CAD-Grundlagen

Stell dir vor, du hast eine Lagerplatte von Hand gezeichnet — sauber bemaßt, mit allen Bohrungen. Dann kommt die Rückmeldung: Die Platte muss 5 mm dicker werden, und zwei Bohrungen wandern. Am Reißbrett bedeutet das: neu zeichnen. Genau hier setzt CAD an.

CAD steht für Computer Aided Design, auf Deutsch rechnergestütztes Konstruieren. Statt Striche auf Papier zu setzen, beschreibt man im Rechner die Geometrie eines Bauteils — und das System merkt sich, wie diese Geometrie zusammenhängt. Ändert man ein Maß, rechnet das Programm die betroffenen Stellen neu.

Der größte Gewinn ist diese Änderbarkeit. Dazu kommen zwei weitere Vorteile, die im Alltag mindestens genauso schwer wiegen. Erstens die Wiederverwendung: Ein einmal konstruiertes Normteil — eine Schraube, ein Lagerbock — lässt sich in beliebig vielen Konstruktionen erneut einsetzen. Zweitens die Datendurchgängigkeit: Aus demselben Modell entstehen die Fertigungszeichnung, die Stückliste und die Steuerdaten für eine CNC-Maschine. Es gibt eine einzige Datenquelle, nicht ein Dutzend voneinander getrennter Dokumente, die man bei jeder Änderung einzeln nachpflegen müsste.

CAD ist dabei nur ein Baustein in einer größeren Kette. Daneben stehen CAM (Computer Aided Manufacturing — die rechnergestützte Fertigung, etwa das Erzeugen von Fräsprogrammen), CAE (Computer Aided Engineering — Berechnung und Simulation, zum Beispiel Festigkeitsanalysen) und PLM (Product Lifecycle Management — die Verwaltung aller Produktdaten über den gesamten Lebenszyklus). Diese Begriffe tauchen im Berufsalltag ständig auf; für den Moment reicht es zu wissen, dass CAD den geometrischen Kern liefert, auf dem die anderen aufsetzen.

In der Praxis arbeiten Betriebe im deutschsprachigen Raum mit verschiedenen Systemen — verbreitet sind unter anderem SolidWorks, Autodesk Inventor, Siemens NX, CATIA, Creo sowie im 2D-Bereich AutoCAD. Welches System im Einsatz ist, hängt stark von der Branche ab. Die Grundprinzipien, um die es hier geht, sind aber bei allen sehr ähnlich.

CAD-Systeme arbeiten grundsätzlich auf zwei Arten — und beide haben ihre Berechtigung.

Beim 2D-CAD zeichnet man in der Ebene: Linien, Kreise, Bögen, so wie auf einem Blatt Papier, nur eben am Bildschirm. Das Ergebnis ist eine flache Darstellung. Diese Arbeitsweise ist nach wie vor sinnvoll für Dinge, die von Natur aus zweidimensional sind — etwa Stromlaufpläne, Hydraulikschaltpläne oder einfache Skizzen, bei denen ein Raummodell keinen Mehrwert bringt.

Beim 3D-CAD baut man dagegen einen Körper im Raum auf, einen Volumenkörper. Das Modell weiß, wo Material ist und wo nicht, kennt sein Volumen und seinen Schwerpunkt und lässt sich aus jeder beliebigen Richtung betrachten. Aus diesem 3D-Modell leitet man die 2D-Fertigungszeichnung später automatisch ab. Für die meisten Bauteile im Maschinenbau ist 3D heute der Standard.

Damit ein Körper eindeutig im Raum liegt, braucht jedes CAD-System ein Koordinatensystem. Man unterscheidet das Weltkoordinatensystem — das übergeordnete, feste Bezugssystem des gesamten Modellraums — vom Bauteilkoordinatensystem, das an einem einzelnen Bauteil hängt. Der gemeinsame Bezugspunkt ist der Ursprung, der Nullpunkt, an dem die drei Achsen X, Y und Z zusammenlaufen.

Aufgespannt werden die Konstruktionen auf Ebenen. Drei Grundebenen stehen in jedem System von Anfang an zur Verfügung: die XY-Ebene, die XZ-Ebene und die YZ-Ebene. Auf einer dieser Ebenen beginnt man meist die erste Skizze.

