CAD

CAD (von engl. computer-aided design [kəmˈpjuːtə ˈeɪdɪd dɪˈzaɪn], zu Deutsch rechnergestützter Entwurf oder rechnerunterstützte Konstruktion) bezeichnet ursprünglich die Verwendung eines Computers als Hilfsmittel beim technischen Zeichnen. Die Zeichnung wird als ebenes, zweidimensionales Objekt (2D) mit Hilfe des Computers angefertigt. Dabei ist sie anfänglich auf Vektorbildschirmen, später auch auf normalen Monitoren sichtbar und kann mit Hilfe von Plottern und in der weiteren Entwicklung auch mit Druckern auf Papier ausgegeben werden.

Inzwischen ist in fast allen CAD-Anwendungen die dritte Dimension (3D) hinzugekommen. Damit bezeichnet CAD auch die Bildung eines virtuellen Modells dreidimensionaler Objekte mit Hilfe eines Computers. Von diesem können die üblichen Technischen Zeichnungen abgeleitet und ausgegeben werden. Möglich ist auch, die Fertigungsmaschinen für technische Objekte direkt vom Computer aus anzusteuern. Ein besonderer Vorteil ist, vom bereits virtuell bestehenden dreidimensionalen Objekt eine beliebige räumliche Abbildung auf dem Bildschirm oder auf Papier zu erzeugen.

CAD hat das Zeichenbrett und viele Routine-Tätigkeiten verdrängt. Betroffen sind alle Zweige der Technik: Architektur, Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Elektrotechnik und all deren Fachrichtungen und gegenseitige Kombinationen bis hin zur Zahntechnik.

CAD wird als Grafikdesign auch dort angewendet, wo ausschließlich Bildhaftes herzustellen ist.

Grundlagen und Technik

2D-CAD

Ein einfaches 2D-CAD-System ist ein vektororientiertes Zeichenprogramm. Eine damit angefertigte technische Zeichnung besteht ebenso wie eine auf Papier angefertigte vorwiegend aus Linien. Gerade Linien beziehungsweise zwei sie beschreibende Punkte sind folglich die Basis-Objekte in einem CAD-System. Kreise, Ellipsen, Polylinien oder gar Splines sind bereits etwas komplexere Objekte. Man fügt den Objekten noch wählbare Attribute wie Farbe, Linientyp und Linienbreite hinzu. Mit der Möglichkeit, ihre Objekte mit sogenannten Werkzeugen zu bearbeiten und die virtuelle Zeichnung zu beschriften, sind fast alle Tätigkeiten auf Papier auch im CAD-System ausführbar.

Werkzeuge ermöglichen und erleichtern zum Beispiel das Erzeugen, Positionieren, Ändern und Löschen von Objekten, Zeichnen von Hilfslinien, Finden von ausgezeichneten Punkten der Objekte (zum Beispiel End- und Mittelpunkte von Linien, Mittelpunkte von Kreisen usf.), Zeichnen von Lotrechten, Tangenten und Äquidistanten zu Objekt-Linien und das Schraffieren geschlossener Linienzüge. Die vollständige Bemaßung wird erstellt, nachdem lediglich deren Endpunkte (zum Beispiel ein Längenmaß) oder das Objekt (zum Beispiel ein Bogen für dessen Radius) ausgewählt wurden. Die Genauigkeit der Abmessungen ist ein Vielfaches von denen in einer klassischen Zeichnung. Indirekt erzeugte Maße müssen nicht aufwändig errechnet werden, sie lassen sich aus der CAD-Zeichnung ablesen.

Sich wiederholende Objekte können gleich von Anfang an "in Serie" erzeugt werden. Objekt-Gruppen lassen sich als Ganzes verändern, zum Beispiel strecken oder stauchen oder auch nur proportional vergrößern oder verkleinern.

Ein organisatorisches Hilfsmittel ist die Anfertigung der Zeichnung in Teilen auf verschiedenen Ebenen (Layertechnik). Das enstspricht der Anfertigung einer klassischen Zeichnung auf mehren transparenten Papieren, die übereinander gelegt das ganze darstellen.

Darstellungen von Norm- und Wiederholteilen können in einer Bibliothek abgelegt und von dort wieder bezogen und eingefügt werden. Teilbereiche lassen sich vergrößert darstellen (Zoom), so dass eine geringe Bildschirmauflösung (1600×1200 Pixel sind für CAD-Anwendungen eine geringe Auflösung) nicht hinderlich ist.

