt. Daraus können zwei- oder dreidimensionale Zeichnungen und sogar bewegte Visualisierungen der Objekte abgeleitet werden. CAD-Software kommt in allen Fachbereichen, in denen Konstruktionen entwickelt werden, zur Anwendung: zum Beispiel im Anlagenbau, Maschinenbau, Schiffbau, in der Zahnmedizin (Cerec) und auch in der Architektur, im Bauwesen sowie im Modedesign .

Mit den Volumenmodellen kann man mit Hilfe spezieller Software verschiedenste Simulationen durchführen, zum Beispiel Belastungssimulationen (Finite-Elemente-Methode) bei Bauteilen, Lichtsimulationen oder Simulationen des Innenklimas bei Gebäuden, Strömungssimulationen (Wind oder Wellen), Crashsimulationen im Fahrzeugbau und Simulationen verschiedener Fertigungsverfahren (zum Beispiel Spritzgießen) oder elektromagnetische Feldsimulationen.

Die Volumenmodelle kann man noch für viele andere Dinge wie Festigkeitsberechnungen, generativer Fertigungsverfahren und natürlich auch in der CNC-Fertigung mit Maschinen verwenden. CAD ist auch Bestandteil der computerintegrierten Produktion (CIM), bei der sich dem Entwurf die Fertigung anschließt.

Moderne Programme basieren auf objektorientierten Datenbanken. Jeder Bestandteil des Designs besteht aus einem oder mehreren programmtechnischen Objekten. Änderungen und Spezifikationen sind die Parameter der Objekte. Parameter können auf Relationen mit anderen Design Aspekten beruhen und Versionen und Variationen desselben Designs verfügbar machen. Objektorientierte Datenbanken erlauben optimale Wiederverwendbarkeit von Designbestandteilen, die bestmögliche Aufzeichnung der Intention des Designers sowie die Möglichkeit schneller Adaption. Zusammen ergeben diese Vorteile das objektorientierte parametrische Modellieren 'State of the Art'.

CAD-Programme

CAD-Programme gibt es für zahlreiche verschiedene Anwendungsfälle und Betriebssysteme. Siehe dazu die Liste mechanischer CAD-Lösungen und die Liste elektronischer CAD-Lösungen.

2D- und 3D-Konstruktionsanwendungen

Mechanische CAD-Lösungen finden sich vor allem in den folgenden Bereichen:

Zahnmedizin (zum Beispiel CEREC-System)
Verpackungsentwicklung und Stanzformenbau (DIECAD V.10.5)
Mechanische Simulation, Siehe auch Finite-Elemente-Methode (FEM/FEA)

Elektronische Schaltungen

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Entwurf von elektronischen Schaltungen. Entsprechende Programme werden oft auch unter dem Begriff eCAD zusammengefasst, insbesondere bei Anwendungen im Leiterplattenentwurf und der Installationstechnik (siehe unten).

Im Prozessverlauf einer elektrotechnischen Entwicklung für Leiterplatten stehen im Mittelpunkt:

der Entwurf der Schaltung in Form eines Schaltplans,
die Verifizierung der Funktion,
die Simulation unter verschiedenen Toleranz-Bedingungen, zum Beispiel mit der Software SPICE,
die Erstellung von Gehäuse und Bauteilbibliotheken,
die Überführung des Schaltplans in ein Layout (Leiterplatte),
die Optimierung der Bauteilplatzierung um Platz zu sparen,
die Erstellung von Belichtungsmasken für die Produktion,
die Ableitung von produktionswichtigen Daten wie etwa Stücklisten und Prüfplänen.

Wegen der besonderen Anforderungen haben sich Spezialbereiche mit teilweise stark unterschiedlichen Entwicklungsmethoden gebildet, besonders für den computerbasierten Chipentwurf, d.h. die Entwurfsautomatisierung (EDA) für analoge oder digitale Integrierte Schaltkreise, zum Beispiel ASICs. Hierzu verwandt ist das Design von programmierbaren Bausteinen wie Gate Arrays, GALs, FPGA und anderen Typen programmierbarer Logik (PLDs) unter Benutzung von zum Beispiel VHDL, Abel.

