CAD – Computer Aided Design


Die Abkürzung CAD (Computer Aided Design) bezeichnet das computergestützte Design. Konkret bedeutet das, dass technische Zeichnungen nicht per Hand angefertigt, sondern mithilfe eines Hard- und Softwaresystems konstruiert werden. Zu den mittels CAD konstruierten Objekten gehören unter anderem Bauteile, Autos und Gebäude. Zweidimensionale Konstruktionen wie die Erstellung eines Stadtplans können ebenso am Computer realisiert werden wie Projekte in 3D.

Inhaltsverzeichnis

  1. Geschichte des CAD
  2. Anwendungsbereiche von CAD-Programmen
  3. Die CAD-Software
  4. CAD-Zeichnungen
  5. CAD Modellierungsmethoden
  6. Die CAD-Datei
  7. Zusammenfassung
  8. FAQs

Geschichte des CAD

Dr. Patrick Hanratty, amerikanischer Wissenschaftler und bekannt als „Vater des CAD“, schuf 1957 mit dem numerischen Steuerungssystem das Grundrezept für das Computer Aided Design. Im Jahr 1962 entwickelte Ivan Sutherland mit dem Sketchpad die erste Software mit grafischer Benutzeroberfläche und Eingabestift. Das Programm setzte den ersten Baustein für grafische Schnittstellen und CAD. Bis es zur flächendeckenden Anwendung des Programmes kam, verging allerdings noch viel Zeit. Stift, Papier und Zeichenbrett waren in den nächsten Jahrzehnten weiterhin das Werkzeug Nummer eins für technische Zeichner.

Die ersten frei erhältlichen CAD-Systeme kamen in den 80er-Jahren in den Handel. Mit ADAM (Automated Drafting and Machining) gelang es Hanratty die Grundlage zu entwickeln, auf der rund 80 % der gegenwärtigen CAD-Software basieren. 1981 entwickelte das multinationale Software-Entwicklungsunternehmen Dassault Systèmes auf dieser Basis CATIA, das noch heute ein bedeutendes Werkzeug für die 3D-Oberflächenmodellierung ist. Ein Jahr darauf wurde mit AutoCAD eines der erfolgreichsten CAD-Programme entwickelt, das auf verschiedenen Betriebssystemen funktioniert. Nachdem Missler Software 1984 den Vertrieb von einer CAD-Software gestartet war, die auch auf persönlichen Computern arbeitete, begann ein regelrechter Boom der Software.

Bereits Mitte der 70er-Jahre führte die US-Regierung den IGES-Standard ein. Bis dahin waren die Datenformate der verschiedenen kommerziellen CAD-Programmen untereinander nicht kompatibel. Das Datenformat IGES sollte das Problem lösen. 3D-Modellierungen waren mit IGES aber nicht möglich. Ab 1989 brachte das britische Unternehmen Shape Data den CAD-Kern Parasolid auf den Markt. Das parametrische System machte den Entstehungsprozess eines Modells nachvollziehbar, sodass die Software 2D-Flächen zu einer 3D-Geometrie zusammenführen konnte. Parasolid ist bis heute das mächtigste Kernsystem.

Aufgrund von leistungsfähigerer Hardware wurde CAD-Software in den 80ern auch für kleinere Unternehmen erschwinglich. Dank des 1994 entwickelten Datenaustauschformat STEP war fortan das Speichern und Übertragen von 3D-Modellen möglich.

Anwendungsbereiche von CAD-Programmen

CAD-Programme sind heutzutage ein fester Bestandteil in der Industrie. Es gibt unterschiedliche Programme auf dem Markt, die auf den entsprechenden Einsatzbereich zugeschnitten sind. Folgende Bereiche arbeiten mit einer CAD-Software:

