CAD

Erläuterung des Konstruktionsprozesses mit einer CAD-Software des Anbieters Autodesk

CAD (Computer-Aided Design; deutsch: rechnerunterstütztes Konstruieren) beschreibt das EDV-unterstützte konstruieren und anlegen technischer Zeichnung und geometrischen Modelle. Es ist ein wichtiger Bestandteil des technischen Zeichnen beziehungsweise auch Teil der Simulationstechnik und damit der Ingenieurswissenschaften.

Für diesen Artikel ebenfalls interessant ist das Thema Koordinatensystem.

Einsatzgebiete

CAD-Programme sind eine wichtige Säule heutiger Konstruktionstätigkeiten. Ob im Maschinenbau, in der Architektur oder anderen Bereichen in denen technische Zeichnungen eine Rolle spielen sind sie heute nicht mehr wegzudenken. Nahezu jede technische Zeichnung wird heute mit CAD-Programmen erstellt, lediglich Skizzen werden so heute noch per Hand erstellt. Bis auf die Einarbeitung in die Funktionsweise von CAD-Programmen besitzen diese keinerlei Nachteile zu Zeichnungen per Hand. Im Gegenteil, denn sie besitzen viele Vorteile. So ist das herkömmliche Zeichnen mit Tusche oft eine ziemliche Schmiererei gewesen. Desweiteren lassen sich digitale Zeichnungen beliebig oft ohne Aufwand ändern.

Ein weiterer, wenn nicht sogar der wichtigste, Vorteil ist das Übertragen von digitalen Zeichnungen auf Fertigungsmaschinen, auch CAM genannt. So lassen sich komplexe Konturen erzeugen, die sich mit händisch gesteuerten Maschinen nie realisieren ließen oder extrem zeitaufwändig wären. Viele Produkte, die wir heute als selbstverständlich ansehen, wurden erst durch diese Technik möglich. Auch im Hinblick auf neue Technologien, wie die Additive Fertigung, wurden erst durch CAD möglich. Vor allem die additive Fertigung steckt vergleichsweise noch in den Kinderschuhen, birgt aber noch enorm viel Potential.

Die Wichtigkeit von CAD-Programmen spiegelt sich beispielsweise an den Umsätzen der Anbieter dieser Softwares wieder. So erzielte einer der größten Anbieter Autodesk 2019 einen Umsatz von 3,27 Mrd. USD.

2-Dimensional

Das Anlegen technischer Zeichnungen und Konstruieren in 2D ist die Schnittstelle einer Idee hin zu einem fertigen Produkt. Obwohl Skizzen noch häufig per Hand auf Papier gebracht wird, wird heute nahezu keine Konstruktionszeichnung mehr händisch gezeichnet. Da zum Einen Bauteile oft eine zu komplexe Geometrie aufweisen und zum Anderen Fertigungsmaschinen zum Großteil computergesteuert sind, macht es schlicht keinen Sinn mehr solche Zeichnungen per Hand anzulegen.

Zeichenelement

Jede Zeichnung besteht aus so genannten Zeichenelementen, welche sind:

• Linien

- Linien sind gerade Elemente, die durch die Abgabe von Angangs- und Endpunkt erstellt werden.

• Konstruktionslinie

- Eine in der Regel unendlich lange Linie, die als Hilfe zum Zeichnen dient. Sie kann an Geometrien angepasst werden, wie eine Tangente, Winkelhalbierende, Parallele oder ähnliches, sowie einen bestimmten Abstand oder Winkel zu einer bestehenden Linie angeben.

• Polylinie

- Polylinien sind zusammenhängende Linien aus geraden oder gebogenen Elementen. Die Stärke von Polylinien liegt in ihrer Programmierbarkeit. So lassen sich ganze Zeichnungen mit Hilfe eines Makros erstellen.

• Mehrteilige Linien

- Eine Linie, die aus mehreren parallelen Elementen besteht, wir als Multilinie bezeichnet. So lassen sich wiederkehrende Gruppen von Linien rationell erstellen.

Mit AutoCAD erstellte Spline

• Kreis

- Da der Kreis eine elementare Geometrie darstellt besitzt er gewiss auch in Zeichnungen eine besonders wichtige Position. So gibt es in CAD-Programmen eine Vielzahl an Möglichkeiten einen Kreis zu erstellen. Die Grundfunktion ist meist einen Mittelpunkt und den Radius/Durchmesser anzugeben. Andere Möglichkeiten sind 2 Punkte auf dem Umfang, drei Punkte auf dem Umfang, zwei Tangenten und ein Radius oder drei Tangenten.

• Bogen

- Ein Bogen ist der Abschnitt eines Kreises. Auch hier gibt es verschiedene Möglichkeiten der Erstellung: drei Punkte auf dem Radius mit 2 Punkten als Start- und Endpunkt (3P), Mittelpunkt mit Start- und Endpunkt (SZE), Mittelpunkt mit Startpunkt und Winkel (SZW), Mittelpunkt mit Startpunkt und Sehnenlänge (SZSe), Startpunkt mit Endpunkt und Winkel (SEW), Startpunkt mit Endpunkt und Richtung (SERi), sowie Startpunkt mit Endpunkt und Radius (SER).