Auch in der klassischen Installationstechnik finden sich zahlreiche Anwendungsbereiche für Computersoftware. Ob große Hausinstallationen für Industrie oder öffentliche Gebäude, oder der Entwurf und die Umsetzung von SPS basierten Steuerungsanlagen für die jeweiligen Zwecke - selbst in diesem Sektor wird heute das individuelle Design der jeweiligen Anlage stark vom Computer unterstützt.

Im Bereich der Mikrosystemtechnik besteht eine besondere Herausforderung darin, Schaltungsdaten mit den mechanischen Produkt-Konstruktionsdaten (CAD) zusammenzuführen und mit solchen Daten direkt Mikrosysteme herzustellen.

Technik

2D

Einfache 2D CAD-Systeme sind vektororientierte Zeichenprogramme. Zeichnungselemente sind Punkte, Linien, Linienzüge, Kreisbögen, Splines. Werkzeuge ermöglichen das Erzeugen, Positionieren, Ändern und Löschen von Zeichnungselementen. Die Arbeitsweise unterscheidet sich wenig von der klassischen Arbeit am Zeichenbrett. Wesentliche Fortschritte werden durch die Verwendung von Ebenen (Layertechnik) und die Arbeit mit vordefinierten Symbolen (etwa für Norm- und Wiederholteile) erreicht. Weiter entwickelte CAD-Systeme unterstützen die semi- oder vollautomatische Erzeugung von Bemaßungen und Schraffuren. Ein weiteres Leistungsmerkmal moderner 2D CAD Systeme ist die Verwendung von Assoziativität zwischen Zeichnungselementen, zum Beispiel zwischen Linien und Bemaßungen. Leistungsfähige CAD-Systeme stellen Programmierschnittstellen zur Erweiterung der Funktionalität oder zur anwenderspezifischen Anpassung bereit.

2 1/2 D

Hierbei handelt es sich nicht um eine 'echte' 3D-Technologie. Vielmehr wird mit ebenen Objekten (2D-Skizzen) gearbeitet, die sich auf beliebig angeordneten Flächen im Raum befinden. Die Methode ist weniger rechenintensiv als 3D und wird oft von Architekturprogrammen genutzt, weil ähnliche Ergebnisse möglich sind wie bei Volumenmodellen.

Siehe auch Isometrie, Isometrische Darstellung.

3D

Das Ziel eines 3D CAD-System ist die Darstellung der Geometriedaten der Konstruktionsobjekte in 3 Konstruktionsachsen und die Erstellung eines Volumenmodells. Dabei sind die folgenden Modellierungsverfahren verbreitet

Kantenmodell oder Drahtmodell - dabei werden die Körperkanten als gedachte Drahtgeometrie durch eine mathematische Beschreibung abgebildet. Häufig bildet das Drahtmodell die Basis für die Erstellung des Flächenmodells. Gedanklich spannt man ein Netz oder etwas Stoff über die Körperkanten bzw. den Stützdraht und erhält so das Flächenmodell, was man in vielen CAD Programmen in beliebiger Ansicht betrachten kann.So entstehen zum Teil pompöse 3D-Modelle, zum Beispiel von Bauwerken.
Flächenmodell - dabei werden die den Körper begrenzenden Flächen durch eine mathematische Beschreibung, zum Beispiel durch NURBS-Flächen beschrieben. Zusätzlich wird in der Regel noch die Topologie der Flächen, das heißt, welche Fläche grenzt an welche andere Fläche, mit abgespeichert.
Volumenmodell - Neben den beschreibenden Flächen eines Körpers, wird die Information gespeichert, auf welcher Seite der jeweiligen Fläche sich Materie befindet, d.h. die Fläche ist eine Begrenzungsfläche eines Volumens. Die Volumenbeschreibung dient einerseits zur Feststellung von Durchdringungen, sowie zur Volumenbestimmung eines dargestellten Körpers.
Körpermodell - Hierbei handelt es sich um ein technologisches Modell, das zum einen alle anderen Modelle vereinigt und zusätzliche Information bezüglich des Werkstoffes und der Oberflächenbeschaffenheit hält. Ein Körpermodell besteht also aus Kanten, Flächen, dem dazugehörigen Volumen und nicht-geometrischen Informationen.
Konstruktionshistorie - Das Konstruktionsobjekt wird durch eine Reihe von Konstruktionsschritten (wie zum Beispiel Vereinen, Schneiden) aus Grundgeometrien wie Quader, Zylinder, Kegel, hergeleitet. Die Reihenfolge der Konstruktionsschritte sowie die geometrischen Parameter der Grundkörper werden gespeichert. Ein wesentlicher Vorteil des history-basierten Modellierens ist die hohe Flexibilität. Durch Änderungen an den einzelnen Konstruktionsschritten kann die Geometrie auch im Nachhinein vielfältig geändert werden, wenn die Konstruktionslogik der Erstellungslogik im CAD-System folgt.

