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Praktische Anwendung von CAD-Software und 3D-Scannen

29. Jul. 2022
Lesezeit 11 Min.
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Falls Sie sich gerade fragen, ob Sie zur Erfüllung der Design- oder Konstruktionsanforderungen Ihres Unternehmens oder Ihrer Kunden ein CAD-System benötigen, dann sollten Sie weiterlesen. Was zunächst wie eine beträchtliche Investition angesichts einer schwindelerregenden Auswahl erscheinen mag, kann sich als eine der besten Entscheidungen, die Sie überhaupt treffen könnten, erweisen und Ihnen in Zukunft ungeahnte Mengen an Zeit, Energie und Kosten ersparen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über moderne CAD-Systeme, über die Arten von Herausforderungen, die sie mit dieser Technik lösen können, und darüber, wie das 3D-Scannen verschiedene CAD-Arbeitsabläufe – von der Inspektion bis zur Flächenrückführung – und noch vieles mehr erheblich verbessert.

ARTEN VON CAD-SOFTWARE
Parametrische Modellierung, direkte Modellierung
VERSCHIEDENE ANWENDUNGEN VON CAD
Technische Zeichnungen, Grundrisse, Schemata, Lagepläne und mehr
3D-SCANNEN UND SCAN-TO-CAD-LÖSUNGEN
Inspektion, Reverse Engineering, Rapid Prototyping usw.

Einführung

Vor der Markteinführung von CAD-Software wurden fast alle Konstruktionsarbeiten von Hand durchgeführt, indem man Abmessungen und Merkmale manuell auf Papier zeichnete. Mit CAD-Software hat sich das alles geändert – dies bedeutet jedoch nicht, dass ein einziges Programm die Anforderungen aller Designer, Ingenieure und Architekten erfüllen kann. Um genau zu verstehen, welche Anforderungen Sie an computergestütztes Design haben, sollten Sie sich zunächst ansehen, welche Optionen heutzutage zur Verfügung stehen, warum Sie möglicherweise eine Lösung gegenüber einer anderen bevorzugen sollten und wie eine Zusatzlösung, das 3D-Scannen, Ihre CAD-Ergebnisse verbessern und sich in den kommenden Monaten und Jahren um ein Vielfaches auszahlen kann.

Warum CAD-Software? Wer verwendet CAD-Software?

Es kann nicht genug betont werden, wie viel einfacher der Design- und Konstruktionsprozess wird, wenn man nur CAD-Software verwendet: von den ersten Konzept- und Entwurfsphasen über die Analyse von Bauteilen und Baugruppen bis hin zur eigentlichen Herstellung und Verpackung der Produkte.

Die Möglichkeit, kleinere oder größere Änderungen an Maßen oder Formen vorzunehmen und dann zu sehen, wie sich diese Änderungen im Handumdrehen auf den gesamten Entwurf ausbreiten, ist von unschätzbarem Vorteil für moderne Design-Workflows. Mit Papier und Bleistift lässt sich das nicht erreichen.

Genauigkeit im Submillimeterbereich

Mit den modernen computergestützten Designlösungen können Sie Modelle erstellen, die ihre realen Gegenstücke mit einer Toleranz von wenigen Mikrometern genau wiedergeben. Anders als bei handgefertigten Entwürfen und 2D-Zeichnungen verschwenden Sie mit CAD-Software keinerlei Zeit damit, Entwürfe oder neue Layouts von Grund auf neu zu erstellen.

Wenn Sie in 3D arbeiten, sind Ihre Hände nie an ein Standard-Layout mit sechs Ansichten gebunden – Sie können umgehend aus Hunderten von möglichen Blickwinkeln mit beliebigen Vergrößerungsgraden wählen.

