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Transkript

1 Arbeiten mit CAD Arbeitsoberfläche eines CAD-Programms Die meisten CAD-Programme sehen sehr ähnlich aus und ähneln sich auch in ihrer Funktionsweise. Sie verfügen über eine Menüleiste bzw. ein Menüband oder sog. Werkzeugleisten am oberen Rand, die die wichtigsten Programmbefehle enthalten. Am linken, rechten oder unteren Rand können sich weitere Menüs oder Icons befinden, z. B. zum Steuern der Ansicht. Manche Werkzeugleisten werden nur bei Bedarf eingeblendet. In der Mitte befindet sich die eigentliche Arbeitsfläche, in der gezeichnet wird. Sie kann in der Regel frei im Raum gedreht werden. Vielfach sind die Zeichenflächen in CAD-Systemen traditionell dunkel bis schwarz. In diesen Systemen kann dann auf Druckansicht (weißer Hintergrund) umgeschaltet werden. Die obige Abbildung zeigt die Arbeitsoberfläche von AutoCAD 2013 für Windows. Bei AutoCAD 2013 hat sich der Hersteller an der Oberfläche der neueren Office-Produkte von Microsoft orientiert. AutoCAD kostet fast 5000 Euro. Es gibt kostenlose Studenten- und Schülerversionen. Die Vollversion kann kostenlos für 30 Tage zum Testen von der Webseite des Herstellers Autodesk heruntergeladen werden. Sämtliche hier dargestellten CAD-Zeichnungen wurden mit AutoCAD 2013 erstellt.

2 Arbeitsoberfläche von Creo Elements Direct Modeling Express (kostenlose 3D-CAD- Modellierungssoftware: ) Arbeitsoberfläche von Blender (Freeware). Wird zum Erstellen von 3D-Animationen in Computerspielen verwendet.

3 Mauszeiger Im Original veränderbare Word-Dateien Der Mauszeiger besteht in CAD-Programmen aus einem Fadenkreuz, dessen Achsen parallel zu den Koordinatenachsen liegen. In 3D-Ansichten hat das Fadenkreuz drei Achsen. Zeichnen einfacher dreidimensionaler Grundformen Wir wollen uns beim Arbeiten mit CAD hier im Wesentlichen mit einfachen Raumkörpern und deren Eigenschaften befassen. Um eine dreidimensionale Form zu erhalten, zeichnet man zunächst ein zweidimensionales Profil, z. B. ein Rechteck mit Höhe x Breite. Durch Extrusion (Erhöhung in z-richtung) erhält man einen Quader. Der Quader ist auf der Zeichnung nur als solcher zu erkennen, wenn man eine schräge Ansicht auf ihn hat. Das Generieren von dreidimensionalen Objekten wird Ausprägung genannt. Ausprägungen Einfache dreidimensionale Körper entstehen durch Ausprägung von geometrischen Formen. Dabei gibt es verschiedene Arten der Ausprägung: Extrusion Das Profil erhält durch Ausdehnung in y- Richtung eine dritte Dimension. Rotation Dreidimensionale Rotationskörper entstehen durch Drehung um eine Rotationsachse. Anhebung (Übergangsausprägung) Erstellt einen 3D-Volumenkörper aus einer Reihe von Querschnitten.

4 Sweep (geführte Ausprägung) Erstellt einen Volumenkörper oder eine Fläche durch Sweeping einer offenen oder geschlossenen planaren oder nichtplanaren Kurve (Profil) entlang eines offenen oder geschlossenen Pfads. Quelle: Autodesk AutoCad 2013 Hilfefunktion Dreidimensionale Objekte werden im CAD 3D-Volumenkörper genannt. Extrusion Nachfolgend eine kleine Anleitung zum Zeichnen eines Quaders: Zunächst in orthografischer Ansicht ein Rechteck zeichnen. Dann die Zeichenfläche etwas drehen, sodass man z. B. einen Blick von schräg oben hat. Mit dem CAD-Werkzeug Extrusion einen dreidimensionalen Quader erzeugen. Füllen der Flächen mit Farbe zur besseren Darstellung. Copyright Bildquelle: D. Rößler Der Körper kann nun dreidimensional im Raum gedreht werden. Durch Änderung der Perspektive ändern sich auch die Seitenverhältnisse der Kanten. Parallele Kanten bleiben in der Zeichnung parallel.