  • Architektur: Mithilfe von CAD-Programmen werden Gebäude in 2D oder 3D entworfen. Die Architektur-Software ArchiCAD ermöglicht es, Objekte mit bestimmten Eigenschaften wie Fenstern und Türen zu modellieren und somit die Menge an Kosten und Rohstoffen zu kalkulieren. Sowohl Häuser als auch ganze Wohnanlagen lassen sich visualisieren und realisieren.
  • Maschinenbau: Ob Schraube, Motor, Windkraftanlage, elektrischer Schaltplan oder Werkzeugmaschine – CAD-Programme sind für die Konstruktionen im Maschinenbau unerlässlich. Um den Anforderungen der vielfältigen und komplexen Projekte gerecht zu werden, sind CAD-Systeme für diesen Bereich so programmiert, dass sie flexibel reagieren können.
  • Handwerker: Ein professionelles CAD-System für Handwerker ermöglicht das präzise Planen und Fertigen einzelner Bauteile. Kundenwünsche und eigene Ideen lassen sich mithilfe des Programmes schnell und kosteneffizient realisieren.
  • Automobilindustrie: Genau wie die Luftfahrtindustrie erkannte auch die Automobilindustrie früh die Vorteile einer computergestützten Konstruktion. Durch den Einsatz von 3D-CAD-Systemen lassen sich mehrere Arbeitsschritte gleichzeitig ausführen, sodass von der Planung bis zur Fertigung weniger Zeit vergeht.

CAD-Software kommt zudem in vielen weiteren Branchen wie dem Bauingenieurwesen, der Elektrotechnik, der Zahnmedizin oder auch der Videospielindustrie.

Die CAD-Software

Eine CAD-Software trägt all die Informationen in sich, die eine Hardware benötigt, um für den definierten Aufgabenbereich nutzbar zu sein. Mithilfe der CAD-Software lässt sich die Konstruktion von der Konzeptentwicklung bis zur Produktion direkt am Computer erledigen. Insgesamt gestaltet sich die gesamte Konstruktion dadurch um ein Vielfaches effizienter und ist deutlich weniger fehleranfällig.

Vor- und Nachteile der CAD-Software

Die Verwendung einer Software zum Computer Aided Design verbessert und beschleunigt die Prozesskette in der Produktion. Die computergestützte Konstruktion von Maschinen oder Gebäuden verläuft deutlich effizienter und birgt weniger Fehler. Zu den Vorteilen von CAD gehören:

  • Zeiteinsparung: Sowohl die eigentliche Konstruktion als auch das Vornehmen von Änderungen an einer Zeichnung lassen sich mit einer CAD-Software schneller realisieren.
  • Fehlervermeidung: Grobe Fehler werden vermieden und die generelle Fehleranfälligkeit bis auf ein Minimum reduziert.
  • Kostenreduktion: Der Einsatz von CAD-Software beschleunigt den gesamten Prozess und reduziert die Kosten.
  • Erleichterte Dokumentation: Abmessungen, Konstruktionsdaten und Listen für die benötigten Einzelteile sind am PC gebündelt dokumentiert.
  • Reproduzierbarkeit: Gelungene Konstruktionen lassen sich im CAD-System speichern und bei Bedarf wiederverwenden, anpassen und optimieren.

Obwohl die Verwendung positive Auswirkungen auf den gesamten Herstellungsprozess haben, sollte man auch mögliche Nachteile der CAD-Software bedenken. Diese sind:

  • Hohe Anschaffungs- und Wartungskosten: Die Hardware und die Vollversion einer CAD-Software sind teuer in der Anschaffung. Je mehr Mitarbeiter ein Team hat, desto mehr geeignete CAD-Arbeitsplätze sind nötig. Nach der ersten Einführung des CAD-Systems sinken die Kosten zwar merklich – regelmäßige Updates und Wartungen verursachen jedoch weiterhin Kosten.
  • Intensive Einarbeitung: Um mit CAD zu arbeiten, benötigen die Mitarbeiter eine umfangreiche Schulung. Software-Updates sorgen zudem dafür, dass in regelmäßigen Abständen neue Funktionen dazukommen und bestehende überarbeitet werden. Jedes Update bringt also einen erneuten Einarbeitungsaufwand mit sich.
  • Fortbildungskosten: Die Einarbeitung in die Software ist, bringt bestimmte Kosten mit sich. Besagte Software-Updates setzen zudem voraus, dass die Mitarbeiter sich in der Anwendung der Software fortlaufend weiterbilden. Entsprechende Schulungen und eine angemessene Einarbeitungszeit in neue Funktionen und Interfaces ist notwendig.