Ein weiteres Merkmal moderner CAD-Systeme ist die Möglichkeit einer weitgehenden Assoziativität zwischen verschiedenen Geometrieelementen und besonders zwischen dem 3D-Objekt und der davon abgeleiteten Zeichnung. Beispielsweise kann durch Änderung des Durchmessermaßes an der Zeichnung einer Bohrung das 3D-Modell des Teiles der Baugruppe, in der das Teil verbaut ist, modifiziert werden - darüber hinaus gleichzeitig aber auch das für die Fertigung erforderliche Werkzeug.

Datenformate

Die meisten Programme setzen auf ein eigenes Dateiformat. Das erschwert den Datenaustausch zwischen verschiedenen CAD-Programmen, weshalb es Ansätze zur Standardisierung gibt. Als Datenaustauschformat hat sich das DXF-Format als Standard für Zeichnungen weitgehend etabliert. Die überwiegende Zahl der CAD-Systeme kann DXF-Dateien nur als 2D Daten lesen und schreiben, jedoch gehen dabei häufig CAD-systemspezifische Besonderheiten verloren oder können im Zielsystem nicht äquivalent dargestellt werden. Es ist zwischen CAD-Systemneutralen und CAD-Systemspezifischen Datenformaten zu unterscheiden. Wesentliche CAD-Systemneutrale Datenformate sind VDAFS, IGES, SAT, IFC und STEP sowie für spezielle Anwendungen die STL-Schnittstelle. Die Datenformate im Einzelnen:

VDA-FS - Datenaustauschformat für Flächen, entwickelt vom Verband Deutscher Automobilbauer (VDA), in der Vergangenheit quasi-Standard für diesen Bereich;
IGES - Datenaustauschformat für 2D-Zeichnungen und 3D-Daten (Flächen), in fast allen CAD-Anwendungen als Austauschformat üblich und möglich. Löst aufgrund der besseren Einsetzbarkeit VDAFS mehr und mehr ab, ist umfangreicher und systemunabhängiger als DXF einsetzbar;
STEP - ein standardisiertes Dateiaustauschformat, welches international entwickelt wurde mit dem Anspruch, auch parametrische Daten übertragen zu können. Einziges Datenformat, welches Solid bzw. Volumen fast verlustfrei und mit Parametrik (bei Solids) überträgt. Ebenfalls zur Übertragung von Zeichnungsdaten nutzbar (dort aber nicht so mächtig wie im 3D-Bereich);
VRML97-ISO/IEC 14772, wurde ursprünglich als 3D-Standard für das Internet entwickelt. Die meisten 3D-Modellierungswerkzeuge ermöglichen den Im- und Export von VRML Dateien, wodurch sich das Dateiformat auch als ein Austauschformat von 3D-Modellen etabliert hat.

Mit den CAD-Systemneutralen gelingt in der Regel nur die Übertragung von Kanten-, Flächen- und Volumenmodellen. Die Konstruktionshistorie geht in der Regel verloren, damit sind die übertragenen Daten in der Regel für eine Weiterverarbeitung nur bedingt geeignet. CAD-Systemspezifische Datenformate ermöglichen die Übertragung der vollständigen CAD-Modelle, sie sind jedoch nur für wenige Systeme verfügbar.

Für die Weitergabe von PCB-Daten zur Erstellung von Belichtungsfilmen für Leiterplatten hat das so genannte Gerber-Format und das neuere Extended Gerber-Format große Bedeutung (siehe Fotografischer Film).

Geschichte

Die Anfänge der CAD-Programme liegen in den 1960er Jahren.

Am MIT in Boston zeigte Ivan Sutherland 1963 mit seiner Sketchpad-Entwicklung, dass es möglich ist, an einem computergesteuerten Radarschirm interaktiv (Lichtstift, Tastatur) einfache Zeichnungen (englisch Sketch) zu erstellen und zu verändern.