Höchstwahrscheinlich wird das, was Sie entwerfen, nicht das einzige Produkt, das Sie herstellen, sein. Und hier kommt nun die computergestützte Konstruktionssoftware ins Spiel, die Ihnen die Möglichkeit gibt, auf einfache Weise Vorlagen und Bibliotheken mit Komponenten zu erstellen, die Sie immer wieder verwenden werden. Dazu können auch benutzerdefinierte Teile und Zubehör gehören, wie etwa selbst entwickelte Elektronik, Befestigungselemente oder Komponenten „von der Stange“.

All diese Komponenten lassen sich bei Bedarf einfach per „Drag & Drop“ in Ihre Entwürfe einfügen. Dies erleichtert und beschleunigt Ihre zukünftigen Design-Workflows und reduziert den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Umsetzung Ihrer Pläne erheblich.

Optimale Nutzung Ihrer CAD-Modelle

Sobald Sie Ihre CAD-Modelle erstellt haben, gibt es eine große Bandbreite von Nutzungsmöglichkeiten, die weit über die reine Fertigung hinausgehen. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie möchten schnell eine Reihe neuer Prototypen mit verschiedenen Modifikationen erstellen, vielleicht sogar maßstabsgetreue Versionen des Originals mit zusätzlichen Komponenten und Funktionen.

Wenn Sie mit Ihrem vorhandenen CAD-Modell beginnen und davon ausgehend konstruieren, haben Sie nicht nur eine solide Grundlage für Ihre Arbeit, sondern sparen auch Tage, wenn nicht sogar Wochen, in Ihrem Prototyping-Workflow.

FEA, CFD und mehr

Ein weiterer möglicher Weg führt über ein Simulationsverfahren, wie etwa FEA- (Finite-Elemente-Analyse) oder CFD-Tests (Computational Fluid Dynamics). Wenn Sie Ihr CAD-Modell in eines dieser Systeme übertragen, können Sie wichtige Spannungs- und Ermüdungsanalysen durchführen, die unter anderem für die Analyse und Verbesserung von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau erforderlich sind.

Der Import Ihres CAD-Modells in ein CFD-System gibt Ihnen die Möglichkeit, aerodynamische/hydrodynamische Tests durchzuführen – für viele Kunden eine kritische Phase des Designprozesses, vom Motorsport über die Luftfahrt bis hin zur maritimen Industrie und darüber hinaus.

Effezientes Verpackungsdesign

Wenn Ihr CAD-Modell geprüft und für die Fertigung bereit ist, kann es auch für die Erstellung individueller Produktverpackungen für den Versand und die Präsentation verwendet werden. Ein genau bemessenes CAD-Modell Ihres Produkts erleichtert die Herstellung von Innenverpackungen, die das Produkt, insbesondere zerbrechliche und stoßempfindliche Artikel, mit Wellpappe, Schaumstoff und Mikroschaum als möglichen Trägern polstern und schützen.

Eine solche CAD-angepasste Verpackung dient nicht nur dem Schutz, sondern ermöglicht auch eine Optimierung des Platzbedarfs und eine Verringerung des Gesamtgewichts beim Versand, was später bei der Herstellung und dem Versand von Hunderten, wenn nicht Tausenden Exemplaren eines bestimmten Produkts von großer Bedeutung ist.

Einwandfreie Inspektionen in wenigen Minuten

Einer der wichtigsten Einsatzbereiche von CAD ist heutzutage die Qualitätskontrolle. Vor allem in Kombination mit 3D-Scans kann computergestützte Konstruktionssoftware ein äußerst nützliches Werkzeug für die wichtigsten Schritte im Rahmen der Qualitätssicherung sein – sei es am Fließband, an der Laderampe, bei der Auslieferung oder im Außendienst.

Die Funktionsweise ist einfach: Sie messen Ihr Objekt oder Teil mit einem 3D-Scanner und vergleichen dann den Scan mit dem ursprünglichen CAD-Modell, um Abweichungen außerhalb des zulässigen Bereichs zu ermitteln.