Ein weiteres Leistungsmerkmal moderner 2D-CAD-Systeme ist die Verwendung von Assoziativität zwischen Zeichnungsobjekten, zum Beispiel zwischen Linien und Bemaßungen. Moderene CAD-Systeme haben auch Schnittstellen zur Erweiterung der Funktionalität mittels zufügbaren Programm-Teilen.

​2½D-CAD

Der Schritt, mit CAD auch ein räumliches Gebilde zu erzeugen, beginnt mit Draht-Modellen. Dem liegt zu Grunde, eine Linie als Draht aufzufassen. Mit der Kreation mehrerer Zeichen-Ebenen im Raum, im einfachsten Fall mit mehreren xy-, xz- und yz-Ebenen im räumlichen kartesischen Koordinatensystem ist zum Beispiel ein Quader mit Hilfe seiner Kanten darstellbar. Die Schwierigkeit, vorne und hinten bei schräger Betrachtung (ein zusätzliches Werkzeug, wobei 3D-Ansichten berechnet werden) unterscheiden zu können, führte zum Werkzeug verdeckte Kanten ausblenden.[2] Die in einem solchen 2½D-CAD-System verwirklichte Modellierung bedeutet einen auch wegen der Langsamkeit dieses Befehls spürbare Aufwand-Vergrößerung. Unter anderem müssen gedanklich undurchsichtige Flächen über die Draht-Rahmen gespannt werden.

Eine anderer 2½D-CAD-Schritt, räumliche Gebilde zu erzeugen, ist, den Objekten eine Höhe mitzugeben. Mit dieser Angabe wird zum Beispiel aus einer Gerade eine undurchsichtige Wand (ohne Dicke), aus einem Kreis ein undurchsichtiger Zylinder (ohne Wanddicke oder Volumen), aus einem Rechteck ein Quader und so fort. Diese Möglichkeit wurde in ersten Architekturprogrammen genutzt. Auch eine Erhebung, das heißt eine Normal-Verschiebung aus der Zeichenebene heraus, wird dem Objekt hinzugefügt. Eine Steigerung ist, das Objekt mit Höhe und Erhebung um eine beliebige Achse im Raum drehen zu können. Die Aufgabe, die nicht sichtbaren Kanten zu verdecken, besteht auch hier.

3D-CAD

Die mit 3D-CAD gelöste Aufgabe ist wesentlich anspruchsvoller, als in einer Ebene zu zeichnen, wie es mit 2D-CAD gemacht wird. Im Computer wird ein virtuelles Modell eines dreidimensionalen Objektes erzeugt. Dabei geht es längst nicht mehr darum, nur dessen Geometrie, sondern möglichst viele seiner Eigenschaften zu simulieren. Beim sogenannten Körper-Modell hat das Objekt ein Volumen mit physikalischen Eigenschaften wie zum Beispiel Dichte, Elastizitätskoeffizient, zulässige Verformungs- und Bruchspannung, thermische und elektrische Leitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient. Es hat eine Oberfläche mit einer Struktur und optischen Eigenschaften. Ein entsprechendes Objekt lässt sich virtuell wiegen, elastisch, plastisch und thermisch verformen. Seine Geometrie und seine Materialeigenschaften sind die Vorgaben zum Beispiel für ein Finite-Elemente-Programm, mit denen es bezüglich Verformung und Bruch untersucht wird. Man kann es beleuchten und seine optischen Eigenschaften dabei erkennen.

Ein Zwischenschritt ist das sogenannte Flächen-Modell. Es ist unentbehrlich und wurde vervollkommnet für Anwendungsfälle, bei denen die Oberflächen-Form eines Gegenstandes primär wichtig ist. Bei Automobilen sind es die von der Ästhetik und vom momentanen Geschmack bestimmten ziemlich beliebigen Formen der Karosserie-Bleche, bei Flugzeugen die aus strömungstechnischen Optimierungen stammenden Formen der Flügel- und Rumpf-Bleche, die auch meistens keine mit bekannten Flächen-Gleichungen beschreibbare Formen haben. Das Flächen-Modell ist als Blechmodell vorstellbar, hat aber wie das Drahtmodell auch keine Masse. Seine Objekte sind lediglich geometrische Flächen.

