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Definition Was ist eigentlich 3D-CAD-Software?

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

3D-CAD oder dreidimensionale computergestützte Konstruktion ist eine Technologie für Konstruktion und Entwicklung, bei der das manuelle Zeichnen durch einen automatisierten Prozess ersetzt wird. Dabei werden Objekte dreidimensional aufgebaut. Wie 3D-CAD-Software funktioniert.

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Durch die realitätsnahe Visualisierung der Volumenmodelle kann der Konstrukteur dank 3D-CAD schon im CAD-System erkennen, ob es bei seiner Konstruktion Einbauprobleme gibt. Zudem sind die Daten für Folgeprozesse verwendbar, ermöglichen abteilungsübergreifende Besprechungen und verbessern die technische Dokumentation.
Durch die realitätsnahe Visualisierung der Volumenmodelle kann der Konstrukteur dank 3D-CAD schon im CAD-System erkennen, ob es bei seiner Konstruktion Einbauprobleme gibt. Zudem sind die Daten für Folgeprozesse verwendbar, ermöglichen abteilungsübergreifende Besprechungen und verbessern die technische Dokumentation.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

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. Nach den Regeln der Trigonometrie werden eine Vorderansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht gezeichnet. So werden Formen als 2D-Bilder dargestellt, indem sie aus diesen drei Winkeln betrachtet werden.

Objekte dreidimensional aufbauen

Bei der 3D-Modellierung mit 3D-CAD-Software werden geometrische Objekte in dreidimensionaler Form aufgebaut und gespeichert. Dadurch erlauben sie einerseits eine realitätsnahe Darstellung und bessere räumliche Vorstellung des Körpers bei und nach der Modellierung; andererseits lassen sich durch die Dreidimensionalität Darstellungen wie Schnitt- und Ansichtsdarstellungen, technische Zeichnungen, Stücklisten oder Arbeitspläne und Kollisionsbetrachtung oder Explosionsdarstellungen automatisieren.

Die 3D-Modelle lassen sich, ähnlich wie im 2D-Bereich, mittels verschiedener räumlicher Operationen transformieren (Translation, Skalierung, Rotation etc.) oder deformieren (Verjüngung, Verdrehung, Scherung, Beulen).

Welche 3D-Modelle es gibt

Im CAD kommen insbesondere folgende rechnerinterne Repräsentationsarten vor:

  • Drahtmodell: Das Drahtmodell ist ein konstruktives Hilfsmittel für die Computergrafik. Es schafft eine hohe Transparenz und benötigt eine wesentlich geringere Rechenzeit als die für die weitere Modellierung erforderlichen Flächenmodelle oder das nach dem Rendering gewonnene Volumenmodell.
  • Flächenmodell: Ein Flächenmodell ist eine 3D-Grafik, bei der die sichtbaren Flächen als farbige Polygone dargestellt werden, die miteinander verbunden sind. Voraussetzung für ein Flächenmodell ist ein Kantenmodell oder Drahtmodell, bei dem jedes einzelne Polygon eine bestimmte Farbe hat. Ein solches Polygon wird durch seine Eckpunkte, die durch Kanten verbunden sind, beschrieben.
  • Volumenmodell: Das Volumen- oder Körpermodell dient der Modellierung von 3D-Modellen mit einer realitätsnahen Anpassung, eine möglichst genaue Approximation der Realität.

Übrigens: Die erste 3D-CAD-Software, die die Technologie einem breiten Anwenderkreis zugänglich machte, war Solidworks. Die Software wurde im März 1995 veröffentlicht und kam ohne teure Hard- und Software aus, da sie 3D-CAD erstmals auf der Windowsplattform ermöglichte.

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Oberflächen- oder festkörperbasierte Modellierung

Es gibt zwei Verfahren zum Erstellen der Modelle. Bei der oberflächenbasierten Modellierung werden zur Erstellung dreidimensionaler Objekte Oberflächen in ein Drahtgitter eingefügt. Bei der festkörperbasierten Modellierung wird das dreidimensionale Objekt durch Hinzufügen und Entfernen von Festkörpern erstellt.

