Im Original veränderbare Word-Dateien

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1 Einführung in CAD CAD ist eine englische Abkürzung und steht für Computer Aided Design, auf Deutsch Computergestütztes Zeichnen/Konstruieren. Damit ist ursprünglich die Zuhilfenahme eines Computers beim Anfertigen technischer Zeichnungen gemeint. Technische Zeichnung Im Original veränderbare Word-Dateien Eine technische Zeichnung ist ein Dokument, das in grafischer und schriftlicher Form alle notwendigen Informationen für die Herstellung und zur Beschreibung der geforderten Funktionen und Eigenschaften eines Produkts zeigt und als Teil der technischen Produktdokumentation dient. Quelle: ( , bearbeitet) Bildquelle: ( ) Was früher in mühevoller Kleinarbeit mit Stift, Lineal und Zirkel auf dem Zeichenbrett angefertigt werden musste, lässt sich heute komfortabel am Computer erstellen. Fehler in Zeichnungen mussten früher umständlich ausgebessert werden, am Computer werden sie per Tastendruck einfach gelöscht. Auch nachträgliche Änderungen in Konstruktionszeichnungen sind kein Problem. CAD ist nicht nur Zeichnen am Computer, man kann damit viel mehr tun. Aus den Daten einer CAD-Zeichnung können Programme für programmierbare Maschinen automatisch erstellt werden. So können z. B. CNC-Fräsmaschinen (CNC = Computerized Numerical Control) mit von CAD erzeugten Programmen Bauteile fräsen. Oder es können Teilelisten für ein Produkt erstellt werden (Schnittstelle zu Datenbanken). Mithilfe von 3D-Druckern kann man direkt aus dem Programm ein Modell eines kleineren Bauteils oder Werkstücks oder je nach Bauart des Druckers das Produkt selbst herstellen. Das bietet sich an, wenn man nur wenige Stückzahlen benötigt.

2 Ein 3D-Drucker (dreidimensionaler Drucker) ist eine Maschine, die dreidimensionale Werkstücke aufbaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Copyright Quelle: ( , Copyright bearbeitet) 3D-Drucker, ursprünglich sehr teuer, gibt es inzwischen sogar für den privaten Gebrauch für weniger als 1000 Euro zu kaufen. Linke Abbildung: 3D-Drucker in der Industrie Rechte Abbildung: 3D-Drucker + 3D-Scanner für den Privatgebrauch Bildquellen: ( ), ( ) CNC-Fräse Bildquelle: ( )

3 Im CAD unterscheidet man zwei verschiedene Arten von Zeichnungen: 2D-CAD Im Original veränderbare Word-Dateien zweidimensionale (2D-) Zeichnungen (2D-CAD) dreidimensionale (3D-) Zeichnungen (3D-CAD) 2D-Zeichnungen sind mit den ursprünglichen technischen Zeichnungen vergleichbar. Die Zeichenobjekte werden normgerecht in einer zweidimensionalen (orthografischen) Ansicht dargestellt. In 2D-Umgebungen arbeitet man zeichnungsorientiert. Es werden immer nur Ansichten eines Zeichenobjekts erstellt oder bearbeitet. 2D-Zeichnung Bildquelle: ( ) Zweidimensional gezeichnete Formen werden im CAD Profile genannt. Profil einer Nut Bildquelle: D. Rößler

4 Zusätzlich können im 2D-CAD perspektivische Zeichnungen angefertigt werden, die den Objekten ein dreidimensionales Aussehen verleihen. Dies sind allerdings keine echten 3D-Objekte wie in 3D- CAD. Jede Ansicht aus einem anderen Winkel muss neu gezeichnet werden. Solche Zeichnungen werden auch als 2½D-CAD bezeichnet. Vektorgrafik CAD-Zeichnungen werden mit Hilfe von Vektorgrafiken erstellt. CAD-Programme gehören zu der Gruppe der Vektorzeichenprogramme. Vektorgrafiken sind das Gegenstück zu Bitmaps. Sie werden nicht durch einzelne Pixel, sondern durch einfache grafische Vektor-Elemente bzw. Objekte erzeugt. Die Vektorgrafiken können beliebig vergrößert und verkleinert (freie Skalierbarkeit) sowie gedreht und bewegt werden. Die einfachen grafischen Elemente sind Primitive. Im Computer Aided Design werden sie Basis- Objekte genannt. Typische Basis-Objekte im 2D-CAD sind: Linie, Isolinie, Polylinie, Kreis, Kreisbogen, Ellipse, Rechteck, Quadrat, Polygon, Spline, Textobjekte Im Original veränderbare Word-Dateien Copyright Bildquelle: D. Rößler Sämtliche Primitive sind Objekte der entsprechenden Klasse. Im Gegensatz zu Bitmaps, die nur aus der Klasse PIXEL bestehen, verfügen Vektorgrafiken über zahlreiche Klassen.