Es ist zwar durchaus möglich, Teile von Komponenten manuell zu messen und diese zum Vergleich heranzuziehen, doch wenn Sie nicht mit geometrischen Grundformen arbeiten, sind Lücken in Ihren Messungen vorprogrammiert. Nehmen wir zum Beispiel an, das zu messende Teil hat Kurven, vertiefte Oberflächen, dünne Kanten, ganz zu schweigen von weichen, leicht verformbaren Materialien.

CAD + 3D-Scannen = maximale Prüfabdeckung bei minimalem Zeitaufwand

Anstatt ausgewählte Punkte auf einem Objekt zu messen, erfassen Sie beim 3D-Scannen Millionen von Punkten pro Sekunde, ohne das Objekt jemals berühren zu müssen. Dies ist umso wichtiger, wenn ein Teil ausfällt und Sie es einer Materialprüfung oder einer anderen Art von Fehleranalysesimulation unterziehen müssen.

Zweifellos wollen Sie jede Oberfläche bis in den Submillimeterbereich erfassen. Und dafür ist das 3D-Scannen Ihre Eintrittskarte zum Erfolg, und zwar in einem Bruchteil der Zeit, die die beste manuelle Messung jemals aufbringen könnte. Darüber hinaus sind die neuesten 3D-Scanlösungen vollständig mobil: Es gibt ganz verschiedene handgeführte Modelle, darunter solche ohne Kabel oder zusätzlichen Laptop.

Wenn Ihr Arbeitsablauf von Geschwindigkeit und Nutzerfreundlichkeit abhängt, dann ist eine Scan-to-CAD-Lösung vielleicht genau das Richtige für Sie. Wir werden diese in einem späteren Abschnitt genauer untersuchen. Für den Moment genügt es festzuhalten, dass Sie mit einem solchen System in wenigen Minuten selbst die komplexesten Objekte scannen und dann sorgfältig mit ihren CAD-Modellen vergleichen können – ganz zu schweigen von den Möglichkeiten die Scan-to-CAD-Lösungen für das Reverse Engineering bieten.

Reale Anwendungen von CAD

Wie bereits erwähnt, waren Ingenieure auf der ganzen Welt vor dem Einsatz von CAD-Software bei ihrer Konstruktionsarbeit auf Stift und Papier angewiesen. Das bedeutete, dass jede einzelne Linie, Kurve oder andere Form sorgfältig mit Linealen, Winkelmessern und weiteren Zeicheninstrumenten skizziert wurde.

Wenn es um Berechnungen ging, sei es des Drucks in Rohren, der elektrischen Spannung in Drähten oder der aerodynamischen Kräfte an einer Tragfläche, wurden diese manuell durchgeführt. Und das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit menschliche Fehler stets hoch war.

Warum digitale Technik dem Papier den Rang abläuft

Zudem waren technischen Zeichnungen anfällig für Beschädigung oder Zerstörung, ganz zu schweigen davon, dass sie umständlich zu lagern und zu transportieren waren. Mit CAD-Software hat sich dies alles geändert: Nunmehr sind Konstruktionszeichnungen nicht mehr auf ein physisches Stück Papier oder sogar auf 2 Dimensionen beschränkt, und sie können von Kollegen, die direkt an Ihrer Seite oder auf der anderen Seite des Planeten arbeiten, angesehen und bearbeitet werden.

Digitale CAD-Modelle sind in fast jeder Hinsicht vorteilhafter, vor allem wenn es darum geht, sie für eine spätere Verwendung sicher zu archivieren, zum Beispiel für den Fall, dass entweder der physische CAD-Entwurf oder das Objekt selbst nicht mehr existiert. Mit einem genauen CAD-Modell kann praktisch jedes Teil oder jede Baugruppe wieder zum Leben erweckt werden.

Eine kurze Liste von Anwendungen für CAD-Software

Technische Zeichnungen

Wenn ein Ingenieur eine technische Zeichnung anfertigt, stellt er damit sicher, dass die genauen Spezifikationen eines Teils, einer Komponente oder einer Maschine für die Herstellung und Weiterentwicklung des betreffenden Objekts festgelegt werden. Dabei kann es sich etwa um Teile für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte oder Maschinenkomponenten handeln.