Volumen-Modelle werden in der Regel aus einfachen Grundkörpern (Quader, Pyramide, Zylinder, Kegel, Kugel, Torus) zusammen gesetzt, was durch die Möglichkeit ihrer Booleschen Verknüpfung begünstigt wird. Zum Beispiel kann ein liegendes Dreikant-Prisma mit einem vertikalen Quader vereinigt werden, wenn ein Schornstein aus einem Hausdach herausragen soll. Durch Bewegen einer ebenen Kontur auf einer zur Ebene senkrechten Linie (sogenannte Extrusion oder Rotation) lassen sich ebenfalls Grundkörper gewinnen (ein Sonderfall ist der Torus: ein Kreis wird auf einem Kreis bewegt).

Entwicklung der Modellierungsverfahren

Flächenmodell
​Die den Körper begrenzenden Flächen werden durch eine mathematische Beschreibung, zum Beispiel durch NURBS-Flächen, beschrieben. Zusätzlich wird in der Regel noch die Topologie der Flächen mit abgespeichert, das heißt, welche Fläche an welche andere Fläche grenzt.
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 zur Feststellung von Durchdringungen sowie zur Volumenbestimmung eines dargestellten Körpers.
Körpermodell
​Ein technologisches Modell, das 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. Ein solches Modell kann zum Rendern, also zur photorealistischen Darstellung eines Objekts, aber auch zur Fertigung desselben dienen, wenn es entsprechende Informationen enthält.
​Parametrisches Modell
​Hier werden Volumen, Körper, Flächen und Bedingungen/Beziehungen assoziativ durch Parameter beschrieben. Dadurch wird der Charakter eines Modells zu einem neuen zusammengesetzten Parameter gebildet, wodurch das Modell selbst parametrisiert wird. Eine einmal konstruierte Schraube kann so, nur durch Veränderung z. B. des Parameters Gewindedurchmesser sofort beliebig große fertige Schrauben generieren. Das spart enorm Zeit, Speicherplatz und erlaubt zusätzlich effiziente (parametrierte) Normteilbibliotheken. Wesentlich wichtiger aber ist die Parametrierung im Entwicklungs- und Konzept-Bereich. Dort ist es dem Konstrukteur sehr schnell möglich, ein Konzept in weiten Grenzen zu modifizieren, ohne das Modell neu aufbauen zu müssen. Unbedingte Voraussetzung ist dabei immer eine saubere fehlerfreie Parametrierung durch den Benutzer bzw. Konstrukteur.
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.

CAD-Programme

CAD-Programme gibt es für zahlreiche verschiedene Anwendungsfälle und Betriebssysteme. Siehe dazu die Liste von CAD-Programmen und die Liste von EDA-Anwendungen.´

Mechanische Konstruktion

  • Mechanische CAD-Lösungen finden sich vor allem in den folgenden Bereichen:
  • Bauwesen
    • Architektur (CAAD)
    • Holzbau
    • Ingenieurbau
    • Historische Rekonstruktion
    • Städtebau
    • Wasserbau
    • Verkehrswegebau
  • Vermessungswesen
  • Produktdesign
  • Holztechnik
  • Maschinenbau
    • Anlagenbau
    • Fahrzeugbau
    • Formen- und Werkzeugbau
    • Verpackungsentwicklung und Stanzformenbau
    • Antriebstechnik
    • Schaltpläne in der Hydraulik
    • Schaltpläne in der Pneumatik
    • Mechanische Simulation,
    • siehe auch Finite-Elemente-Methode (FEM/FEA)
  • Schaltpläne in der Elektrotechnik
  • Schiffbau
  • Zahnmedizin
  • Schmuck- und Textilindustrie

Elektronische Schaltungen

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Entwurf von elektronischen Schaltungen. Entsprechende Programme werden oft auch unter den Begriffen eCAD und EDA 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. Damit 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 – 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.

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. STEP gilt als die beste Schnittstelle für Geometriedaten. Wobei auch Informationen wie Farben, Baugruppenstrukturen, Ansichten, Folien und Modellattribute übergeben werden können. 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. Für den Einsatz als CAD-CAD Austauschformat ist es eher nicht geeignet, wohl aber zur Übergabe an z. B. Animations- und Renderingsoftware.
  • STL - aus Dreiecksflächen aufgebaute Modelle. Wird vorwiegend zur Übergabe an Rapid Prototyping Systeme verwendet.

Mit den CAD-systemneutralen Formaten 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.


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