CAD

mini|Ein virtuelles Bauteil in einer Ansicht aus beliebiger Richtung (3D-CAD-Programm CATIA) mini|CAD-Programm in der Bekleidungsindustrie 1986

CAD (von [], zu Deutsch rechnerunterstütztes KonstruierenGünter Spur, Frank-Lothar Krause: CAD-Technik. Lehr- und Arbeitsbuch für die Rechnerunterstützung in Konstruktion und Arbeitsplanung. Hanser, München / Wien 1984, ISBN 3-446-13897-8, S. 16.Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. Springer, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 1.) bezeichnet die Unterstützung von konstruktiven Aufgaben mittels EDV zur Herstellung eines Produkts (Beispielsweise Auto, Flugzeug, Bauwerk, Kleidung).

Welche Tätigkeiten unter den Begriff CAD fallen, wird in der Literatur verschieden behandelt. In einem engeren Sinn versteht man unter CAD das rechnerunterstützte Erzeugen und Ändern des geometrischen Modells. In einem weiteren Sinn versteht man darunter sämtliche rechnerunterstützten Tätigkeiten in einem Konstruktionsprozess, einschließlich der geometrischen Modellierung, des Berechnens, des Simulierens und sonstiger Informationsgewinnung und Informationsbereitstellung, von der Konzeptentwicklung bis zur Übergabe an die Herstellung bzw. Fertigung (Arbeitsvorbereitung).Gerhard Pahl: Konstruieren mit 3D-CAD Systemen. Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen Springer, Berlin / Heidelberg 1990, ISBN 3-540-52234-4, S. 5.IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 24.

Verwendete man anfangs CAD-Anwendungen primär für die Herstellung von Fertigungs- bzw. Herstellungsunterlagen (zweidimensionales CAD; Marketingbezeichnung: CAD als Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. Springer, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 6.), wurden mit zunehmender Rechnerleistung CAD-Systeme mit komplexen Expertensystemen und integrierten FEM-Lösungen für den Entwurf und die Konstruktion technischer Lösungen verfügbar, wofür die dreidimensionale Behandlung der Objekte erforderlich wurde (dreidimensionales CAD). Allenfalls erforderliche Technische Zeichnungen lassen sich aus den virtuellen Modellen dreidimensionaler Objekte automatisch herstellen. Ein besonderer Vorteil des 3D-CAD ist die Möglichkeit, von den Objekten eine Abbildung aus beliebiger Richtung zu erzeugen. Der 3D-Drucker ermöglicht den auch im Hobbybereich angewendeten Übergang vom virtuellen Modell zum realen Objekt. Zusammen mit den erfassbaren Materialeigenschaften werden erweiterte CAD-Modelle zur Beschreibung der physikalischen Eigenschaften (zum Beispiel Festigkeit, Elastizität) der Objekte erstellt.

CAD ist ein Teil der sogenannten CAx-Technologien,Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 5.Ernst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 16. zu denen auch die computerunterstützte Fertigung zählt (, CAM) oder die computerunterstützte Qualitätssicherung (, CAQ). Genutzt wird CAD in fast allen Zweigen der Technik: Architektur, Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Elektrotechnik und all deren Fachrichtungen und gegenseitige Kombinationen bis hin zur Zahntechnik.

Nutzen des CAD CAD dient dem Erzeugen von digitalen Konstruktionsmodellen unterschiedlicher Ausprägung, welche die Informationen bereitstellen, aus denen das gewünschte Produkt hergestellt werden kann (via techn. Zeichnung, NC-Weitergabe etc.). Der Vorteil der rechnerinternen Darstellung des Modells besteht hierbei im Rationalisieren des Konstruktionsprozesses.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 46. Die Funktionalitäten des CAD zielen etwa darauf ab, dem Konstrukteur Routinetätigkeiten,Siegmar Haasis: Integrierte CAD-Anwendungen. Rationalisierungspotenziale und zukünftige Einsatzgebiete. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1995, ISBN 3-540-59145-1, S. 2.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 434.Gerhard Pahl: Konstruieren mit 3D-CAD-Systemen. Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg, 1990, ISBN 3-540-52234-4, S. 7. (zum Beispiel durch vielfältige Nutzung des 3D- oder Feature-ModellsErnst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 55. oder durch das automatische Schraffieren oder Bemaßen von techn. Zeichnungen) oder wiederholende Arbeitsvorgänge abzunehmen Modelle auch in fortgeschrittenen Phasen des Konstruktionsprozesses leicht und schnell ändern zu könnenGünter Spur, Frank-Lothar Krause: CAD-Technik. Lehr- u. Arbeitsbuch für die Rechnerunterstützung in Konstruktion und Arbeitsplanung. Hanser-Verlag, München / Wien 1984, ISBN 3-446-13897-8, S. 254. (bspw. mittels ParametrikErnst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 53.) oder Informationsverlusten und Fehlern vorzubeugen.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 436. Die erzeugten CAD-Modelle können dabei vielfältig in anderen Anwendungen weiterverwendet werden (bspw. in Simulations- oder Berechnungsverfahren oder als Digital Mock-Up), und die Ergebnisse aus diesen Anwendungen wiederum das CAD-Modell verändern, wodurch die Konstruktion laufend optimiert (und damit die Produktqualität gesteigert) wird, bis das Produkt herstellungsreif ist.