Bei der Eingabe von Punkten kann man zwei Schreibweisen nutzen. Kartesische Koordinaten geben einen Punkt über seine Abstände entlang der Achsen an, also etwa X = 40, Y = 25. Polarkoordinaten beschreiben denselben Punkt über Länge und Winkel, zum Beispiel 47 mm unter 32°. Für eine schräg liegende Bohrung auf einem Lochkreis ist die polare Eingabe oft die natürlichere Wahl, für eine rechteckige Anordnung die kartesische.

Fast jedes Volumenmodell beginnt mit einer flachen Zeichnung — der Skizze. Sie wird auf eine Ebene gelegt und enthält das Profil, aus dem später der Körper entsteht. Doch eine Skizze im CAD ist mehr als ein paar lose Striche: Sie wird durch Regeln festgehalten.

Diese Regeln heißen Constraints, auf Deutsch Zwangsbedingungen. Man unterscheidet zwei Arten. Die geometrischen Constraints legen Lagebeziehungen fest, ohne Maße zu nennen: Eine Linie soll horizontal sein, zwei Linien parallel, ein Bogen tangential an eine Linie anschließen, zwei Kreise konzentrisch (auf demselben Mittelpunkt) liegen. Die Bemaßungs-Constraints dagegen geben konkrete Werte vor — eine Linie ist 60 mm lang, ein Winkel beträgt 30°. Diese Maße steuern die Geometrie aktiv: Man nennt sie deshalb auch getriebene Maße, weil die Geometrie ihnen folgt.

Genau hier liegt der Kern der Parametrik. Ändert man ein Bemaßungs-Constraint, passt sich die Geometrie sofort an. Setzt man die 60 mm auf 80 mm, wird die Linie länger — und alles, was tangential, parallel oder konzentrisch daran gebunden ist, wandert mit. Das Bauteil is also nicht durch feste Striche definiert, sondern durch ein Netz aus Beziehungen und Maßen.

Eine Skizze gilt als voll bestimmt, wenn jeder Punkt durch Constraints eindeutig festgelegt ist — nichts lässt sich mehr verschieben, ohne ein Maß zu ändern. Fehlt dagegen eine Bedingung, ist die Skizze unterbestimmt: Einzelne Elemente lassen sich noch frei mit der Maus ziehen. CAD-Systeme zeigen das meist farblich an. Eine unterbestimmte Skizze ist nicht falsch, aber riskant — sie kann sich bei späteren Änderungen unvorhersehbar verformen.

Dahinter steht ein wichtiger Gedanke: die Konstruktionsabsicht (im Englischen design intent). Man legt die Constraints nicht beliebig, sondern so, dass sie die gewollten Zusammenhänge abbilden. Soll eine Bohrung immer mittig bleiben, auch wenn die Platte breiter wird, dann bindet man sie symmetrisch an die Kanten — nicht mit einem festen Abstand vom linken Rand. So bleibt das Modell auch nach Änderungen sinnvoll.

Aus der fertigen Skizze wird jetzt ein Körper. Die Werkzeuge dafür heißen Features — Konstruktionselemente, die Material hinzufügen oder wegnehmen. Vier davon erzeugen die Grundform, einige weitere erledigen die Detailarbeit.

Das mit Abstand häufigste Feature ist das Extrudieren (Linearaustrag). Dabei wird ein Profil geradlinig in die Höhe gezogen — aus einem Rechteck wird ein Quader, aus einem Kreis ein Zylinder. Man gibt einfach die Tiefe an, etwa 20 mm. Extrudieren kann auch andersherum arbeiten und Material abtragen, etwa um eine Tasche oder eine Bohrung zu erzeugen.

Beim Rotieren dreht sich ein Profil um eine Achse. So entstehen alle rotationssymmetrischen Teile mühelos: Wellen, Buchsen, Riemenscheiben. Man skizziert nur die halbe Kontur im Längsschnitt und lässt sie um die Mittelachse umlaufen.