• Ellipsen und elliptische Bögen

- Ellipsen sind geschlossene Elemente mit rundlicher Form. Diese zu erstellen ist in den meisten CAD-Programmen recht aufwendig und gewöhnungsbedürftig. Oft wird erst der Durchmesser definiert und die Halbachse.

• Polygone

- Für jeden Handzeichner eine Herausforderung, bei CAD eine leichte Übung: Polygone auch Vielecken genannt. Nach der Angabe eines Durchmessers muss nur noch die Anzahl der Seiten und die Ausrichtung angegeben werden.

• Spline

- Eigentlich beschreibt ein Spline ein plastisch biegsames Lineal. In CAD-Programmen kann diese Funktion genutzt werden, um fließende Formen rundlicher Geometrie zu erzeugen, die sich mit keiner Bogenfunktion realisieren lassen würde.

• Punkte

- Ein Punkt besitzt nur ein einziges Koordinatenpaar und wird vor allem für Markierungen genutzt.

• Text

- Auch Texte gehören zu den Zeichenelementen. CAD-Programme behandeln Schrift wie Linien. Man kann sie als vorgegebene Linienanordnung sehen.

Zeichenhilfe

Zeichenhilfen sind Mittel zur Unterstützung des Zeichners zum Lösen geometrischer Aufgaben:

• Raster

- Ein Raster lässt sich am einfachsten erklären mit einem kariertem Blatt Papier. Man nennt ein Raster auch Netzlinie oder Liniennetz. Die Größe der Karos lässt sich entweder einstellen oder passt sich automatisch dem Sichtfenster und dem Zoom an.

• Fangfunktion

- Die Fangfunktion ähnelt dem Raster. Ein Netz von Punkten wird angelegt mit einem definierten und wiederkehrenden Abstand zueinander. Der Kursor lässt sich hier allerdings nicht frei bewegen, sonder fängt sich auf den Punkten.

• Objektfang

- Beim Objektfang werden Objekte anhand einer vorhandenen Geometrie auszurichten. Der Winkel und die genauen Koordinaten sind dabei nicht bekannt, da sie in diesem Modus keine Rolle spielen.

• Endpunkt

- In diesem Modus können Endpunkte, sowie Ecken bzw Übergänge gefangen werden.

• Mittelpunkt

- In diesem Modus werden Mittelpunkte von Geraden, Kurven oder geometrisch geschlossenen Objekten gefangen. Letzteres errechnet das Programm automatisch aus dem Flächenintegral.

• Schnittpunkt

- In diesem Modus fängt sich der Cursor auf Schnittpunkten zweier Linien.

• Erweiterung

- In diesem Modus erstellt das Programm eine virtuelle Erweiterung von Geometrien. Beispielsweise kann bei einem Bogen der restliche Umfang der Ursprünglichen Kreisfunktion abgefahren werden. Diese virtuellen Erweiterungen werden meist als gestrichelte Linie dargestellt. Dieser Modus ist sehr hilfreich, um nicht jedes Mal Kunstruktionslinien erstellen zu müssen.

• Quadrant

- Dieser Modus ist speziell für Kreise und Ellipsen erstellt. Er fängt ein Quadrat, welches sich an der Linie des Kreises, bzw der Ellipse, orientiert.

Weitere selbsterklärende Hilfen sind: Tangente, Parallele und Lotrecht.

Modifikationen

Modifikationen werden verwendet, um bestehende Objekte zu verändern. Dazu zählen:

• Löschen
• Verschieben
• Kopieren
• Drehen
• Skalieren
• Streckung
• Spiegelung
• Stutzen und Dehnen
• Aufbrechen
• Fase/Radius

Layer

Zur Strukturierung können in CAD-Programmen Objekten in verschiedenen Layern gespeichert werden. Dabei werden die Objekte auf verschiedenen Ebenen gespeichert. Dabei macht es Sinn zusammenhängende Objekte auf einer Ebene abzuspeichern. Dadurch können zugehörige Gruppe leicht aus- oder eingeblendet, speziell gekennzeichnet und bearbeitet werden. Hauptsächlich dient die Layer-Funktion also der Strukturierung von Zeichnungen.

Bibliothek

Für Normteile oder andere immer wiederkehrende Objekte wurden Bibliotheken geschaffen. Die darin enthaltenen Objekte lassen sich in die Zeichnungen einfügen oder auch an diese anpassen. So können Routinearbeiten massiv beschleunigt werden. Für unterschiedliche Inhalte gibt es verschiedene Bibliotheken:

• Symbolbibliothek
• Externe Referenzen
• Pixelbilder
• Schriftfelder
• Dokument- und Druckvorlagen

3-Dimensional

Erstellen eines Quaders aus einer quadratischen Fläche

Aufbauend auf den gleichen Vorgehensweisen des Zeichnen in 2D baut, unter einbeziehen einer dritten Achse in Z-Richtung, ein CAD-Programm in 3D auf. Bei den meisten gängigen 3D-Programmen enstehen die Körper auf Grundlage von Zeichnungen in 2D, welche dann durch das Hinzufügen der Z-Richtung zu einem Körper werden.