5 CAD-Programme verfügen oftmals über verschiedene Möglichkeiten, eine Form zu erzeugen. Für eine Rechteckgrundfläche kann z. B. das Rechteck- Werkzeug oder eine Polylinie verwendet werden. Der erste Punkt wird mit dem letzten durch eine Fangfunktion verbunden, sodass eine geschlossene Form entsteht. Oder man zeichnet vier einzelne Linien, die mit einer Fangfunktion verbunden werden. Durch Einschalten des Ortho-Modus in AutoCAD werden nur senkrechte und waagerechte Linien erzeugt. Die Abbildung oben zeigt die Fangfunktion zum Verbinden von Anfangs- und Endpunkt (bei AutoCAD Objektfang genannt). Bei der Fangfunktion zum Verbinden von Punkten muss man nicht genau den Endpunkt mit dem Fadenkreuz treffen. Sobald z. B. in AutoCAD das grüne Quadrat sichtbar wird, werden die beiden Punkte miteinander verbunden. Das erleichtert das Zeichnen erheblich. Copyright Bildquelle: D. Rößler Extrusion eines Kreises zum Zylinder. Der Kreis erscheint als Ellipse durch die perspektivische Ansicht (Drehung der Zeichenfläche). Linienhafte Objekte, also nicht geschlossene Flächen, lassen sich ebenfalls (zumindest bei AutoCAD) extrudieren. Es entstehen dabei dreidimensionale Flächen. Die Flächen besitzen keine Dicke ( Thickness ).

6 Durch weitere Ausprägungen können aus den Flächen 3D-Volumenkörper generiert werden. Das Zeichnen von Primitiven erfolgt bei CAD wie bei anderen Vektorzeichenprogrammen oder bei PowerPoint. Man wählt eines der Zeichenwerkzeuge aus, klickt mit der Maus auf den Anfangspunkt der Form und zieht sie bei gedrückter Maustaste auf. Durch Doppelklick, Klick mit der rechten Maustaste, Drücken der ESC-Taste o. Ä. (je nach Programm) beendet man den Zeichenvorgang. Durch Aufziehen eines Rahmens lassen sich ein oder mehrere Zeichenobjekte markieren. Markierte Objekte lassen sich löschen, verschieben, weiterbearbeiten. Die Markierung wird durch einen Mausklick in die leere Fläche oder durch Drücken der ESC-Taste wieder aufgehoben. Das funktioniert bei fast allen CAD-Programmen so. Ein einmal gezeichnetes Objekt kann man durch die Funktionen Kopieren und Einfügen beliebig oft reproduzieren. Zuvor muss es markiert werden. In der Regel kann man die Windows-spezifischen Tastaturkombinationen STRG+C (kopieren) und STRG+V (einfügen) verwenden. Die Objekte können auch in Bibliotheken gespeichert werden. Markierungsrahmen und markiertes Zeichenobjekt CAD-Programme haben verschiedene Werkzeuge zum Zeichnen dreidimensionaler Körper. So gibt es ein Quader-Werkzeug, bei dem man nicht zuerst die Grundfläche des Quaders zeichnen und dann das Extrusionswerkzeug aktivieren muss. Das geht alles mit einem Werkzeug, wobei die Vorgehensweise dieselbe ist. Zunächst wird das Rechteck aufgezogen, bestätigt (rechte Maustaste,

