Was ist CAD?

Artec 3D-Scanner erfassen mit ausreichender Genauigkeit für komplexe CAD-Konstruktionen

Computergestütztes Design gilt als hochmodernes und zugleich weit verbreitetes Werkzeug zur Produktentwicklung, und viele meinen wohl, es sei erst vor kurzem erfunden worden. Doch ganz im Gegenteil: Dr. Patrick Hanratty legte bereits 1957 mit PRONTO, dem ersten kommerziellen numerischen Steuerungssystem, den Grundstein.

Sechs Jahre später ging Ivan Sutherland mit dem SketchPad, einer bahnbrechenden Maschine, die die ersten Interaktionen zwischen Mensch und Computer ermöglichte, noch einen Schritt weiter. Obwohl Sutherlands Gerät nur grundlegende Elemente wie Bögen und Liniensegmente unterstützte, ermöglichte seine Erfindung das Zeichnen mechanischer Konstruktionen auf dem Bildschirm besser als jemals zuvor und wurde damit ein Vorläufer künftiger CAD-Systeme.

Wenig später begannen die Unternehmen, ihre eigenen CAD-Programme auf den Markt zu bringen. Mit dem von Hanratty gelieferten Code führte McDonnell Douglas 1967 eine Computersoftware für das Layout und die Geometrie von Teilen ein. Das Unternehmen ist zwar inzwischen verschwunden und mit Boeing fusioniert, doch seine CAD-Plattform MicroGDS erwies sich als so erfolgreich, dass sie auch heute noch verwendet wird.

Im Laufe der Jahrzehnte blieb CAD ein heißes Thema auch in Forschung und Entwicklung. Bei Computervision, einem der ersten großen Unternehmen der Branche, entwickelte Dr. Ken Versprille 1975 NURBS (non-uniform rational b-splines). Diese Funktion, die heute ein wichtiger Bestandteil der 3D-Modellierung ist, ermöglicht die Erstellung komplexer CAD-Modelle mit gekrümmten Oberflächen.

Seitdem haben Fortschritte wie die parametrische Modellierung, die zuerst von CREO kommerzialisiert wurde, die Art und Weise, wie CAD genutzt wird, verändert – denn nun wurde es möglich, Modelle auf der Grundlage voreingestellter Parameter zu optimieren. Wenn zum Beispiel lediglich einige Merkmale geändert werden müssen, reicht es aus, die Parameter eines Modells in den ersten Skizzen anzupassen, um es komplett neu zu berechnen und zu formen.

In jüngster Zeit hat sich die CAD-Technologie zudem immer weiter 3D-Druck und 3D-Scannen angenähert, und neue Funktionen werden die beiden Technologien immer näher zusammenbringen.

Im Großen und Ganzen lassen sich die verschiedenen CAD-Arten in Solid-, Drahtgitter- und Flächenmodellierung unterteilen. Auch wenn es noch andere Ansätze gibt, lassen sich die meisten in diese drei Kategorien einordnen.

Die Volumenmodellierung eignet sich ideal, um primitive Formen wie Linien, Bögen, Kugeln und Würfel zu komplexen Modellen zusammenzusetzen und dabei ein berechenbares Objektvolumen zu erhalten. Auf diese Weise können die Konstrukteure ihre Entwürfe ständig überprüfen und sicherstellen, dass sie praktikabel hergestellt werden können.

Im Gegensatz dazu werden bei der Drahtgittermodellierung nur die Kanten- und Eckflächen eines Modells dargestellt, so dass sie mit größerer Raffinesse gestaltet werden können. Auf technischer Ebene wird dies dadurch erreicht, dass Modelle als Scheitelpunkte dargestellt werden, die durch „Flächen“ verbunden sind und die modifiziert werden können, um ihre Position zu ändern und gekrümmte Oberflächen auf der Außenseite eines Objekts zu erstellen.