5 Durch Änderung der Eigenschaften, wie Linienart, Linienfarbe, Art der Flächenfüllung, kann ein unterschiedliches Aussehen der Primitive erreicht werden. ZUR WIEDERHOLUNG Klassen und Objekte Im Original veränderbare Word-Dateien Klassen stellen den Bauplan eines Objekts dar. Sie definieren, welche Eigenschaften/Attribute und welche Methoden ein Objekt besitzt. Klassen werden in Klassenkarten grafisch dargestellt. Klassennamen werden groß an oberster Stelle geschrieben. Darunter stehen die Attribute. Ganz unten die Methoden zum Ändern der Attributwerte. Objekte werden auf Basis der Klassen generiert. Objekte besitzen Eigenschaften (Attribute) mit Werten (Attributwerte), z. B. kann das Attribut Farbe den Wert rot haben. Attributwerte werden mittels Methoden geändert. Methoden und Attribute sind in den Klassen festgelegt. Objekte werden in Objektkarten dargestellt. Objektkarten unterscheiden sich rein äußerlich von Klassenkarten durch ihre abgerundeten Ecken. Jedes Objekt besitzt einen eindeutigen Bezeichner (Objektnamen), mit dem es identifiziert werden kann. Auf der Objektkarte steht an oberster Stelle der Bezeichner, gefolgt vom Namen der Klasse, darunter stehen die Attribute mit ihren Werten. Diese Sichtweise wird in der objektorientierten Programmierung angewendet. Zum Setzen/Ändern der Attribute wird die sogenannte Punktnotation verwendet: direktes Setzen eines Attributwertes: Objektname.Attributname = Attributwert z. B. Kreis1.Füllfarbe = rot Methodenaufruf: Objektname.Methodenname(Wert) z. B. Kreis1.FüllfarbeSetzen (rot) Untenstehende Abbildung zeigt eine Klassen- und Objektkarte für die Klasse KREIS. Bildquelle: D. Rößler

6 Die Basis-Objekte werden im CAD wie in normalen Vektorzeichenprogrammen (wie z. B. Adobe Illustrator, Corel Draw oder Inkscape) erzeugt. Wer mit diesen Programmen schon einmal gearbeitet hat, wird mit CAD-Programmen kaum Schwierigkeiten haben. Ebenentechnik CAD-Programme verwenden die Ebenentechnik (Layertechnik). Ebenen muss man sich wie die Folien eines Overheadprojektors vorstellen. Verschiedene Elemente der Zeichnung werden auf unterschiedliche Folien gezeichnet. Durch Übereinanderlegen aller Folien (Layer) wird die Zeichnung komplett. Zu bestimmten Zwecken können einzelne Folien herausgenommen bzw. Layer ausgeblendet werden. Die sich darauf befindenden Zeichnungsobjekte werden dann unsichtbar. So kann man z. B. die Bemaßung ausblenden, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu erhöhen. Die meisten Bildbearbeitungsprogramme verwenden ebenfalls die Ebenentechnik. Bildquelle: ( ) 3D-CAD Im 3D-CAD kommt noch eine echte dritte Dimension hinzu. Das Zeichenobjekt wird in 3D modelliert. Es wird nur einmal am Computer erstellt. Dann kann es beliebig am Computer gedreht werden. Es muss nicht jede Ansicht bzw. jeder Blickwinkel neu gezeichnet werden. Der Computer bzw. das CAD-Programm berechnet je nach Drehwinkel das Aussehen der Zeichnung bzw. des Körpers neu. Mit Licht- und Schatteneffekten sowie Beleuchtungen lässt sich der Körper realistisch darstellen. In 3D-Umgebungen arbeitet man werkstückorientiert. Das gesamte Werkstück wird gezeichnet bzw. bearbeitet und als vollständiges Modell gespeichert. Aus einem 3D-Modell kann eine zweidimensionale Ansicht abgeleitet werden, z. B. die Dreitafelprojektion.