Die zweidimensionale Konstruktionsebene wird in der dritten Dimension zu einem Bestandteil des dreidimensionalen Arbeitsraums. Allerdings wird dieser Arbeitsraum in aller Regel mit Hilfe zweidimensionaler Zeige- und Ausgabegeräte wie Maus und Bildschirm genutzt. Das kann insbesondere bei komplexen dreidimensionalen Zeichnungen gewöhnungsbedürftig sein. Während bei zweidimensionalen Zeichnungen grundsätzlich nur die Projektion einer Fläche (z. B. Grundriss oder Ansicht) bearbeitet und betrachtet wird, besteht bei der dreidimensionalen Darstellung die Möglichkeit, zwischen der Drauf- und Untersicht, den vier verschiedenen Ansichten und isometrischen Darstellungen zu wechseln.

Elemente

• Modelle
  • Volumenmodelle: Ein massives Objekt, das einen großen Informationsgehalt besitzt. Nebst dem Volumen und daraus resultierenden Kenngrößen, wie Masse und Schwerpunkt, sind auch spezifische Materialien und damit einhergehend Oberflächeneigenschaften definierbar. So lässt sich ein virtuelles Modell aus dem Bauteil erstellen, welches sich bei einstellbaren virtuellen Rahmenbedingungen genauso verhält wie das Objekt es als reales Werkstück machen würde. weiterhin können Durchdringungen zu, welche die Möglichkeit bieten Körper geometrisch zu vereinigen, voneinander abzuziehen oder Schnittmengen zu bilden.
  • Flächenmodelle: Diese Art von Modellen besteht, wie der Name bereits sagt, ausschließlich aus Flächen und besitzt kein Volumen. Flächenlassen sich im virtuellen Arbeitsraum in beliebigen Winkeln drehen, kippen und in den visuellen Eigenschaften ihrer Oberflächen definieren.
  • Kantenmodelle: Kantenmodelle bestehen nur aus Linien im dreidimensionalem Raum und geben keine Auskunft über Volumen oder Oberfläche. Ihre Verwendung ist untergeordnet, da ihre Darstellung und Anwendung sehr abstrakt ist.
  • Drahtmodell: Im 3D-Konstruktionsmodus werden alle räumlichen Objekte standartmäßig als Drahtmodell dargestellt, um alle relevanten Punktkoordinaten bearbeiten zu können. Ein Drahtmodell, darf allerdings nicht mit einem Kantenmodell verwechselt werden. Es ist eine Skelettdarstellung eines dreidimensionalen Objektes unter Verwendung von dreidimensional definierten Linien. Als Drahtmodell werden in CAD-Programmen Volumen- und Flächenmodelle dargestellt, wobei Informationen über Volumen und Flächen in dieser speziellen konstruktiven Darstellung vernachlässigt werden.

• Verdeckte Kanten: Um sich in der Zeichnung besser orientieren zu können, lassen sich in 3D-Zeichnungen alle verdeckte Kanten ausblenden.

• Grundrisse: Üblicherweise stellen technische Zeichnungen Grundrisse, Ansichten und Schnitte von ganzen Bauwerken oder von Bauteilen als Detailzeichnungen dar. Die Konstruktionsebene eines CAD-Systems wird standardmäßig in der Draufsicht dargestellt, so dass der Zeichner von oben auf die YX-Ebene blickt.Um ein bestimmtes Geschoss eines virtuellen Bauwerks als Grundriss darzustellen, wird eine horizontale Schnittebene angelegt, die alle Wände und Objekte

innerhalb des Bauwerks in einer bestimmten Höhe schneidet und so als Grundrissdarstellung zeigt.

Konstruktionsmethodik

Wie bereits beschrieben beruht die Konstruktion in 3D, genau wie bei 2D, auf gewissen Zeichenelementen. Hier allerdings mit dem Unterschied, dass jeder Punkt noch zusätzlich eine Z-Koordinate besitzt. Wie in dem Video zu sehen werden Körper auf 2D-Flächen aufgebaut und aus diesen erzeugt. Eine weitere Möglichkeit ist es Objekte anhand einer Linie zu erstellen. Beispielsweise kann eine beliebige Linie im Raum gezeichnet werden entlang welcher man aus einer Fläche man einen Körper in Form der Fläche erzeugt. So lassen sich Quader, Zylinder, Sphären, Kegel und viele andere geometrische Körper erzeugen.

Literatur und Quellen

• Einstieg in CAD; Harald Vogel; 2004; Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; ISBN: 978-3-446-22381-3
• Basics CAD; Jan Krebs; 2007; Birkhäuser Verlag; ISBN: 978-3-0356-1236-3
• CAD: Architektur automatisch?; ‎Walter‎ Ehlers, Gernot Feldhusen und Carl Steckeweh; 1986; Birkhäuser Verlag; ISBN: 978-3-0356-0110-7

Basics CAD; Jan Krebs; 2007; Birkhäuser Verlag; ISBN: 978-3-0356-1236-3