Fortschritte in der CAD-Technologie beseitigen immer mehr Limitierungen in Konstruktionsverfahren

Bei der Flächenmodellierung schließlich können die Nutzer Modelle über eine Reihe von Führungslinien oder Kontrollpunkten erstellen. Diese werden dann von CAD-Plattformen, die jeweils den einfachsten Weg berechnen, zu Flächen verbunden. Wie Sie sich vorstellen können, eignet diese Methode mit ihrem besonderen Fokus auf flexibel gestaltete Oberflächen ideal für die Modellierung im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrt, wo nicht zuletzt die Luftströmung eine wichtige Rolle spielt.

Andere Ansätze, wie etwa das generative Design, versprechen, menschliche Fehler ganz aus der Gleichung zu streichen. Designer können jetzt KI mit der Lösung von Designproblemen beauftragen, ganz gleich, ob es sich um Faktoren Gewicht, Kosten oder Leistung geht. Alles, was sie dazu tun müssen, ist, die Parameter einzugeben, nach denen sie arbeiten, bevor die Algorithmen den Rest erledigen.

Doch ist KI nicht die einzige fortschrittliche Technologie, die im CAD-Bereich Wellen schlägt. Denn mit dem 3D-Scannen ist es mittlerweile möglich, Konstruktionsschritte nicht nur zu automatisieren, sondern einige ganz überflüssig zu machen, indem bestehende Produkte digitalisiert und als Grundlage für zukünftige physische Prototypen verwendet werden.

So lässt sich also das 3D-Scannen in die 3D-CAD-Konstruktion integrieren. Aber was geschieht, nachdem Sie die benötigten Daten erfasst haben? Können Sie die Scans einfach in der CAD-Software bearbeiten?

Nun, nicht sofort. Zunächst müssen die Scans in solide 3D-Modelle umgewandelt werden, und auch dieser Arbeitsablauf wird dank der Fortschritte bei den „Scan-to-CAD“-Programmen, die als Brücke zwischen Polygonnetz und Modell dienen, immer einfacher.

Der Weg vom Scan zu CAD erfordert ein paar Arbeitsschritte, doch die Ergebnisse sprechen für sich

Artec Studio ist eine hervorragende Plattform, um diesen Arbeitsablauf zu beginnen. Die Software rationalisiert die Erfassung und Verarbeitung von Scandaten und vereinfacht einige Schritte bis auf einen einzigen Klick. Geometrie- und Texturverfolgungsalgorithmen stellen sicher, dass Teile mit hoher Detailgenauigkeit erfasst werden können. Und dank der stetig wachsenden Funktionalität der Plattform für boolesche Operationen können die Polygonnetze effizient verbessert werden, etwa durch Verdickung fragiler Oberflächen.

Artec Studio bietet Ihnen alles, was Sie für die Vorbereitung Ihres Polygonnetzes und die Durchführung für das Reverse-Engineering wichtiger Aufgaben benötigen. Auf der Plattform können Sie Flächen verschieben und versetzen, um Modifikationen vorzunehmen, mit Fasen- und Verrundungswerkzeugen polieren und neue Formen durch Hinzufügen, Subtrahieren oder Überschneiden von Primitiven mit anderen Modellen erstellen – und das alles an einem Ort.

Programme wie Geomagic for SOLIDWORKS beschleunigen den Prozess der Umwandlung des verfeinerten Polygonnetzes in ein CAD-Modell. Das Add-on wird direkt in Ihren Arbeitsbereich in SOLIDWORKS integriert und bietet Ihnen die notwendigen Werkzeuge zur Feature-Extraktion, die Sie benötigen, um solide, bearbeitbare Modelle aus Scandaten zu erstellen. Wenn Sie eine bestehende Konstruktion schnell, einfach und präzise in einer vertrauten Oberfläche korrigieren oder bearbeiten möchten, ist das Programm ein idealer Begleiter für Artec Studio.