7 Doppelklick o. Ä. je nach Programm), dann wird bei gedrückter Maustaste die Maus weiteraufgezogen, um die Extrusion zu erzeugen. Genauso funktioniert das Zylinder-Werkzeug zum Aufziehen eines Zylinders. Nachfolgend sind die Zeichenobjekte aufgelistet, für die AutoCAD 2013 Werkzeuge zur Verfügung stellt: Linie, Polylinie, 3D-Polylinie, Spline, 3D-Spline, Ellipse, Kreisbogen, Kreis, Rechteck, Quadrat, Polygon, Quader, Zylinder, Kegel, Kegelstumpf, Pyramide, Pyramidenstumpf, Torus, Keil, Polykörper, Spirale Es stehen Werkzeuge zur Verfügung zum Zeichnen von nicht geschlossenen, linienhaften Elementen und zum Zeichnen geschlossener Flächen sowie von 3D-Volumenkörpern, wobei Kegelstumpf und Pyramidenstumpf Körper darstellen, die aus der Subtraktion von dreidimensionalen Grundkörpern hervorgegangen sind. Aus den linienhaften Elementen werden mithilfe von Ausprägungen dreidimensionale Flächen generiert. Aus den Flächenelementen entstehen 3D-Volumenkörper. Spezielle CAD-Programme verfügen über ganze sogenannte Bibliotheken von 3D- Volumenkörpern. Koordinaten CAD-Programme verfügen über ein internes Koordinatensystem. Die Koordinaten werden meist links unten im Fenster angezeigt. Sie geben immer die aktuelle Position des Cursors an. Man kann verschiedene Koordinatensysteme verwenden. In der Regel ist das Weltkoordinatensystem voreingestellt. Es ist beim Zeichnen hilfreich, wenn geometrische Körper ihren Ursprung an Koordinaten mit geraden Zahlen haben. So kann man bei fast allen CAD-Programmen die Zeichnung der Grundkörper durch Eingabe der Koordinaten mittels einer Befehlszeile (Konsole) bewerkstelligen, anstatt die Maus zu benutzen. Man kann so die Kantenlängen exakt zeichnen. Bei einem Rechteck fragt das Programm nach den Koordinaten der linken unteren Ecke des Basisrechtecks, dann nach den Koordinaten der gegenüberliegenden Ecke und schließlich nach der Höhe. Alternativ kann man die Länge, Breite und Höhe (x, y) exakt angeben. So erhält man einen genau positionierten und mit exakten Maßen versehenen Quader. Das erleichtert wesentlich, weitere Körper zu addieren oder zu subtrahieren und genau zu positionieren.

8 Konsole Bei AutoCAD kann man mit der Maus zeichnen, die Konsole zum Zeichnen verwenden oder im Zeichenvorgang beliebig zwischen Konsole und Maus wechseln. Wenn man z. B. einen Quader zeichnet, klickt man entweder auf das entsprechende Zeichnungswerkzeug oder man schreibt in die Konsole QUADER. Anschließend werden Koordinaten oder Maße abgefragt. Diese kann man entweder über die Tastatur eingeben oder man zieht die Maus bei gedrückter linker Maustaste über die Zeichnungsfläche. Die Begriffe können von Programm zu Programm variieren. Werkzeuge zur Formänderung Komplexere Werkstücke erhält man durch additive oder subtraktive Formänderung. CAD-Programme verfügen über zahlreiche spezielle Werkzeuge zum Verändern von Formen. Hier einige Beispiele aus AutoCAD: Kante abrunden, Kante fasen, Kappen vorhandener Objekte, Verdicken, Flächen verjüngen, Flächen eines Volumenkörpers extrudieren, Flächen versetzen, Flächen abrunden, Flächen stutzen, Flächen verlängern, Falte hinzufügen und wegnehmen, Objekt glätten, boolesche Operatoren. Boolesche Operationen Eine boolesche Operation ist eine mathematische Methode zur Darstellung von Beziehungen mit Hilfe von logischen Operatoren wie AND, OR oder NOT. In CAD können boolesche Operationen auf zwei oder mehr Flächen oder Volumina angewendet werden, wodurch Schnittmengen, Vereinigungen oder Differenzen der Flächen oder Volumina entstehen.