CAD-Programme

Heutzutage gibt es eine Vielzahl von CAD-Programmen, die sich hinsichtlich des Anwendungsbereichs in ihrer Funktion unterscheiden. Einige Basisfunktionen sind in den meisten Programmen zu finden. Dazu gehören unter anderem Funktionen für das Kunststoff- und Formdesign und die Volumenmodellierung. Häufig verwendete Programme sind:

  • CATIA
  • SolidWorks
  • Autodesk Inventor
  • AutoCAD
  • SpaceClaim
  • SketchUp

Die CAD-Software CATIA

CATIA (Computer-Aided Three Dimensional Interactive Application) ist die weltweit führende und plattformübergreifende Software für computergestütztes Produktdesign und der Produktentwicklung. In den 70ern-Jahren vorerst für den internen Gebrauch von Dassault Systèmes entwickelt, setzte man CATIA später vorwiegend in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt ein. CATIA eignet sich zum Erstellen von Volumenkörpern, Oberflächen, Zeichnungen, Baugruppen und zur Fertigung und Analyse. Die Software verfügt über leistungsfähige parametrische Modellierungswerkzeuge und kann fotorealistisch rendern. Dassault Systèmes entwickelt CATIA noch heute laufend weiter, sodass sie mittlerweile zu der am meisten verbreiteten CAD-Software gehört. Mehr zur CAD-Software CATIA erfahren Sie in unserem Lexikon-Artikel.

So funktioniert die praktische Anwendung einer CAD-Software

Nach der Installation ist die CAD-Software sofort einsatzbereit. Jedes beliebige Projekt kann nun konstruiert und zwischengespeichert werden. Mithilfe von zwischengeschalteten CAM-Programmen werden die Daten zur Herstellung an die Produktionsmaschine oder den 3D-Drucker weitergeleitet. Wenn das CAM-Programm fehlt, können die Daten an einen externen Anbieter versendet werden, der das Modell realisiert.

CAM

CAM (Computer Aided Manufacturing) bezeichnet die Anwendung von Software und computergestützten CNC-Werkzeugmaschinen zur automatisierten Produktion. Der rechnergestützten Produktion geht meist eine rechnergestützte Konstruktion (CAD) voraus. 

CAD-Zeichnungen

Unter einer CAD-Zeichnung versteht man jede Zeichnung, die mit einer CAD-Software erstellt wurde. Man kann CAD-Zeichnungen sowohl in 2D als auch in 3D anfertigen.

CAD-Zeichnung in 2D

Technische Zeichnungen werden mit der CAD-Software für den gesamten Konstruktionsprozess erstellt; angefangen beim Entwurf bis hin zur Fertigstellung. In der Anfangszeit von CAD gab es noch keine 3D-Anwendungen. Heute wird bei einem CAD-Programm prinzipiell angegeben, in wie vielen Dimensionen es arbeiten kann. Reine 2D-CAD-Programme sind dafür geeignet, Körper in verschiedenen Ansichten und Schnitten darzustellen. Dadurch lässt sich das Objekt sowohl von oben und unten als auch von den Seiten genauer betrachteten. Isometrische Ansichten sind ebenfalls möglich.

Für die Modellierung eines 2D-Objekts werden vor allem Geraden, Strecken, Freiformkurven, Kreise und Punkte eingesetzt. Technische Zeichner nutzen 2D-CAD-Programme, um Entwürfe, bei denen keine 3D-Modellierung notwendig ist, schneller und exakter zu erstellen. Per Hand gezeichnete Notizen und Skizzen lassen sich in das Programm einscannen und dienen so als Vorlage.

CAD-Zeichnung in 3D

Dreidimensionale Objekte haben den Vorteil, dass man sie im Konstruktionsprozess aus jedem Winkel betrachten kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass in 3D-Konstruktionen die unterschiedlichsten Informationen berechnet werden – etwa das Gewicht und Volumen eines Objekts. 3D-Konstruktionen ermögliche eine anschauliche Darstellung von Objekten, die sogar ein Laie versteht. 3D-Objekte teilen sich in drei grundlegenden Kategorien ein:

  • Drahtgittermodell: Bei einem Drahtgittermodell handelt es sich um ein dreidimensionales geometrisches Modell, dessen Körper nur aus einem Gerüst besteht.
  • Oberflächenmodell: Diese Modelle bestehen aus eindimensionalen Flächen, die zusammen einen zweidimensionalen Körper ergeben.
  • Festkörpermodell: In einem Festkörpermodell ist das Volumen definiert. Dreidimensionale Festkörper werden verwendet, um Eigenschaften der Masse zu erhalten.

In Verbindung mit 3D taucht häufig der Begriff 3D-CAD auf. Dieser Begriff steht allgemein für alle 3D-Modelle, die mit einer CAD-Software entwickelt wurden. Der Begriff verwendet man auch synonym für solche CAD-Programme, die dazu fähig sind, 3D-Modelle zu erstellen. Eine 3D-CAD-Zeichnung wird auch als CAD-Modell bezeichnet.