Für ein profunderes Reverse Engineering verfügt die führende Software Geomagic Design X über ein umfassenderes „Scan-to-CAD“-Toolset. Dank des exakten Surfacings ist es möglich, komplexe Freiformen zu rekonstruieren und dann die Patching-Funktion der Plattform einzusetzen, um unmittelbar Oberflächenkörper hinzuzufügen, die den Objektkonturen und -Kurven genau folgen.

Geomagic entwickelt einige der führenden Scan-to-CAD-Plattformen der Branche

Und wenn es um 2D- und 3D-Skizzen geht, bietet Design X die perfekte Grundlage für eine schnelle Scan-basierte Konstruktion. Auto Sketch kann verwendet werden, um die Geometrieextraktion zu beschleunigen. Es lässt sich so konfigurieren, dass Formen automatisch an Polylinienelemente angepasst werden, und zwar so, dass die gewünschten Parameter eingehalten werden. Andere Werkzeuge wie Loft und Sweep erleichtern das Verschmelzen von Abschnitten zu nahtlosen Oberflächen.

Generell überschneiden sich CAD- und Scan-to-CAD-Programme inzwischen in erheblichem Maße, da viele herkömmliche Designplattformen 3D-Scan-freundliche Funktionen integrieren. Als nächstens werfen wir einen Blick auf einige der beliebtesten Programme, was sie bieten und wo sie am besten eingesetzt werden.

Produktdesign

Auch wenn die Iteration für die Gewährleistung der Produktqualität in einer Reihe von Branchen notwendig ist, haben unter diesen viele eine Gemeinsamkeit: die Abhängigkeit von CAD. In einigen Bereichen werden die ersten Entwürfe zwar immer noch auf herkömmliche Weise gezeichnet, doch die langwierigen, immer wieder neu anstehenden Anfertigungen von Skizzen, die in der Vergangenheit die Markteinführung von Produkten verzögerten, sind weitgehend überwunden worden worden.

Die CAD-Konstruktion setzt sich sogar in der Automobilbranche, wo das Zeichnen von Hand besonders gepflegt wird, durch.

Abgesehen von der Schnelligkeit der Prototypenerstellung hat die Einführung von CAD dazu beigetragen, Probleme im Zusammenhang mit der Fehlinterpretation und dem Austausch von maßstabsgetreuen Diagrammen zu überwinden. Die Digitalisierung des Designs und die Allgegenwart von CAD haben zudem ein zuvor undenkbares Maß an Automatisierung und Zusammenarbeit möglich gemacht.

Doch hat Einführung von CAD nicht nur die Art und Weise verändert, wie Produkte entworfen werden, sondern auch in anderer Hinsicht völlig neue Wege eröffnet. Früher musste etwa für die Vorschau eines frühen Entwurfs ein Modell angefertigt und versandt werden. Heute sind Unternehmen wie das Luxusmöbelunternehmen Sherrill Furniture in der Lage, Möbel mit 3D-Scans innerhalb von Minuten zu digitalisieren und diese Daten zu nutzen, um jede Woche Dutzende von CGI-Lounge-Artikeln zur individuellen Gestaltung und 3D-Visualisierung zu erstellen.

Ermöglicht wird dies durch den blitzschnellen Artec Leo mit 35 Millionen Bildpunkten pro Sekunde. Mit seiner einfachen Funktionalität, die Scans per Klick ermöglicht, und seiner Genauigkeit im Submillimetergenauigkeit macht Leo die Erfassung komplizierter, texturreicher Gegenstände wie Möbel in überfüllten Ausstellungsräumen schnell und einfach. Und er erschließt noch weitere Anwendungsfelder, wie wir weiter unten erläutern werden.

Ingenieurswesen

CAE ist der Bereich, in dem CAD für Maschinenbauingenieure wirklich nützlich ist: als Mittel zur Analyse der Leistung von mechanischen Teilen und Baugruppen, bevor sie in die Produktion gehen. Ähnlich wie beim Produktprototyping erspart dies den Herstellern die Anfertigung unnötiger Modelle, da sie stattdessen simulieren können, wie diese funktionieren werden.