7 Bildquelle: de/kats/grafik_cad/index.html ( ) Körper werden in 3D-CAD-Systemen 3D-Volumenkörper genannt. Volumenkörper werden in der Regel aus einfachen Vektor-Grundkörpern erzeugt. Typische Grundkörper im 3D-CAD sind: Quader, Zylinder, Kugel, Kegel, Kegelstumpf, Pyramide, Pyramidenstumpf, Torus

8 Klassenkarte eines Kegels Mithilfe von booleschen Verknüpfungen werden weitere komplexere Körper erzeugt. Mehr dazu später. Mithilfe von sogenannter Virtual Reality ( Künstliche Wirklichkeit ) lassen sich die Zeichenobjekte so wahrnehmen, als seien sie echt. Bildquelle: ( ) Einem 3D-Zeichenobjekt können auch richtungsabhängige physikalische Eigenschaften zugewiesen werden, wie Dichte, Elastizität und so weiter. Die Objekte können schon am Computer auf ihre Eigenschaften getestet werden. Ein 3D-Körper lässt sich virtuell wiegen, elastisch, plastisch und thermisch verformen. Man kann ihn beleuchten und seine optischen Eigenschaften dabei erkennen. Mit speziellen CAD-Anwendungen lassen sich Bewegungen simulieren, man kann also konstruierte Teile oder Maschinen bereits am Computer testen. Das spart viel Zeit und teure

9 Entwicklungskosten. Dieselbe Technik wird auch zur Herstellung von 3D-Spielen und 3D- Animationsfilmen angewandt. Mit 3D-Monitoren und 3D-Brillen, wie es sie in Kinos gibt, entstehen echte dreidimensionale Eindrücke von der Konstruktion. CAD-Programme Im Original veränderbare Word-Dateien Für jeden Bereich in Industrie und Wirtschaft gibt es zahlreiche spezialisierte CAD-Anwendungen: Maschinenbau, Architektur, Vermessungswesen, Holztechnik, Bauwesen, Schiffbau, Elektrotechnik, Zahnmedizin und viele mehr. Das bekannteste CAD-Programm ist AutoCAD von der Firma Autodesk, das es schon seit den 80iger Jahren des letzten Jahrhunderts gibt, als die ersten PCs auf den Markt kamen. AutoCAD ist das weltweit am meisten genutzte CAD-Programm, der Klassiker aller CAD- Anwendungen. Viele CAD-Programme sind sehr teuer, es gibt inzwischen aber auch kostenlos verfügbare Open- Source-CAD-Programme wie z. B. FreeCAD. Einige CAD-Programme sind Shareware- Programme. Einfache CAD-Programme für den Privatgebrauch sind z. B. Wohnungseinrichtungsprogramme wie VA-Wohnungsdesigner der Firma VA-Software (siehe unten). Quelle: ( ) Die meisten CAD-Programme bieten sowohl die Möglichkeit 2D als auch 3D zu zeichnen.

10 Arbeitsoberfläche von AutoCAD 2013 Werkzeuge und Funktionen Werkzeuge und Funktionen erleichtern das Zeichnen am Computer erheblich. Nachfolgend eine kleine Auswahl wichtiger Werkzeuge. CAD-Programme verfügen über wesentlich mehr Werkzeuge. Zeichenwerkzeuge: zum Zeichnen geometrischer Formen (Basisobjekte bzw. Grundformen). So muss man z. B. ein Quadrat nicht aus vier einzelnen Linien zeichnen. Fangfunktionen: zum Finden spezieller Punkte wie Streckenmitten und Tangenten, Linienendpunkte etc. Ausprägungswerkzeuge: zum Erzeugen dreidimensionaler Körper (Rotation, Extrusion, Anheben, Sweep etc.) boolesche Funktionen: Bibliotheken: Kopier- und Einfügefunktion: Markierungswerkzeuge: Rendering: Licht und Schatten: dreidimensionales Drehen: zum Vereinigen, Verschneiden oder zum Bilden von Differenzen von Körpern enthalten vorgefertigte Zeichnungen von Bauteilen, Formen etc. zum Kopieren und Einfügen einmal gezeichneter Formen oder Formengruppen zum schnellen Markieren einzelner oder mehrerer Formen zum Füllen von Flächen mit Farben, Mustern, Schraffuren zum Erhöhen der 3D-Effekte zum Erzeugen verschiedener dreidimensionaler Ansichten Verformungswerkzeuge: zum Ändern der Form eines Körpers/Profils