CAD Modellierungsmethoden

Um ein 3D-Modell zu erhalten, wird ein Konstruktionsobjekt mit formalen Elementen wie Volumen, Linien, Flächen und Punkten in ein Geometriemodell umgeformt. Im nächsten Schritt beginnt die Verfeinerung des Modells mithilfe von Schrägen und Rundungen, wobei die Arbeitstechniken sich je nach CAD-System unterscheiden. Zu den grundlegenden Modellierungsmethoden gehören die direkte Modellierung und die parametrische Modellierung.

Direkte Modellierung

Die direkte Modellierung ist erst seit jüngerer Zeit bekannt, obwohl sie bereits seit Jahrzehnten existiert. Bei dieser Modellierungsmethode können die Konstrukteure direkt auf die 3D-Geometrie einwirken. Einzelne Geometrieelemente werden durch Ziehen, Verschieben, Drücken und Drehen verändert und Flächen manipuliert. Bei der direkten Modellierung wird der Prozess nicht gesichert. Dadurch, dass es keinen Verlauf gibt, ist es nur möglich, die jüngsten Schritte rückgängig zu machen. Die direkte Modellierung ist funktionaler als die parametrische Modellierung und in der Anfangsphase der Konstruktion weniger aufwendig.

Parametrische Modellierung

Bei der parametrischen Modellierung wird das 3D-Modell durch verschiedene Parameter gesteuert. Die parametrische Modellierung ist die am häufigsten von Designern und Ingenieuren verwendete Methode. Das 3D-Objekt enthält alle Parameter, die ein reales Objekt aufweist. Dazu gehören unter anderem Gewicht, Größe, physikalische und optische Parameter. Bei der parametrischen Modellierung können einzelne CAD-Modelle zu einer Baugruppe zusammengebaut und verändert werden. Diese Art der Modellierung ist primär bei Konstruktionsobjekten von Vorteil, die stark von Dimensionen geprägt sind, etwa Büromöbel oder Werkzeuge. Mithilfe des parametrischen Ansatzes lassen sich die Konstruktionsobjekte einfach und schnell in unterschiedlichen Designs und Konfigurationen erstellen.

 

Die CAD-Datei

Einer CAD-Datei wird erstellt, um ein CAD-Modell oder eine CAD-Zeichnung zu speichern. Eine einzige Datei enthält alle Daten der Konstruktion. Sobald die Konstruktionsdaten für die Weiterverarbeitung importiert oder exportiert sind, kann man entweder native CAD-Dateien verwenden oder auf Austauschformate zurückgreifen. Genauso wie es verschiedene CAD-Systeme gibt, gibt es unterschiedliche Datenformate für CAD-Dateien. Gängige Arten von CAD-Dateiformaten sind:

Oftmals stimmen die Systeme der technischen Zeichner nicht mit denen der Hersteller überein, sodass sich die Dateiformate unterscheiden. In so einem Fall wird die Datei über eine Schnittstelle in ein sogenanntes neutrales Format umgewandelt. Das heißt, dass die meisten Maschinen das Format erkennen und lesen können. Austauschformate wie STEP, IGES oder STL kommen vorrangig bei der additiven Fertigung (auch Additive Manufacturing) zum Einsatz, bei der das Objekt Schicht um Schicht erstellt wird. Mit dem additiven Verfahren lassen sich selbst die komplexesten Strukturen realisieren.

Das Datenformat STEP

STEP (Standard for the Exchange of Product model data) ist ein internationales und herstellerunabhängiges Dateiaustauschformat, das in allen Anwendungsbereichen wie dem Maschinenbau, der Architektur oder dem Ingenieurwesen Verwendung findet. Bei der Schnittstelle besteht ein Objekt aus einem ganzheitlichen Element samt Volumen, weshalb die Datenmenge für STEP Datenformate gering ist. STEP ist das weltweit meistgenutzte Format beim Umwandeln von CAD-Dateien und erzielt beim Austausch die besten Ergebnisse. STEP-Dateien enden auf .stp oder .step.