Die Konstruktion erfordert jedoch ein völlig anderes Simulations-Toolset. Autodesk hat dies mit Inventor erkannt und bietet eine Plattform, die die Grundlagen der manuellen Konstruktion mit Werkzeugen für die statische und modale Belastungsanalyse kombiniert, um zu testen, ob die Produkte den festgelegten Belastungen standhalten.

An anderer Stelle bietet Siemens die in CAD eingebettete Software Simcenter FLOEFD für numerische Strömungsmechanik (CFD) an. Mit CFD-Simulationen lässt sich vorhersagen, wie Flüssigkeiten wie Luft und Wasser ein Modell umströmen – und wie sie kanalisiert werden können, um es aerodynamischer zu machen. Dies ist besonders wichtig in Bereichen wie dem Radsport, wo die Minimierung des Luftwiderstands der Schlüssel zum Erfolg ist.

Mithilfe der mit Leo und dem ultrapräzisen Artec Space Spider erfassten Daten hat das britische Simulationsunternehmen Vorteq diesen Ansatz auf die nächste Stufe gehoben und das schnellste Rennrad der Welt gebaut. Während dank der Geschwindigkeit und der kabellosen Tragbarkeit von Leo die Erfassung für vergleichende Analysen beschleunigte, war es die schiere Detailgenauigkeit von Space Spider mit seiner Auflösung von 0,1 mm, die es möglich machte, die Kräfte, die durch den Rahmen des Fahrrads wirken, mit CFD zu modellieren.

Da auch andere Funktionen, wie die dynamische Mehrkörperanalyse (zur Untersuchung des Verhaltens miteinander verbundener Körper), in vielen Plattformen Einzug halten, bleibt die Detailkonstruktion eindeutig einer der spannendsten Bereiche im CAD-Design.

Automobilbau

In der Automobilbranche ist die Kunst des handgezeichneten Entwurfs nach wie vor sehr lebendig, doch hat sich mit CAD-Modellierung der Sprung ins 21. Jahrhundert vollzogen. Der Prozess beginnt zwar immer noch mit Skizzen, doch können die Ingenieure diese schnell in virtuelle Entwürfe umzuwandeln, indem sie alles auf CAD-Plattformen digital zeichnen und die daraus resultierenden Modelle verwenden, um lebensgroße Prototypen für Tests zu erstellen.

Viele Tuning-Firmen erfassen bestehende Modelle und entwerfen dann digital die gewünschten Erweiterungen.

Die Digitalisierung von Konzeptentwürfen erhöht die Präzision der Abläufe und ermöglicht es den Nutzern, sicherzustellen, dass die Produkte wie vorgesehen passen und funktionieren. Außerdem entstehen Modelle, die in Simulationen eingesetzt werden können, um zu ermitteln, wie sich ein Teil oder eine Baugruppe unter Belastung verhält. Unabhängig davon, ob es sich um eine aerodynamische oder physikalische Belastung handelt, können die Ergebnisse zur Analyse der Sicherheit und Leistung des Entwurfs verwendet werden.

Mit 3D-Scannen ist es nun möglich, Modelle von realen Objekten schnell und derart genau zurückzuentwickeln, dass sie für die Produktiteration verwendet werden können. In der Vergangenheit hat zu solchen Zwecken das SNAG Racing Rallye Team die hochflexible Artec Eva - eine bewährte Lösung für die Digitalisierung mittelgroßer, strukturierter Teile - eingesetzt.

Der Wechsel von der Papiermodellierung zum 3D-Scannen für die Entwicklung von Rallyeauto-Verbesserungen ermöglichte es den Spezialisten, Festigkeit, Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit der Fahrzeuge zu verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten und Vorlaufzeiten zu senken.