Gebäudegrundrisse

Im Baugewerbe werden sie gemeinhin als „Baupläne“ bezeichnet. Sie stelle dar, wie ein Gebäude gestaltet werden soll, welche Materialien verwendet werden sollen und wo sich bestimmte Elemente wie Treppenhäuser, Fenster, Waschbecken und Türen befinden sollen. Heute kann diese Arbeit mit Hilfe von CAD-Software schnell und einfach erledigt werden.

Elektrische Schaltpläne

Die besten Softwarepakte für computergestützte Konstruktion bieten heutzutage Werkzeuge für die Erstellung elektrischer Schaltpläne, einschließlich des Entwurfs von Leiterplatten. Was früher Tage dauerte, kann heute in wenigen Stunden erledigt werden. Danach können die Vorlagen je nach Bedarf wiederverwendet und mit Kollegen weltweit geteilt werden.

HVAC-Diagramme

Das Entwerfen eines umfassenden Heizungs- und Lüftungssystems für ein Haus oder ein anderes Gebäude ist eine beliebte Funktion, die von mehreren führenden CAD-Systemen angeboten wird. Diese verfügen standardmäßig über mehrere Vorlagen und Werkzeuge zur Berechnung der spezifischen Anforderungen eines Entwurfs auf der Grundlage von Faktoren wie Grundfläche, Außenklima, Isolierung und Raumtyp.

Lagepläne

Ein ganzes Wohn- oder Gewerbegebiet, das weit über die Wände eines Gebäudes hinausgeht, kann in CAD genau geplant und berechnet werden. Dabei geht es um weit mehr als eine einfache Standortbestimmung: In CAD können Sie zum Beispiel Landschaftsbereiche, Pools, Gärten, Einfahrten, Bäume, Gehwege und noch vieles mehr erstellen.

Das Alte gegen das Neue: parametrische Modellierung vs. direkte Modellierung

Unter den beliebtesten CAD-Programmen auf dem Markt gibt es zwei Hauptmodellierungsparadigmen: parametrisch und direkt. Werfen wir einen kurzen Blick auf beide.

Parametrische Modellierung

Die parametrische Modellierung wird bereits seit 1987 verwendet und ist im Grunde das, woran man normalerweise denkt, wenn man über CAD-Modellierung spricht. Bei der parametrischen Modellierung bauen Sie eine 3D-Geometrie Stück für Stück auf, indem Sie 2D-Skizzen verwenden und daraus 3D-Features erstellen.

Im Laufe des Prozesses fügen Sie sorgfältig alle benötigten Features und Beschränkungen hinzu. Die parametrische Modellierung erfordert entsprechend eine sorgfältige Planung, insbesondere wenn die Anzahl der Features in Ihrem Modell in die Hunderte und mehr geht.

Diese Art der historienbasierten Modellierung unterscheidet die parametrische Modellierung von der anderen Hauptmethode, der direkten Modellierung. Bei der parametrischen Modellierung merkt sich die Software die Features, die Sie Ihrem Modell gegeben haben, und genau in der Reihenfolge, in der sie gegeben wurden.

Auf diese Weise ist es wie bei einem Computerprogramm, bei dem es sequenzielle Anweisungen gibt: Jedes Mal, wenn Sie ein neues Feature hinzufügen oder ein bestehendes ändern möchten, wird jeder einzelne Aspekt Ihres Modells davon betroffen sein.

Obwohl die parametrische Modellierung extrem leistungsfähig ist, hat sie mehrere Schwachpunkte: Zunächst einmal die sehr steile Lernkurve, die Monate und sogar Jahre an Erfahrung erfordert, bevor man sie beherrscht. Das ist kein Problem für routinierte Nutzer, doch für angehende Ingenieure dauert es zermürbend lange, bevor sie sich in diesem Bereich zurechtfinden.