Komplexere Formen brauchen die beiden anderen Grundfeatures. Beim Sweep (Austrag entlang eines Pfades) wandert ein Profil entlang einer frei gezeichneten Leitkurve — ideal für Rohrleitungen, Griffe oder Dichtungsnuten, die einer geschwungenen Bahn folgen. Beim Loft (Übergang zwischen Profilen) verbindet das System zwei oder mehr unterschiedliche Querschnitte zu einem weichen Übergang — etwa von einem runden auf einen eckigen Querschnitt, wie man es bei Übergangsstücken in der Lüftungstechnik kennt.

Sind Grundform und große Strukturen erstellt, kommen die Detail-Features. Die Bohrung ist ein eigenes intelligentes Feature, das oft schon Gewinde, Senkung und Normwerte mitbringt. Die Fase bricht eine scharfe Kante schräg, die Rundung (Verrundung) ersetzt sie durch einen Radius — beides dient dem Entgraten, der Festigkeit und der Montage. Mit einem Muster vervielfältigt man ein Element regelmäßig: linear in Reihen oder kreisförmig um einen Mittelpunkt, etwa für die Schraubenlöcher eines Flansches. Das Spiegeln erzeugt ein symmetrisches Gegenstück, was bei symmetrischen Bauteilen die halbe Arbeit spart.

All diese Features werden in einer Reihenfolge ausgeführt und in einem Feature-Baum (auch Modellhistorie genannt) festgehalten. Dieser Baum ist eine Liste aller Konstruktionsschritte von oben nach unten. Und die Reihenfolge zählt: Eine Rundung, die man vor einer Bohrung erzeugt, verhält sich anders als eine, die danach kommt. Ändert man einen frühen Schritt, rechnet das System alle nachfolgenden neu — was meist gewünscht ist, gelegentlich aber auch zu Konflikten führt, wenn ein späteres Feature sich auf eine Geometrie bezog, die es nun nicht mehr gibt.

Ein einzelnes Bauteil ist selten das Ziel. Eine Maschine besteht aus vielen Teilen, die zusammenwirken — und genau das bildet die Baugruppe (englisch Assembly) ab. In ihr werden mehrere Einzelteile zu einer Einheit zusammengesetzt.

Beim Aufbau einer Baugruppe gibt es zwei grundlegend verschiedene Strategien, und der Unterschied ist mehr als eine Geschmacksfrage.

Bei der Bottom-Up-Modellierung konstruiert man zuerst alle Einzelteile fertig und für sich allein. Erst danach fügt man sie in der Baugruppe zusammen — von unten nach oben, vom Teil zum Ganzen. Das ist die intuitivere und am weitesten verbreitete Methode, gut geeignet, wenn die Teile schon feststehen oder Normteile und Zukaufteile verwendet werden.

Bei der Top-Down-Modellierung geht man umgekehrt vor: Man beginnt mit der Baugruppe als Ganzes und leitet die einzelnen Teile aus ihrem Zusammenhang ab. Maße eines Teils ergeben sich dann direkt aus den Nachbarteilen — ändert sich das eine, passt sich das andere an. Diese Methode spielt ihre Stärke aus, wenn viele Teile geometrisch voneinander abhängen, etwa bei einem maßgeschneiderten Gehäuse, das sich nach den Bauteilen darin richtet. In der Praxis mischen erfahrene Konstrukteure beide Ansätze.

Zusammengehalten wird eine Baugruppe durch Verknüpfungen (auch Beziehungen oder Constraints genannt — diesmal zwischen Bauteilen statt innerhalb einer Skizze). Typische Verknüpfungen sind fluchtend (zwei Flächen liegen in einer Ebene), koaxial (zwei Zylinder teilen eine Achse, etwa Welle und Bohrung) oder ein fester Abstand. Jede Verknüpfung nimmt dem Bauteil einen Teil seiner Bewegungsfreiheitsgrade. Ein Teil im Raum hat zunächst sechs davon — drei Verschiebungen und drei Drehungen. Eine Welle, die koaxial in einer Bohrung sitzt, kann sich nur noch drehen und längs verschieben; verbleibende Freiheitsgrade entsprechen also der realen Beweglichkeit.