Architektur

CAD wird zwar für die Planung von Architektur jeglicher Form und Größe eingesetzt, doch geschieht dies in der Regel mit spezieller Software und nicht mit herkömmlichen Programmen. Ähnlich wie bei der Erstellung von Produktskizzen ermöglicht die Digitalisierung der Bauplanung und des Projektmanagements iterative Änderungen (in diesem Fall auf Wunsch des Kunden), ohne dass die Bauingenieure jeweils von vorne beginnen müssen.

Dieses Verfahren, das häufig als Building Information Modeling (BIM) und nicht als CAD bezeichnet wird, ermöglicht es den Architekten auch, eine Vorschau auf das spätere Aussehen der Baupläne zu erhalten. Beliebte Softwarepakete wie ArchiCAD bieten den Anwendern sogar an, fotorealistische Visualisierungen zu erstellen, noch lange bevor der erste Spatenstich erfolgt, um Innenarchitekten zu unterstützen und Immobilien im Voraus zu vermarkten.

3D-Scannen mit großer Reichweite ermöglicht die Digitalisierung von Anlagen und steigert die Effizienz vor Ort

Da es meist sehr viele Beteiligte an einem Bau gibt, ist BIM auch ein wichtiges Werkzeug für die Standortplanung. Im Wesentlichen besteht die BIM-Modellierung aus sieben Ebenen der Zusammenarbeit, wobei die erste Ebene die 2D-Zeichnungen sind und die letzte Ebene die Umwandlung in ein 3D-Modell und die gemeinsame Nutzung durch alle Beteiligten. Da besonders die letzte Stufe eine effiziente Baustellenplanung und Kostenkalkulation ermöglicht, gilt diese auch als die modernste und bahnbrechendste.

Zahnmedizin und Medizin

CAD ist auch in der Zahnmedizin auf dem Vormarsch, auch wenn es hier häufiger für die Herstellung individueller Implantate eingesetzt wird denn als reines Entwurfswerkzeug. Bei der zahnmedizinischen CAM-Technik werden die Zähne entweder anhand von Abdrücken oder Scans des Patientenmundes in 3D modelliert und als Grundlage für die Herstellung von Zahnersatz verwendet.

Bevor sich CAD/CAM in den 1980er Jahren richtig durchsetzte, waren für die Herstellung individueller Kronen, Implantate oder Prothesen mehrere Besuche beim Zahnarzt erforderlich, damit Abdrücke für die Produktion angefertigt wurden. Heute können sich Zahnärzte diese Arbeitsschritte sparen, indem sie einfach 3D-Scans verwenden, um das Lächeln mit ausreichender Präzision zu erfassen und perfekt passende Zahnimplantate zu entwickeln.

Das Center for Implant Dentistry etwa hat einen Weg gefunden, superpräzise Vollfarbscans von Space Spider mit intraoralen Scans zu kombinieren, um unglaublich realistische Zahnmodelle zu erstellen. Dies beschleunigt nicht nur den Planungsphase vor der Fertigung Implantate beschleunigt, sondern ermöglicht es den Patienten auch, ihr neues Lächeln in einer digitalen Vorschau zu sehen. Wenig überraschend ist die Popularität der Klinik seitdem sprunghaft gestiegen.

Es überrascht nicht, dass der 3D-Druck angesichts der einfachen Umwandlung von CAD-Daten in STL-Dateien zu einer beliebten Alternative zur Beauftragung von Speziallaboren. Zudem verspricht die Kombination der beiden Technologien ein großes Potenzial für präzisere zahnmedizinische Ergebnisse.

Auch in anderen Feldern der Medizin kommt der 3D-Druck allmählich in Schwung: Hier werden die Bemühungen fortgesetzt, CAD in das klinische Standarddatenformat DICOM zu integrieren. Es wird erwartet, dass die weitere Einführung von CAD die Anpassung von Gipsen und Prothesen erleichtern und die chirurgische Planung und die Entwicklung von Medikamenten durch biologische Modellierung vorantreiben wird.