9 Addition Im Original veränderbare Word-Dateien Kombiniert Flächen oder dreidimensionale Volumenkörper durch Addition. Bildquelle: Autodesk Hilfefunktion AutoCAD 2013 Differenz Kombiniert Flächen oder dreidimensionale Volumenkörper durch Subtraktion Copyright Bildquelle: Autodesk Hilfefunktion AutoCAD 2013 Schnittmenge Erstellt einen dreidimensionalen Volumenkörper oder eine Fläche aus ausgewählten sich überlappenden Volumenkörpern oder Flächen. Bildquelle: Autodesk AutoCad 2013 Hilfefunktion

10 Zeichnen einfacher Werkstücke Subtraktive Formänderung Einfache Werkstücke sind in der Technik häufig Körper mit Aussparungen. Die häufigsten Aussparungen sind: Stufe, Nut, Durchbruch, Abflachung, Fase, Abschrägung, Ausklinkung, Freistich, Bund, Bohrung, Dünnwand, Rundung, Einrundung. Die obenstehende Abbildung zeigt ein Werkstück mit gängigen Formänderungen. Werkstücke mit Aussparungen werden durch subtraktive Formänderung erzeugt. Aussparungen sind wie die Grundkörper selbst Objekte eigener Klassen und können deshalb in Klassen- und Objektkarten dargestellt werden.

11 Die untenstehende Abbildung zeigt einen Quader mit Einrundung unten. Die Maße sind in der Abbildung angegeben. Um solch ein Werkstück am Computer zu erstellen, hat der Zeichner verschiedene Möglichkeiten: 1. Die geraden Kanten werden als eine Polylinie gezeichnet oder aus Einzellinien erstellt. Ein Kreisbogen wird in die verbliebene Lücke eingepasst mit den angegebenen Maßen. Die Linienenden werden miteinander verbunden, um eine geschlossene Fläche zu bilden. Zum Schluss wird das Profil extrudiert.

12 2. Der Zeichner beschreibt ein Rechteck mit den angegebenen Maßen. Anschließend einen Kreis mit dem Mittelpunkt und mit dem Radius der Einrundung. Die beiden Profilzeichnungen werden voneinander mittels boolescher Funktion subtrahiert (Differenzbildung, siehe unten). Es entsteht das vorgegebene Profil. Das Profil wird nun extrudiert. Achtung! Bei AutoCAD muss vor der booleschen Operation aus dem Kreis und dem Rechteck eine sogenannte Region gebildet werden. 3. Es werden gleich zwei Raumkörper (Quader und Zylinder) an den entsprechenden Positionen erzeugt und anschließend mit boolescher Operation voneinander subtrahiert (Differenz).

13 Es bleibt dem Zeichner überlassen, wie er vorgeht. In allen drei Fällen wurden die Koordinaten manuell eingegeben, und zwar der Koordinatenursprung (x = 0, y = 0, z = 0) als Basispunkt des Körpers. So lassen sich die Koordinaten der anderen Punkte leicht ausrechnen. Die Eingabe der z-koordinate kann man bei AutoCAD weglassen, wenn z = 0. In der rechten Abbildung weist der Körper nur eine teilweise Einrundung auf. Diesen Körper erstellt man durch die Differenz zwischen Quader und Zylinder. Es empfiehlt sich, Koordinaten und Längen des Körpers vor Zeichenbeginn festzulegen. Das macht man am besten mit einer Freihandskizze. Beim Zeichnen mit CAD sind Freihandskizzen sehr hilfreich!