Im Bereich der virtuellen Produktentwicklung unterstützt CAD aus eher technischer Sicht insbesondere: den Aufbau von ProzesskettenSandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 237.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 398. (CAD-CAM), die integrierte ModellierungErnst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 28,67.Siegmar Haasis: Integrierte CAD-Anwendungen. Rationalisierungspotenziale und zukünftige Einsatzgebiete. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1995, ISBN 3-540-59145-1, S. 3.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 401. (zum Beispiel mittels Features), den durchgängigen InformationsflussErnst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 41. auf Grundlage einer einheitlichen Datenbasis (Digital master)Ernst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 43. das Modellieren vollständiger ProduktmodelleErnst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 41ff.Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 159. (Virtuelles ProduktGünter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 3.) und aus eher organisatorischer Sicht: das schnellere Bereitstellen von Informationen (Beispielsweise via ParametrikGünter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 59. und 3D-ModellierungSandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 171.), insbesondere in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses (Frontloading)Ernst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 27. durch verteilte und parallele Arbeitsweisen (Simultaneous-/Concurrent engineering)Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 4.Ernst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 23.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 60.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Modellierung von Fertigungsverfahren mit CAD-Software. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und vergleichsweise schnellen Einblick ohne Halbzeugverbrauch und Maschinenbelegung zum verwendeten Fertigungsverfahren.

Werkzeuge der CAD-Modellierung Das CAD bedient sich verschiedener Werkzeuge, welche ihren Ursprung in verschiedenen Bereichen haben, wie insbesondere dem geometrischen Modellieren (welches wiederum auf bspw. die Differentialgeometrie, Mengenlehre, Matrixalgebra, Graphentheorie zurückgreift) oder der theoretischen und angewandten Informatik (zum Beispiel Software Engineering, Datenstrukturen).Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 131f. Diese Werkzeuge lassen sich kombinieren und sind je nach CAD-System und Branche unterschiedlich stark ausgeprägt.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: CAD-Technik. Lehr- u. Arbeitsbuch für die Rechnerunterstützung in Konstruktion und Arbeitsplanung. Hanser-Verlag, München / Wien 1984, ISBN 3-446-13897-8, S. 74. Teilweise sind sie auch nicht integraler Bestandteil eines CAD-Systems, sondern können als (branchenspezifische-) Erweiterung (Add-on, Plug-in) installiert werden, wobei die Datenbasis für das Modell die gleiche bleibt.Günter Spur, Frank-Lothar Krause: CAD-Technik. Lehr- u. Arbeitsbuch für die Rechnerunterstützung in Konstruktion und Arbeitsplanung. Hanser-Verlag, München / Wien 1984, ISBN 3-446-13897-8, S. 91.Ernst Beutner, Heiko Neukirchner, Gerhard Maas. In: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel-Verlag, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 45.

Die CAD-Systeme sind dabei vektororientiert (Gegenteil: Rasterorientierung), da sich so alle geometrischen Objekte auf Linien und Punkte zurückführen und vollständig charakterisieren lassen.Hans-Joachim Bungartz, Michael Griebel, Christoph Zenger: Einführung in die Computergraphik. Grundlagen, Geometrische Modellierung, Algorithmen Vieweg-Verlag, Braunschweig Wiesbaden 1996, ISBN 3-528-06769-1, S. 6f.

2D-Modellierung