Das Datenformat IGES

IGES (Initial Grafics Exchange Specification) ist ein weiteres neutrales Datenformat zum Austausch von CAD-Dateien. IGES wurde in den 80er-Jahren entwickelt, als sich dreidimensional dargestellte Körper nur aus Flächen zusammensetzten. Jede Fläche eines Objekts bildet dabei sein eigenes Element. Das hat zur Folge, dass IGES-Formate im Vergleich zu STEP eine hohe Datenmenge aufweisen. Außerdem ist das Umwandeln fehleranfällig. Die Flächen werden von der Software häufig falsch erkannt und in der Folge fehlerhaft dargestellt. IGES-Dateien enden auf .iges oder .igs.

Das Datenformat STL

Das neutrale Datenaustauschformat STL (Surface Tesselation Language) von der Firma 3D-Systems ist vorwiegend im Bereich des Modellbaus zu finden. Im Gegensatz zu den beiden anderen neutralen Dateiformaten beschreibt STL einzig die Oberfläche eines Volumens. Dabei enthalten die Daten keine geometrischen Elemente und sind nur mithilfe spezieller Systeme zu verändern. STL-Dateien enden auf .stl.

Zusammenfassung

Laut Definition ist CAD (Computer Aided Design) eine Software-Anwendung zum Skizzieren und Konstruieren von Konstruktionszeichnungen in 2D- und 3D-Modellen. Bereits in den 50er-Jahren legte man mit dem ersten numerischen Steuerungssystem die Basis für CAD. Mittlerweile ersetzen CAD-Programme das händische Zeichnen von technischen Konstruktionen und sind ein fester Bestandteil in den unterschiedlichsten Branchen wie der Architektur und der Automobilindustrie. Die verschiedenen CAD-Programme richten sich nach den Bedürfnissen der einzelnen Branchen und haben den Vorteil, dass sie die Produktionszeiten deutlich reduzieren. Da es heutzutage eine beträchtliche Anzahl an CAD-Programme gibt, unterscheiden sich auch die jeweiligen Datenformate. Damit CAD-Konstruktionen in die Produktion gehen können, müssen sie an das Dateiformat des jeweiligen Systems für die Produktion angepasst werden. Meist geschieht das mithilfe sogenannter „neutraler“ Datenformate wie STEP oder IGES.

FAQs

Was ist CAD?

CAD steht für computergestütztes Konstruieren (Computer Aided Design) und ist eine Software-Anwendung zum Skizzieren und Konstruieren von Konstruktionszeichnungen. Bei diesen digitalen Konstruktionszeichnungen kann es sich sowohl um 2D- als auch um 3D-Modelle handeln. 

Was ist ein CAD-Programm oder eine CAD-Software?

Mithilfe von CAD-Software kann die Konstruktion von Objekten von der Konzeptentwicklung bis zur Produktion direkt am Computer erledigt werden. Insgesamt gestaltet sich die gesamte Konstruktion dadurch um ein Vielfaches effizienter und ist deutlich weniger fehleranfällig. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von CAD-Programmen. Häufig verwendete Programme sind u. a. CATIA, SolidWorks, Autodesk Inventor und AutoCAD.

Welches CAD-System soll ich verwenden?

Wer eine CAD-Software verwenden will, sollte sich erst überlegen, für welche Zwecke er sie benötigt. Privatanwender haben die Möglichkeit, sich kostenlose Testversionen herunterzuladen und sie in Ruhe auszuprobieren. Allerdings haben Testversionen den Nachteil, dass viele Funktionen nur eingeschränkt nutzbar sind. Unternehmen sollten sich für eine kostenpflichtige Vollversion entscheiden und darauf achten, dass die Software die geeigneten Tools für ihren Anwendungsbereich enthält. CAD-Systeme für Architekten besitzen beispielsweise andere Tools als vergleichbare Systeme für Maschinenbauer. Die Auswahl des CAD-Systems richtet sich also nach dem jeweiligen Anwendungsbereich und nach der gewünschten Modellierung (2D oder 3D).

Wer fertigt CAD-Zeichnungen an?

Technische Zeichner und Systemplaner lernen bereits in der Ausbildung, wie sie Ideen in 2D- und 3D-CAD-Zeichnungen umsetzen. Diverse Institute wie die TOP CAD Schule oder die Fernlehrschule AKAD bieten kostenpflichtige Weiterbildungen im Umgang mit der CAD-Software an. Nach dem Abschluss ist es möglich, sich als Quereinsteiger für eine freie Stelle als CAD-Zeichner zu bewerben. Zusätzlich sind die Weiterbildungen auch für Privatpersonen interessant, die eigene Ideen mithilfe eines CAD-Programms entwickeln und ggf. mit einem 3D-Drucker produzieren möchten.

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