14 Zur Konstruktion eines Quaders mit Ausklinkung, wie in der folgenden Abbildung, benötigt man die Koordinaten der beiden Rechtecke, die voneinander subtrahiert werden. In diesem Fall 0, 0, 0 und 40, 15, 0 und Höhe 50 für das umhüllende Rechteck sowie 0, 0, 30 und 20, 10, 30 und Höhe 20. Bildquellen: D. Rößler

15 Additive Formänderung Im Original veränderbare Word-Dateien Die Form in untenstehender Skizze konstruiert man am besten, indem man einzelne Basiskörper (Zylinder, Kegelstumpf) miteinander verbindet (addiert). Es empfiehlt sich, die Zylinder und den Kegelstumpf senkrecht stehend zu konstruieren. Zunächst wird der rechte Zylinder gezeichnet. Dann wird der nächste Zylinder daraufgesetzt. Die Koordinaten sind so zu wählen, dass die Zylinder direkt aufeinandersitzen, sich berühren. Schließlich den Kegelstumpf darauf zeichnen. Alle drei Körper markieren und die boolesche Operation Vereinigung ausführen. Die Operation Vereinigung führt dazu, dass die drei unterschiedlichen Objekte zu einem Objekt zusammengefasst werden. Verschmelzungskörper Verschmelzungskörper entstehen durch gegenseitiges Durchdringen mindestens zweier Körper. Es ist im Prinzip eine additive Formänderung. Es wird auch dasselbe Werkzeug verwendet (boolesche Operation Vereinigung). In der nächsten Abbildung links durchdringt ein Quader einen Zylinder. Man kann den Körper auch durch Addition zweier Zylinder mit einem Quader erzeugen. Die Abbildung daneben zeigt einen Zylinder, der von einem um 30 Grad gedrehten Quader

16 durchdrungen wird. Dieser Körper lässt sich nicht mehr durch Addition dreier Grundkörper konstruieren. Der oben abgebildete Zentrierdorn ist eine Kombination aus Verschmelzung und Addition (Vereinigung) von Zylindern und Kegel. Der breite Ring ist ein Zylinder, der mit dem schmäleren Zylinder vereinigt (Durchdringungskörper) wurde. Man hätte dieses Teilstück auch durch Vereinigen dreier Zylinder erzeugen können. Einfache 3D-Volumenkörper lassen sich in der Regel auf verschiedene Art und Weise erzeugen. Es bleibt jedem Zeichner überlassen, wie er vorgeht. Bevor ein Werkstück am Computer gezeichnet wird, sollte das Werkstück genau analysiert werden. Der Zeichner sollte sich einen Plan zurechtlegen, wie er vorgeht. Natürlich ist eine Freihandskizze eine große Hilfe.

17 Formänderung zweidimensionaler Körper (Profile) Formänderungen können auch an Profilen vorgenommen werden. Bei AutoCAD müssen die betroffenen Profile vorher zur Region umgewandelt werden. Die untenstehende Abbildung zeigt die booleschen Operationen Vereinigung, Differenz und Schnittmenge an Rechteck und Kreis. Rotation Bei der Ausprägung durch Rotation lässt man ein Profil oder einen offenen Linienzug bzw. eine Kurve um einen beliebigen Winkel um eine Rotationsachse rotieren. Bei einer Rotation um 360 Grad erhält der Körper eine kreisförmige Draufsicht. Mit AutoCAD können sowohl zweidimensionale Flächen als auch dreidimensionale Volumenkörper erstellt werden. Offene Kurven / Linienzüge erstellen dabei immer Flächen, mit Flächen kann man entweder Flächen oder Volumenkörper generieren. Man zeichnet ein Profil, wählt das Werkzeug Rotation aus, gibt eine Rotationsachse an und wählt einen Rotationswinkel von 0 bis 360 Grad aus. Mit Rotation lassen sich auch runde Hohlkörper erzeugen. In der unteren der beiden Abbildungen entstand durch 360 -Drehung eines rechtwinkligen Dreiecks ein Kegel. Denselben Körper erhält man durch das Werkzeug Kegel.