Übersicht über die Modellierungsmethoden

Aktuelle 3D-CAD-Software bietet Entwicklern und Konstrukteuren folgende Möglichkeiten für die Modellierung von Modellen, die häufig auch kombiniert zum Einsatz kommen:

  • Chronologie-basierte Modellierung: Hier kommen Datenstrukturen zur Anwendung, die den Erzeugungsverlauf des Modells aufzeichnen. Für den Benutzer wird dies in einem Chronologiebaum (History tree) dargestellt, der während der Modellierung laufend aktualisiert wird und in dem die einzelnen Modellierschritte und der Aufbau des Modells eingesehen und bei Bedarf in jeder Phase des Konstruktionsprozesses verändert werden können. So werden in der Chronologie bestimmte Abhängigkeiten dargestellt, die auf den Erzeugungsweg des Modells schließen lassen, wie z. B. die für eine Extrusion zugrundeliegende 2D-Zeichnung oder der für eine Durchdringung zugrundeliegende Volumenkörper. Die Elemente sind assoziativ verbunden, d. h. ändert sich das zugrundeliegende Element, ändert sich das darauf aufbauende Element automatisch mit.
  • Direkte Modellierung: Bei der direkten Modellierung steht die Geometrie im Mittelpunkt. Der Anwender muss sich nicht um die Chronologie seines Bauteils kümmern, sondern kann direkt auf die 3D-Geometrie als solches einwirken. Bei der direkten Modellierung können Konstrukteure ihr Modell schieben und ziehen, um es zu verändern. Ein Vorteil dieser Funktion ist die Leichtigkeit, mit der Designs geändert werden können, was schnelle Iteration und Prototyping ermöglicht.
  • Parametrische Modellierung: Parametrisch bedeutet, dass das Modell durch Parameter gesteuert wird, die Dimensionen, Musterungen, Wandstärken, Lochdurchmesser und -tiefen etc. umfassen können. Einfach ausgedrückt erstellen Ingenieure bei der parametrischen Modellierung eine 3D-Geometrie Schritt für Schritt. 2D-Skizzen werden um 3D-Features ergänzt, wobei Begrenzungen und Verhältnisse entsprechend der Absicht des Entwicklers angepasst werden können. Da jedoch jeder Schritt auf dem vorangegangenen Schritt basiert, erfordert die parametrische Modellierung eine sorgfältige Planung.
  • Featurebasierte Modellierung: Unter Feature-basierter Modellierung versteht man das Verwenden von Features zu Konstruktionszwecken. Dabei stellen Features Werkzeuge dar, mit denen konstruktive Aspekte als Einheit in das Modell implementiert und manipuliert werden können. Sie besitzen einen über die reine Geometrie hinausgehenden höheren Informationsgehalt, auf den andere Anwendungen zugreifen können, was zu einem höheren Automatisationsgrad der Prozesse führt. Die Features können hierbei sowohl geometrischer als auch/oder semantischer Natur sein, können eine Vielzahl an Produktinformationen in sich vereinen und weisen daher in Art und Umfang ihrer Repräsentation eine erhebliche Flexibilität und Varietät auf, weswegen sie auch in allen Branchen eingesetzt werden können.
  • Freiformmodellierung: Die Erstellung feingliedriger Bauteile kann sich mit herkömmlichen Modellierungstechniken als schwierig erweisen. Hier stellen Freiformwerkzeuge eine alternative Modellierungsmethode dar, mit der Freiformmodelle durch Direktbearbeitung erstellt und bearbeitet werden können. Mithilfe der Freiformbefehle können Anwender ein parametrisch erstelltes Modell überarbeiten und so eine optisch ansprechende Konstruktion entwickeln. Bei der Freiformbearbeitung geht man von einer von fünf grundlegenden Freiformkörpern aus: Quader, Quadball, Zylinder, Torus und Kugel. Diese Formen können mit verschiedenen Werkzeugen bearbeitet, verbunden oder an bereits vorhandene Geometrie angepasst werden. Der daraus entstehende Freiformvolumenkörper kann mit 3D-Modellelementen kombiniert und dadurch geändert werden.
  • Baugruppenmodellierung: Bei der Baugruppenmodellierung werden getrennt gespeicherte CAD-Modelle durch Referenzieren zu einem ganzheitlichen Modell zusammengebaut, wobei die so erzeugte Datei nur Verweise zu den Modellen und keine Geometrie enthält. Hierbei lassen sich die Einzelteile zueinander in Beziehung bringen, etwa mittels Abstandsangaben zu Flächen oder Punkten. Ein Baugruppenstrukturbaum erleichtert die Übersicht. Der Vorteil der Baugruppenmodellierung ist insbesondere die Gesamtdarstellung des Produkts mit seinen Einzelteilen und dient der Überprüfung von Kollisionen und des Zusammenbaus.

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