11 Zoomwerkzeug: Panwerkzeug: zum Vergrößern und Verkleinern des Zeichenbereichs zum Verschieben der Zeichenfläche CAD-Formate Aufgrund der vielen Spezialisierungen im CAD gibt es viele Formate, die nur von den jeweiligen Programmen gelesen werden können. Andere Formate werden von unterschiedlichen Programmen erkannt. Das von AutoCAD verwendete DWG-Format kann von vielen anderen CAD- Anwendungen erzeugt und gelesen werden. Das DXF(Drawing Interchange Format)-Dateiformat ist ein ASCII- oder binäres Dateiformat zum Austausch von Vektor-Daten zwischen CAD-Programmen (und anderen Anwendungen) insbesondere im PC-Bereich. Von Autodesk entwickelt, spielt es vor allen Dingen als Schnittstelle von und nach AutoCAD eine Rolle. Mit CAD-Reader-Programmen lassen sich die CAD- Zeichnungen ansehen, aber nicht bearbeiten. CAD-Arbeitsplätze Beim CAD fallen bei komplexeren Konstruktionszeichnungen und Bewegungssimulationen in der Regel ungeheure Datenmengen an. Die verwendeten Computer benötigen daher sehr viel Speicher. Vielfach werden die Daten auf einem separaten Server abgelegt. CAD-Rechner brauchen wesentlich mehr Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) als herkömmliche PCs, z. B. für Büroarbeit. Für AutoCAD 2013 in 64-Bit-Systemen wird ein Arbeitsspeicher von mindestens 16 GB empfohlen. Handelsübliche Rechner verfügen über 4 GB. Ebenso ist ein leistungsfähiger Prozessor (CPU = Central Processing Unit) nötig. Um die dreidimensionalen Körper darzustellen und zu bewegen, bedarf es einer leistungsfähigen Grafikkarte, da der Körper bei jeder Positionsänderung/Ansichtsänderung komplett neu berechnet werden muss. Computer für den Einsatz im CAD sind also wesentlich kostspieliger als herkömmliche Rechner. Zur besseren Ansicht der Zeichnungen kommen große, hochauflösende Monitore zum Einsatz. Ein moderner CAD-Arbeitsplatz verfügt über zwei Monitore.

12 Bildquelle: ( ) Hybrid-CAD Eine Sonderform im CAD ist das Hybrid-CAD. Mit Hybrid-CAD können Rastergrafiken, z. B. gescannte Pläne, die noch von Hand gezeichnet wurden, bearbeitet und in CAD-Pläne umgewandelt werden. Dabei werden die Rastergrafik-Elemente in Vektor-Objekte umgewandelt, die Grafiken werden vektorisiert. So können handgezeichnete Konstruktionen weiterentwickelt werden. Das erspart das Neuzeichnen des Planes mit CAD. Das ist nur für komplexere Zeichnungen empfehlenswert. Einfache Zeichnungen lassen sich schneller neuzeichnen als vektorisieren. Hybrid-CAD wird unter anderem eingesetzt bei der Erstellung von digitalen Landkarten, z. B. für Navigationssysteme in Autos, die auf Luftbildern/Satellitenbildern und gezeichneten Karten basieren.

13 Vor- und Nachteile von CAD Vorteile Im Original veränderbare Word-Dateien grafische Simulation von Bewegungsabläufen schnelle Zeichnungserstellung CNC-Programmierung kann unmittelbar abgeleitet werden günstigere Kosten durch Verkürzung der Konstruktionszeiten automatisch generierbare Stücklisten Konstruktionsänderungen können meist schnell und ohne großen Aufwand durchgeführt werden wesentliche Zeitersparnis durch Verwendung von Bibliotheken (Norm- und Wiederholteile, Makros und Features) einfache Variantenkonstruktionen Nachteile sehr große Datenmengen, die gesichert werden müssen teure Anlagen und Software Softwareschulungen notwendig