18 Entscheidend für das Aussehen des erzeugten Körpers ist die Lage der Rotationsachse. Die Rotationsachse kann eine Kante des Profils sein. Daraus resultieren geschlossene Rotationskörper wie in den oberen Abbildungen. Liegt die Rotationsachse außerhalb des Profils, entstehen rotationssymmetrische Aussparungen. Die obige Abbildung zeigt drei Volumenkörper, die durch Rotation aus demselben Rechteck erzeugt werden. Von links: 1. Rotationsachse ist die rechte Kante. 2. Rotationsachse parallel zur rechten Kante. 3. Rotationsachse schräg zur rechten Kante. Bei Rotation um 360 Grad, ist die Rotationsachse gleichzeitig die Symmetrieachse. Anheben Bei der Anhebung wird aus einer Reihe übereinander liegender Flächen (Querschnitte) ein 3D- Volumenkörper oder eine Fläche gebildet. Es müssen mindestens zwei Querschnitte vorhanden sein. Bei AutoCAD können auch nicht geschlossene Linienzüge oder Kurven verwendet werden. Aus geschlossenen Flächen werden 3D-Volumenkörper generiert, aus Linienzügen und Kurven entstehen Flächen.

19 Zunächst werden die Flächen nacheinander in verschiedenen Positionen im Raum gezeichnet. Dann wird das Anheben-Werkzeug aktiviert und die Flächen werden nacheinander angeklickt (von unten nach oben). Hebt man Linienelemente an, erhält man Flächen. Die untenstehende Abbildung zeigt eine im Raum gekrümmte Fläche, aus der durch weitere Ausprägung ein 3D-Volumenkörper generiert werden kann. Die Fläche ist aus Anhebung eines Splines zu einer Linie hervorgegangen. Eine Anhebung zwischen Flächenobjekt und Linienobjekt ist nicht möglich. Copyright Bildquelle: D. Rößler Sweep (geführte Ausprägung) Mit Sweep werden Flächen oder 3D-Volumenkörper aus Flächen oder Linienzügen / Kurven entlang eines vorgegebenen Pfades generiert. Man zeichnet den Pfad und das auszuprägende Objekt. Mit dem Werkzeug Sweep wird das Objekt dem Pfad entlang ausgeprägt (Objekt auswählen, Pfad auswählen).

20 In der unteren der beiden Abbildungen wurde eine Polylinie an einem Bogen als Pfad gesweept. Das Resultat ist eine im Raum gekrümmte Fläche. Tipps zum Zeichnen von 3D-Volumenkörpern Es gibt fast immer verschiedene Möglichkeiten mit CAD ein 3D-Objekt zu erzeugen. Man sollte natürlich stets die einfachste Möglichkeit zur Anwendung bringen. Um herauszufinden, was die einfachste Möglichkeit ist, sollte man das Objekt vor dem Zeichnen genau analysieren. Dazu fertigt man auf Papier eine Freihandskizze an (auch CAD funktioniert ohne Papier nicht). Man sollte analysieren, ob der Körper sich aus mehreren Objekten zusammensetzt (Addition) oder aus einem Hüllkörper entstehen kann, welche Ausprägungsarten und/oder booleschen Operationen zugrunde liegen können usw. Die Koordinaten und/oder Maße von wichtigen Punkten sollten festgelegt und in die Skizze eingetragen werden. Das erleichtert das Arbeiten ungemein. Nun legt man sich einen Plan zurecht, wie und in welcher Reihenfolge vorgegangen werden soll. Erst dann wird mit dem Zeichnen am Computer begonnen. Einfach darauf losarbeiten kann man bei sehr einfachen Objekten. Bei komplexen Objekten ist eine Skizze mit Koordinaten und Maßen zwingend notwendig.