Steht die Baugruppe, kommt der Schritt, der die Datendurchgängigkeit greifbar macht: die Zeichnungsableitung. Aus dem 3D-Modell erzeugt das System automatisch die 2D-Fertigungszeichnung — mit den nötigen Ansichten, Schnittdarstellungen, der Bemaßung und einer Stückliste, die sich direkt aus den verbauten Teilen speist. Ändert man das Modell, aktualisiert sich die Zeichnung mit. Wie genau eine normgerechte Zeichnung mit ihren Ansichten, Schnitten und Bemaßungsregeln aufgebaut sein muss, ist ein Thema für sich und wird in den Beiträgen zur Zeichnungslehre ausführlich behandelt — hier zählt nur, dass das CAD-Modell die Quelle dieser Zeichnung ist.

Schließlich müssen Modelldaten oft den Betrieb verlassen — zu einem Lieferanten, einem Kunden oder einer anderen Software. Dafür gibt es Datenformate. Das native Format ist das systemeigene Format eines CAD-Programms; es enthält die volle Information samt Feature-Baum und Parametrik, lässt sich aber nur im selben System öffnen. Für den Austausch zwischen verschiedenen Systemen nutzt man neutrale Formate: STEP ist der verbreitetste neutrale Standard für Volumenmodelle, IGES ein älterer Vertreter. STL beschreibt nur die Oberfläche als Dreiecksnetz und ist das typische Format für den 3D-Druck. DXF und DWG schließlich sind 2D-Formate, vor allem für den Austausch von Zeichnungen.

In einem echten Betrieb endet die Arbeit nicht mit dem fertigen Modell. Daten müssen weiterfließen, verwaltet und an andere übergeben werden — und hier zeigt sich, ob eine CAD-Umgebung wirklich durchdacht ist.

Der Weg in die Fertigung läuft über die schon erwähnte Datendurchgängigkeit. Aus dem 3D-Modell erzeugt eine CAM-Software die Bahnen für Fräs- und Drehmaschinen; für additive Fertigung wandert das Modell als STL-Dreiecksnetz in den 3D-Drucker. In beiden Fällen ist das CAD-Modell die gemeinsame Grundlage.

Sobald mehrere Personen an denselben Daten arbeiten, braucht es Ordnung. Genau dafür gibt es PDM — Product Data Management, die Verwaltung der Konstruktionsdaten. Ein PDM-System übernimmt die Versionierung (welcher Stand ist der aktuelle, welche Änderung kam wann), verhindert, dass zwei Leute dieselbe Datei gleichzeitig überschreiben, und hält fest, in welchen Baugruppen ein Teil verbaut ist. Ohne so eine Verwaltung herrscht schnell Chaos aus „Gehäuse_final“, „Gehäuse_final_neu“ und „Gehäuse_wirklich_final“.

Für den Austausch mit anderen Betrieben sind in der Praxis im deutschsprachigen Maschinen- und Fahrzeugbau einige Formate besonders wichtig geworden — über die klassischen neutralen Formate hinaus. JT hat sich als schlankes, hochkomprimiertes Format für den Datenaustausch und das Visualisieren großer Baugruppen etabliert; gerade in der Automobil- und Zulieferindustrie ist es weit bevorzugt, weil sich damit auch sehr umfangreiche Modelle flüssig betrachten lassen. Das 3D-PDF wiederum löst ein ganz praktisches Problem: Wer kein CAD-System hat — etwa in Einkauf, Fertigungssteuerung oder beim Kunden — kann ein 3D-Modell trotzdem in einem gewöhnlichen PDF-Betrachter drehen, messen und prüfen. Beide Formate sind in erster Linie zum Ansehen und Kommunizieren gedacht, nicht zum Weiterkonstruieren.

Zum Schluss ein Blick nach vorne: Neben den klassischen, lokal installierten Programmen gibt es zunehmend Cloud- und Browser-CAD, bei dem die Konstruktion direkt im Webbrowser läuft und die Daten zentral auf Servern liegen. Das erleichtert das gemeinsame Arbeiten über Standorte hinweg, wirft aber neue Fragen zu Datenhoheit und Internetabhängigkeit auf. Die Grundprinzipien — Skizze, Features, Baugruppe, Ableitung — bleiben dabei dieselben.