CAD bedeutet computer aided design und wird ins Deutsche als rechnerunterstütztes Konstruieren übersetzt. Hiermit werden Produkte mit Hilfe eines Computers und einer Software erstellt. Inzwischen geschieht dies hauptsächlich in der dritten Dimension (3D Parts/ 3D Products).

Der große Vorteil ist die räumliche Darstellung der Produkte. Hieraus lassen sich schnell räumliche Abbildungen erstellen, die als Diskussionsgrundlage besser geeignet sind als komplexe 2D-Zeichnungen. Des Weiteren können die dreidimensionalen Daten direkt für die Verwendung in der Fertigung bereit gestellt werden (Beispiel 3D Druck) – weitere Vorteile von 3D CAD Systemen habe ich in folgendem Artikel aufgelistet.

CreoElements - kostenpflichtiges CAD System
Creo Elements – kostenpflichtiges CAD System (Quelle: www.facebook.com/creo.ptc)

Grundlagen der CAD Technik

2D CAD

Beim 2D CAD wird aus Basisobjekten wie Gerade, Kreis, Ellipse, Polylinie, Polygon oder Spline ein vektororientiertes, zweidimensionales Objekt erstellt. Durch Bemaßung, Beschriftung, der Auswahl der Farbe, des Linientyps und der Linienbreite konnten im 2D CAD alle Möglichkeiten in digitaler Form bewältigt werden, die vorher per Hand auf dem Reißbrett gemacht wurden.

Die zweidimensionalen Objekte werden mathematisch durch Vektoren beschrieben. Im Gegensatz zu Pixelgrafiken (jpg, png, gif) wird weniger Speicherbedarf verbraucht.

Die Zeichnungen können einfach erzeugt, bearbeitet oder gelöscht werden. Bemaßungen werden vom CAD Programm selbstständig berechnet. Einzelne Flächen können mit einem Klick mit einer Schraffur ausgestattet werden.

Die Funktion zum Bewegen oder Zoomen der 2D CAD Zeichnung erleichtert das Erstellen größerer Konstruktionen. Mit Hilfe eines Plotters können die digitalen Zeichnungen auf Papier gebracht werden. Ein Plotter oder auch Kurvenschreiber kann Vektorgrafiken (in diesem Fall technische Zeichnungen) direkt drucken, ohne sie in Pixelgrafiken umwandeln zu müssen.

Die Vor- und Nachteile von 2D CAD Systemen kannst Du hier nachlesen.

2½ CAD

Das 2½ CAD war der nächste Schritt zum 3D CAD. Hierbei werden Körper durch Linien im Raum angedeutet. Der Körper selbst enthält jedoch kein mathematisch beschriebenes Volumen. Sein Inneres und seine Oberfläche sind nicht bestimmt.

2½D Modelle sind also falsche 3D Modelle. Aufgrund ihres Aussehen durch Linien und Kanten werden sie auch als Drahtmodelle bezeichnet. 2½ CAD Programme werden heute nicht mehr angeboten. Die Entwicklung von 3D CAD hat diese Technik abgelöst.

3D CAD

Beim 3D CAD wird ein virtuelles Modell eines dreidimensionalen Objekts erstellt. Außer der mathematischen, bzw. geometrischen Beschreibung des Körpers besitzt dieser auch physikalische Eigenschaften wie Dichte oder mechanische, optische und thermische Eigenschaften. So wird aus einem einfachen Volumenmodell ein realitätsgetreues Körpermodell.

Aufgrund der Eigenschaften lässt sich der Körper im 3D CAD System virtuell wiegen. Mit Hilfe einer Finite Element Analyse FEM (ist oft als zusätzliches Modul für das jeweilige CAD System erhältlich) lassen sich die Körper auch mit Kräften beanspruchen und auf Verformung und Bruch untersuchen.

Im Design werden hauptsächlich Flächenmodelle verwendet. Hier ist die Form der Oberfläche am wichtigsten und weniger der Körper selbst. Das Flächenmodell besitzt keine Masse und kein Volumen. Es besteht lediglich aus geometrischen Flächen, die jedoch meistens keinen bekannten Flächengleichungen ähneln.

Bei der Erstellung eines solchen Modells sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Zum Beispiel können mit Booleschen Operatoren wie Vereinigen oder Abziehen, Modelle aus einzelnen Körpern (Quader, Zylinder, Kegel, etc.) aufgebaut werden.

Eine andere Möglichkeit ist die Extrusion oder Rotation eines Profils. Bei der Extrusion wird aus einem geschlossenen Profil ein Körper mit der entsprechenden Tiefe oder Höhe generiert. Die Rotation kommt auch mit einem offenen Profil und einer Rotationsachse zurecht.

Die meisten 3D CAD Systeme wurden für das Betriebssystem Windows entwickelt. Es gibt jedoch auch einige Systeme für Mac OS – die besten Freeware Programme findest Du hier.

Allgemeine Datenformate

  • DXF (Drawing Interchange File Format)
    • wird als Industriestandard von allen CAD-Systemen unterstützt
    • Probleme beim Übertragen von einigen CAD-Formaten (Bemaßung, Schriftart, etc.) – es besteht die Möglichkeit, dass das Zielsystem diese nicht erkennt und Informationen verloren gehen
  • DWF (Design Web Format)
    • wurde von Autodesk konzipiert und war mit Plugins in Browser darstellbar
    • wird nicht mehr verwendet
  • IGES (Initial Graphics Exchange Specification)
    • ähnlich wie DXF, aber nicht so sehr verbreitet
    • für 2D-Zeichnungen und 3D Modelle (Flächen)
  • STEP (STandard for the Exchange of Product model data)
    • wird nicht von allen CAD-Systemen unterstützt
    • außer Geometriedaten können auch Materialeigenschaften, Farbe, Ansichten, etc. übermittelt werden
    • optimal für den Einsatz zwischen verschiedenen Anwendungsbereichen wie CAD, CAM, CAE, PDM
  • STL (Initial Graphics Exchange Specification)
    • wird hauptsächlich für die Bereitstellung dreidimensionaler Modelle bei 3D-Druckverfahren verwendet
    • Modelle sind aus Dreiecksflächen aufgebaut

CAD Anwendungen – Maschinenbau

  • AutoCAD (Autodesk)
  • CATIA (Dassault Systèmes)
  • Creo Elements/ Pro (PTC – Parametric Technology Corporation)
  • Inventor (Autodesk)
  • SolidWorks (Dassault Systèmes)
  • Solid Edge (Siemens PLM Software)
  • NX (Siemens PLM Software)

CAD Apps für mobile Geräte

Flexibilität und Mobilität sind Eigenschaften, die immer mehr auch von Konstrukteuren verlangt werden. Mit Hilfe mobiler Apps für Smartphones oder Tablet-PCs können technische Zeichnungen wie auch 3D-Modelle geöffnet, betrachtet und sogar bearbeitet werden.

Die folgenden Auflistungen sollen eine Hilfe bei der Auswahl der richtigen CAD App geben: