1 Einleitung. 1.1 Produktentwicklung mit 3D-CAD

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1 1 Einleitung Die flächendeckende Einführung der 3D-CAD-Technik und aller damit verwandten Verfahren begann in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts zunächst in den Unternehmen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie. Nur diese Unternehmen waren in der Lage, die notwendigen damals noch erheblichen Kosten der Umstellung zu tragen. Weiterhin sorgte die straffe und strategische Führung in diesen Firmen dafür, dass der Nutzen dieser Techniken erkannt und zielstrebig umgesetzt werden konnte. Eine Befragung in kleinen und in mittleren Unternehmen (sogenannte KMU s), an der wir in den letzten Monaten mitgewirkt haben, ergab, dass der Einführungsprozess der 3D-CAD-Technik nun diese Gruppe von Firmen erfasst hat. Es handelte sich dabei um etwa 400 sehr kleine Unternehmen, die oftmals weniger als 20 Mitarbeiter haben. Interessanterweise wurde von 15 Prozent dieser Firmen angegeben, dass auch fortgeschrittenere Techniken wie zum Beispiel die Finite-Elemente-Methode in den nächsten drei Jahren dort eingeführt werden sollen. Diese Einführungswelle ist nicht nur darauf zurückzuführen, dass mit der 3D-CAD- Technik Vorteile verknüpft sind. Vielfach werden viele kleinere Unternehmen durch ihren Status als Zulieferer dazu gezwungen, bestimmte 3D-CAD-Systeme bei der Konstruktion bzw. der Fertigung einzusetzen. Der Auftraggeber bestellt oft nicht nur ein bestimmtes Bauteil, sondern er verlangt gleichzeitig, dass er zusätzlich das 3D- CAD-Modell dieses Produktes erhält, um es dann selbst in komplexe Baugruppen einbauen zu können. Weiterhin wird oft gefordert, dass bei hoch beanspruchten Bauteilen zusätzlich ein Festigkeitsnachweis zu führen ist. Dies ist bei den meisten Bauteilen und Baugruppen im industriellen Umfeld nur mit Hilfe der Finite-Elemente- Methode wirtschaftlich möglich. Im folgenden Abschnitt wollen wir die grundlegenden Zusammenhänge und Vorgehensweisen bei der Produktentwicklung mit 3D-CAD aufzeigen. Die Darstellungen gelten im Wesentlichen für alle 3D-CAD-Systeme und nicht nur für CATIA V Produktentwicklung mit 3D-CAD Im Maschinenbau und verwandten Wissensgebieten wurden Produkte (z.b. Maschinenteile) bislang durch zweidimensionale technische Zeichnungen definiert. In diesen Zeichnungen wird der Gegenstand zumeist mit Hilfe von Ansichten in Form von Normalprojektionen dargestellt.

2 2 1 Einleitung Im Mittelpunkt der 3D-CAD-Technik steht im Gegensatz dazu das Volumenmodell eines Bauteils. Wir wollen es 3D-Teilemodell nennen (siehe Bild 1.1). Dieses 3D- Modell kann nach der Erstellung auf unterschiedlichste Art und Weise genutzt werden. (d) Baugruppe (e) Formerzeugung (c) FEM-Berechnung (a) 3D-Modell (f) Rapid Prototyping (b) Technische Zeichnung (g) Parametrisierung / Varianten Bild 1.1 Das 3D-Teilemodell und die daraus abgeleiteten Prozesse Beispielsweise kann eine technische Zeichnung halbautomatisch von diesem Modell abgeleitet werden. Dies leisten Programmmodule bzw. Generatoren, die ein vorgegebenes Volumenmodell verarbeiten und mit minimalen Vorgaben des Benutzers (Blattgröße, Maßstab) eine Zeichnung erstellen. Eine so erzeugte Zeichnung ist assoziativ zum 3D-Modell in dem Sinn, dass Änderungen an diesem Volumenmodell automatisch auch in der technischen Zeichnung umgesetzt werden. So kann eine solche Zeichnung immer den neuesten Stand des 3D-Modells widerspiegeln, ohne dass ein zusätzlicher manueller Aufwand notwendig ist. Die Ableitung technischer Zeichnungen wird im gleichnamigen Kapitel dargestellt.

3 1.1.1 Modellierung durch Verknüpfung von Formelementen 3 Dieses 3D-Teilemodell ist der Ausgangspunkt weiterer abgeleiteter Prozesse, die in der Summe die Produktivität des 3D-CAD-Einsatzes ausmachen. Mit Hilfe dieses Modells können beispielsweise Simulationsmodelle fast automatisch erstellt werden. Sie erlauben die Berechnung des physikalischen Verhaltens. Hierzu müssen noch zusätzliche Werkstoffparameter eingegeben werden. Mit diesen Verfahren sind schon im Entwurfstadium die Verformungen und die mechanischen Spannungen von Bauteilen ermittelbar. Damit kann eine Aussage über die Festigkeit des Bauteils getroffen werden. Eine Einführung in diese Fragestellungen bietet das Kapitel Simulation mit der Finite-Elemente-Methode. Auch diese Simulationsmodelle sind assoziativ zu dem 3D-Teilemodell auf das sie sich beziehen. Änderungen am Volumenmodell werden automatisch in das Simulationsmodell übernommen. Hierdurch ergibt sich eine hohe Produktivität. Mit den modernen Verfahren des Rapid Prototyping ist es möglich, ein Kunststoffmodell eines 3D-CAD-Modells in kürzester Zeit (einige Stunden bis Tage) anzufertigen. Weiterentwickelte Verfahren gestatten es sogar, Bauteile aus metallischen Werkstoffen zu erzeugen. Rapid Prototyping setzt ein 3D-Teilemodell voraus, aus dem zumeist schichtweise ein reales Bauteil modelliert wird. Das Verfahren ist also ohne 3D-CAD-Modellierung überhaupt nicht realisierbar. Für das Rapid Prototyping-Verfahren muss dieses CAD- Modell aufbereitet werden. Dieser Vorgang wird im Kapitel Schnittstellen und Rapid Prototyping erläutert. Wurden verschiedene Bauteile modelliert, so kann aus ihnen eine Baugruppe erstellt werden. Ein 3D-Modell in einer Baugruppe bildet eine Referenz auf ein 3D- Teilemodell. Dies bedeutet, dass es nicht nur assoziativ zu dem Volumenmodell ist, sondern dass es in einer Baugruppe mehrfach verwendet werden kann. Diese Instanzen referieren alle den Zustand des Originals und werden bei allen Änderungen am Master Model automatisch aktualisiert. Mit Hilfe der Baugruppen können vielfältige Aufgabenstellungen untersucht und gelöst werden. Die automatische Erstellung von Stücklisten und von Explosionszeichnungen ist ebenso möglich wie die Erprobung des Bewegungsverhaltens im virtuellen Raum, die Ermittlung von Überschneidungen, von Hüllvolumen und vieles mehr. Eine Einführung in diese Verfahren geben die Kapitel Baugruppen und Kinematiksimulation. Wir haben nun die wichtigsten abgeleiteten Prozesse genannt. Nun wollen wir uns der Frage zuwenden, mit welchen Verfahren das 3D-Teilemodell konstruiert wird Modellierung durch Verknüpfung von Formelementen In der Vergangenheit wurden zwei konkurrierende Verfahren der 3D-CAD-Technik entwickelt. Die erste Variante nennen wir sie Modellierung durch Definition der Berandung arbeitet sehr intuitiv. Ein Bauteil wird damit definiert, dass alle begrenzenden Flächen erzeugt werden. Diese Flächen werden wiederum durch ihre Berandungen (erzeugende Kurvenzüge) erstellt. Der Konstrukteur geht dabei so vor, dass er zunächst Punkte in den Computer eingibt und diese Punkte dann mit Linien und Kurven verbindet. Schließlich erlauben die so erzeugten Kurven die Erstellung

4 4 1 Einleitung von Flächen. Die Zusammenfassung verschiedener Flächen definiert dann ein Bauteil. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sie leicht zu vermitteln bzw. zu erlernen ist. Allerdings hat sich in der Evolution der CAD-Technik doch das konkurrierende Verfahren durchgesetzt, das zwar wesentlich flexibler ist und deutliche Vorteile hat, aber weniger intuitiv verständlich ist. Bei diesem zweiten Verfahren wird das Bauteilvolumen Schritt für Schritt aus elementaren Bausteinen aufgebaut. Jeder dieser Bausteine bildet für sich schon ein abgeschlossenes Volumen. Wir können uns diesen Vorgang z.b. wie den Bau eines Hauses aus Fertigteilen vorstellen. Zusätzlich finden wir bei der 3D-Modellierung spezielle Bausteine vor, um Volumen aus einem bestehenden Zwischenzustand zu entfernen. Die elementaren Bausteine bzw. Teilvolumen, aus der eine Konstruktion Schritt für Schritt aufgebaut wird, nennen wir Formelemente bzw. Features. Um ein spezielles Bauteil zu erstellen, benötigt man eine bestimmte Anzahl von Schritten. Mit jedem Schritt wird Material zur Konstruktion hinzugefügt oder entfernt. Es gibt sogar eine dritte Möglichkeit, mit der Formelemente verknüpft werden können: die Bildung einer Schnittmenge (intersection). Dieser Begriff ist der Theorie der Mengenlehre entlehnt. In der Tat werden die Formelemente mit jenen drei grundlegenden Booleschen Operationen verknüpft, die in der Mengenlehre definiert sind: Addition bzw. Vereinigung (Hinzufügen von Volumen) Subtraktion bzw. Differenz (Entfernen von Volumen) Schnittmenge bilden (wird im Kapitel Teilemodellierung erläutert) Hinweis Der Begriff Formelement bzw. Feature wird von anderen Autoren oft in einem eingeschränkten Sinn verwendet: ein benutzerdefiniertes (katalogisiertes) Formelement. Wir folgen hier bewusst der erweiterten Auffassung, wie sie im angelsächsischen Sprachraum häufiger verwendet wird. Formelemente werden oft auch als Konstruktionselemente bezeichnet. Dieser Begriff scheint uns weniger geeignet, da er in der Konstruktionslehre schon durch eine andere Bedeutung eindeutig besetzt ist. Die Erstellung eines 3D-Modells mit Hilfe von Formelementen wird im Kapitel Teilemodellierung erläutert. Die Frage, die sich nun stellt, ist: wie werden die Formelemente erzeugt? Der 3D- Konstrukteur hat prinzipiell zwei Möglichkeiten, um an Formelemente zu gelangen. Er kann vorgefertigte Formelemente verwenden oder diese selbst herstellen. Den ersten Typ nennen wir implizite Formelemente. Die entsprechende Bezeichnung in CATIA V5 ist assoziative Formelemente. Diese Features werden durch eingebaute Befehle in CATIA erzeugt oder Katalogen entnommen. Ein Beispiel hierfür sind komplexe Bohrungen, die optional auch mit einem Gewinde versehen sein können. Die Mehrheit der Formelemente, die für die 3D-Teilemodellierung notwendig sind, werden aber durch den Konstrukteur beim Konstruktionsprozess erzeugt. Wir wollen diese Features skizzierte Formelemente nennen, da bei ihrer Erzeugung mit der Er-

5 1.1.2 Speicherung des Konstruktionsvorgangs im Spezifikationsbaum 5 stellung einer Skizze begonnen wird. Eine solche Skizze (engl. sketch) besteht aus zweidimensionaler Geometrie (Punkte, Linien, Kreise, Kreisbögen u.a.) sowie aus Bemaßungen und hat damit eine gewisse Ähnlichkeit mit einer technischen Zeichnung. Wir sehen also, dass das Arbeiten in der zweidimensionalen Zeichenebene uns wieder einholt, nur an einer anderen Stelle des Gesamtprozesses. Eine Skizze besteht aber neben den geometrischen Elementen und der Bemaßung noch aus zusätzlichen Zwangsbedingungen (engl. constraints). Mit den Zwangsbedingungen und den steuernden Bemaßungen realisiert der Konstrukteur eine bestimmte Konstruktionsabsicht. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass bei Änderungen der Maße die Form der Skizze erhalten bleibt. Die Erstellung von Skizzen ist von grundsätzlicher Bedeutung und benötigt im Konstruktionsprozess oft einen erheblichen Zeitraum, aus diesem Grund beginnt gleich das nächste Kapitel damit Speicherung des Konstruktionsvorgangs im Spezifikationsbaum Wie bereits oben dargestellt wurde, besteht der Vorgang der 3D-Teilemodellierung im Wesentlichen aus dem Verknüpfen von Formelementen. Vereinfacht können wir uns vorstellen, dass der Konstruktionsvorgang aus einer bestimmten Anzahl von Schritten besteht, wobei in jedem Schritt ein Formelement verknüpft wird. Diese Abfolge kann informationstechnisch in einer Datenstruktur abgespeichert werden, die von Informatikern Baumstruktur (engl. tree data structure) genannt wird. Diese Datenstruktur beinhaltet in Form der einzelnen Zwischenschritte auch alle Skizzen und Parameter der Konstruktion. Damit ist in dieser Datenstruktur der gesamte Konstruktionsvorgang gespeichert. Die grafische Darstellung eines solchen Konstruktionsbaumes ähnelt jedoch gar nicht einem Baum mit Ästen und Zweigen, sondern eher einer Baumwurzel oder einem Baum, der auf dem Kopf steht. Eine solche Datenstruktur ist in jedem modernen 3D-CAD-Programm verfügbar. Sie wird auch Modellbaum, Historienbaum oder Konstruktionsbaum genannt. Die Bezeichnung in CATIA V5 ist Spezifikationsbaum. Diese Datenstruktur ist ein weiteres sehr produktives Hilfsmittel der 3D-Konstruktion, denn durch sie kann der Konstrukteur (auch nachträglich) auf jeden Zwischenschritt der Konstruktion zugreifen, diesen abändern, löschen oder austauschen. Weiterhin ist es möglich bestimmte Formelemente aus dem Kontext eines bestimmten Bauteils herauszulösen und in anderen Konstruktionen einzubauen. Dies ist noch ein weiterer, hervorzuhebender Aspekt der modernen 3D-CAD-Technik. Hiermit wird es möglich, besondere Formelemente wieder zu verwenden. Die Wiederverwendung von Komponenten ist ein zentrales Thema der modernen Softwaretechnik. Sie ist aber auch fruchtbar in der Konstruktionstechnik. Die Nutzung des Spezifikationsbaums wird im Kapitel Teilemodellierung behandelt.