Die vielleicht größte Hürde ist jedoch der historienbasierte Ansatz der parametrischen Modellierung. Dieser kann Ihren Plänen leicht einen Strich durch die Rechnung machen, wenn Sie nicht genau verstehen, wie das Modell aufgebaut ist, und es nicht sorgfältig unter Berücksichtigung all dieser Einschränkungen und Spezifikationen entwickeln.

Direkte Modellierung

Die direkte Modellierung ist der relative Neuling auf dem CAD-Konstruktionsmarkt, doch im Gegensatz zur parametrischen Modellierung zweifellos die attraktivste Methode, für die sich gerade junge Ingenieure entsprechend häufiger entscheiden.

Bei diesem Ansatz arbeiten Sie in einer sogenannten WYSIWYG-Umgebung („What you see is what you get“). Sie erstellen und bearbeiten Ihre Modelle, indem Sie sich auf den tatsächlichen Flächen des Modells bewegen, anstatt wie bei der parametrischen Modellierung Feature-Maße und Skizzen zu bearbeiten.

Direkte Modellierung eignet sich hervorragend für Rapid Prototyping und Design, und insbesondere Industriedesign, wo Arbeitsabläufe an sich ändernde Anforderungen und Spezifikationen angepasst werden müssen, ohne dass umfangreiche Designhistorien beachtet werden müssen.

Viele Befürworter der direkten Modellierung sind der festen Überzeugung, dass sich ihr Arbeitsablauf dadurch wirklich von der parametrischen Modellierung unterscheidet. Denn bei der direkten Modellierung besteht im Gegensatz zur parametrischen Modellierung, bei der solche Änderungen zu umfangreichen Unterbrechungen führen können, nicht die Gefahr, dass etwas kaputt geht, sobald Änderungen vorgenommen oder neue Funktionen hinzugefügt werden.

Vor- und Nachteile beider Methoden

Beide Methoden haben ihre Stärken und Schwächen, wobei die meisten der heute gängigen CAD-Systeme Kombinationen aus parametrischen und direkten Werkzeugen bieten. Beispielsweise verfügen mehrere Pakete über direkte Bearbeitungswerkzeuge. Die Features werden jedoch weiterhin im Verlaufsbaum des Modells erstellt, was bedeutet, dass diese nicht als „reine direkte“ Modellierungssysteme betrachtet werden können.

Letztendlich liegt es an Ihnen als Benutzer, die verschiedenen verfügbaren Programme zu erkunden und für sich selbst zu entscheiden, was am besten geeignet ist.

Erfahrene CAD-Anwender sollten generell eher bei der parametrischen Modellierung bleiben, weil sie dort bereits viel Zeit und Energie investiert haben, während neue Ingenieure die direkte Modellierung bevorzugen sollten, es sei denn, ihr Unternehmen oder die Umstände zwingen sie zu einer anderen Entscheidung.

Fazit

Angesichts der Fülle des Angebots auf dem Markt kann die Wahl der richtigen CAD- oder Scan-to-CAD-Software eine Aufgabe sein, die wochenlange Überlegungen und Recherchen erfordert. Doch wie Sie hier erfahren konnten, lassen sich die meisten Optionen in verschiedene Kategorien einteilen, was die Findungsphasen bei der Identifizierung und Auswahl der richtigen Lösung erheblich reduziert.

Nach der Lektüre dieses Überblicks sowie dieses Artikels, der Details zu Preisen, Funktionen und anderen Merkmalen verschiedener CAD- und Scan-to-CAD-Softwarepakete enthält, und nachdem Sie gesehen haben, welche Lösungen Ihren spezifischen Anforderungen entsprechen, werden Sie besser vorbereitet sein, um die Liste der Produkte einzugrenzen, auf die Sie sich für persönliche Vorführungen/Webdemos oder weitergehende Kaufüberlegungen konzentrieren möchten.

Inhaltsverzeichnis
GESCHRIEBEN VON:
matthew-mcmillion

Matthew McMillion

Technologiereporter