1965 wurden bei Lockheed (Flugzeugbau, USA) die ersten Anläufe für ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D) gestartet. Dieses System, CADAM (Computer Augmented Design And Manufacturing), basierend auf IBM-Großrechnern, speziellen Bildschirmen, und mit hohen Kosten verbunden, wurde später von IBM vermarktet und war, zumindest im Flugzeugbau, Marktführer bis in die 80er Jahre. Es ist teilweise in CATIA aufgegangen. Daneben wurde eine PC-basierende Version von CADAM mit dem Namen HELIX extwickelt und vertrieben, das aber praktisch vom Markt verschwunden ist.

An der Universität Cambridge, England, wurden Ende der 60er Jahre die ersten Forschungsarbeiten aufgenommen, die untersuchen sollten, ob es möglich ist, 3D-Grundkörper zu verwenden und diese zur Abbildung komplexerer Zusammenstellungen (z. B. Rohrleitungen im Chemieanlagenbau) zu nutzen. Aus diesen Arbeiten entstand das System PDMS (Plant Design Management System), das heute von der Fa. Aveva, Cambridge, UK, vermarktet wird.

Ebenfalls Ende der 60er Jahre begann der französische Flugzeughersteller Avions Marcel Dassault (heute Dassault Aviation) ein Grafikprogramm zur Erstellung von Zeichnungen zu programmieren. Daraus entstand das Programm CATIA. Die Mirage war das erste Flugzeug, das damit entwickelt wurde. Damals benötigte ein solches Programm noch die Leistung eines Großrechners.

Nachdem Anfang der 80er Jahre die ersten Heimcomputer in Firmen und Haushalten standen, kamen auch CAD-Programme dafür auf den Markt. In dieser Zeit gab es eine Vielzahl von Computerherstellern und Betriebssysteme. AutoCAD war eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, das auf unterschiedlichen Betriebssystemen arbeitete. Um den Datenaustausch zwischen diesen Systemen zu ermöglichen, schuf AutoDesk für sein CAD-System AutoCAD das DXF-Dateiformat. 1982 erschien AutoCAD für das Betriebssystem DOS. Das Vorgehen bei der Konstruktion blieb jedoch beinahe gleich wie davor am Papier. Das 2D-CAD brachte jedoch als Vorteil sehr saubere Zeichnungen, die einfach wieder geändert werden konnten. Es war schneller möglich, verschiedene Versionen eines Bauteils zu zeichnen.

Bereits Mitte der 80er Jahre kam mit dem deutschen 3D-CAD-System PYTHA ein erster Farb-Renderer auf den Markt.

In den 80er Jahren begann wegen der sinkenden Arbeitsplatzkosten und der besser werdenden Software ein CAD-Boom. In der Industrie wurde die Hoffnung gehegt, mit einem System alle anstehenden Zeichnungs- und Konstruktions-Aufgaben lösen zu können. Dieser Ansatz ist aber gescheitert. Heute wird für jede spezielle Planungsaufgabe ein spezielles System mit sehr leistungsfähigen Spezialfunktionen benutzt. Für seine Kritik und sein praktisches Engagement gegen den Einsatz von CAD bei Lucas Aerospace und für seine Vorschläge die Produktion auf zivile und nützliche Güter umzustellen, erhielt Mike Cooley 1981 den Alternativen Nobelpreis.

Der Schritt zur dritten Dimension wurde durch die immer höhere Leistungsfähigkeit der Hardware dann gegen Ende der 1980er Jahre auch für kleinere Firmen erschwinglich. So konnten virtuelle Körper von allen Seiten begutachten werden. Ebenso wurde es möglich, Belastungen zu simulieren und Fertigungsprogramme für computergesteuerte Werkzeugmaschinen (CNC) abzuleiten.

Seit Anfang der 2000er Jahre gibt es erste Ansätze, die bis dahin immer noch zwingend notwendige Zeichnung verschwinden zu lassen. In die immer öfter vorhandenen 3D-Modellen werden von der Bemaßung über Farbe und Werkstoff alle notwendigen Angaben für die Fertigung eingebracht. Wird das 3D-Modell um diese zusätzlichen, geometriefremden Eigenschaften erweitert, wird es zum Produktmodell. Die einzelnen einheitlichen Volumenobjekte werden zu Instanzen unterschiedlicher Klassen. Dadurch können Konstruktionsregeln und Verweise zwischen einzelnen Objekten (z. B. Fenster wird in Wand verankert) realisiert werden.