Was ist Computer Added Design (CAD)? Was ist ein CAD-System?
Was ist CAD: Funktionen, Vorteile, Einsatzbereiche, Geschichte und Ausblick
Was ist CAD?
CAD ist eine jener populären Abkürzungen, deren ursprüngliche „Langversionen“ kaum noch bekannt bzw. gebräuchlich sind. Die drei Buchstaben stehen seit Jahrzehnten für „Computer-aided Design“, also einen Konstruktionsprozess am Rechner. Manchmal liest man auch von CADD. Das letzte D steht dabei für Zeichnen („Drafting“).
Modernes CAD ist viel mehr als reines 3D-Konstruieren. Es bewerkstelligt Berechnungen, Simulationen von Produkten, Erstellung von NC-Programmen für die Fertigung etc.
Die CAD-Software kommt unter anderem bei der Neuentwicklung und der Optimierung von Produkten zum Einsatz. Die Erstellung von Bauplänen ist ein weiteres typisches Beispiel. CAD-Systeme können jeweils den kompletten Prozess abdecken – von der ersten Ideenskizze bis zur Übergabe an die Fertigung.
CAD-Software: Früher händisch, heute am Computer
Was früher per Hand erfolgte, erledigen inzwischen der Computer und spezielle CAD-Software. Vereinfacht ausgedrückt, werden geometrische Modelle erzeugt bzw. angepasst. Möglich ist sowohl die 2D-Modellierung – etwa für Ansichten von Bauteilen oder für Stadtpläne – als auch die 3D-Modellierung, zum Beispiel für komplette Anlagen(-Teile). Es ist vor allem die 3D-Variante, ohne die technische Weiterentwicklung heute kaum mehr denkbar wäre.
Die wichtigsten CAD-Funktionen
CAD-Programme bieten eine Fülle nützlicher Funktionen. Zur Veranschaulichung der großen Bandbreite sollen im Folgenden lediglich einige Stichpunkte genannt und erklärt werden:
Alles im Blick: Die Faszination am Arbeiten mit CAD-Programmen besteht vor allem an der Visualisierung von geplanten Objekten. So kann man bereits in der Brainstorming-Phase mit schnell veränderbaren Entwürfen arbeiten. Rendering-Funktionen ermöglichen hochrealistische Darstellungen. „Versteckte“ Fehler und Herausforderungen sind gut zu identifizieren. Und: Aus dem 3D-Modell lassen sich mit wenigen Klicks technische Zeichnung ableiten.
Bibliothek für Teile: Ob Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben, Dichtungen oder Lager – dank Zugriff auf eine digitale Bauteilbibliothek lassen sich Normteile wie diese problemlos ins Projekt einfügen. Umgekehrt entsteht ein Archiv mit selbst erstellten Bauteilen, das für alle künftigen Projekte zur Verfügung steht.
Fertig zur Fertigung: Moderne CAD-Systeme verfügen häufig über sogenannte CAM-Funktionen (Computer Aided Manufacturing). Damit fließt der Auftrag ohne zeitliche Verzögerung oder gar Medienbruch in die Fertigung. Ob Dreh- und Fräsmaschinen oder Laserwerkzeug – die von der Software erzeugten Maschinencodes steuern die automatischen Arbeiten.
Zu den weiteren CAD-Funktionen zählen unter anderem Eigenschaftsberechnungen auf Knopfdruck, automatische Erstellung von Stücklisten und eine effizientere Teamarbeit mit einem Datenmanagement-System.
Ständig wiederkehrenden Aufgabenstellungen und Prozessen im Bereich Konstruktion und Fertigung können ebenfalls automatisiert werden.
Automatische Stücklistengenerierung
Sobald ein Bauteil bzw. eine Baugruppe erstellt ist, generiert das CAD-System eine detaillierte Stückliste. Dadurch erhält man eine transparente Darstellung aller benötigten Teile für das Produkt, mit weiteren Informationen wie Anzahl, Material, Masse etc. Das erleichtert nicht nur die Planung und Fertigung, sondern bietet auch eine schnelle und präzise Übersicht über die erforderlichen Ressourcen.
Konstruktionsintegrierte Simulation
Viele CAD-Programme bieten heutzutage Konstrukteuren unterschiedliche Simulationsfunktionen. Variantenuntersuchung in der frühen Entwicklungsphase, Ermittlung von Spannungen und Verformungen – das alles trägt zur frühen Fehlererkennung, Verbesserung der Produktleistung und Förderung von Innovationen.
Vorteile einer CAD-Software
Zeitersparnis
Gute CAD-Lösungen dienen der Schnelligkeit und der Flexibilität. So sind beispielsweise Anpassungen an einer Zeichnung binnen kürzester Zeit möglich.
Kostensenkung
Der gesamte Konstruktionsprozess verläuft deutlich effizienter. Zudem müssen keine bzw. nicht mehr so viele physische Prototypen erstellt werden.
Fehlererkennung
CAD-Software trägt dazu bei, Fehler bereits in einer frühen Phase zu erkennen. Durch das vernetzte Arbeiten im Team werden Fehler bei Konstruktionen ohnehin minimiert.
Dokumentation
Die Dokumentation wichtiger Daten erfolgt automatisch. Das betrifft zum Beispiel Abmessungen und Stücklisten.
Best Practices
CAD-Systeme erleichtern den nützlichen Rückgriff auf Best Practices: Was sich in der Vergangenheit bewährt hat, kann immer wieder verwendet und gegebenenfalls optimiert werden.
Typische Einsatzgebiete für CAD
CAD ist in vielen Bereichen zu einem Standard-Werkzeug geworden. Überall dort, wo etwas gefertigt werden oder entstehen soll, braucht es in modernen Unternehmen CAD-Lösungen.
Typische Branchen sind:
- Maschinenbau
- Automobilindustrie
- Luft- und Raumfahrt
- Energietechnik
- Maschinen- und Anlagenbau
- Elektrotechnik
- Architektur
- Produktdesign
- Medizintechnik
- das unternehmenseigene Anforderungsprofil gibt die Software-Lösung vor – nicht umgekehrt!
- ein Lastenheft sollte zwingend erstellt werden
- Wie ist der Status quo? Und was soll dank neuer Software anders, sprich: besser werden?
- Welche Designs werden benötigt (muss die Lösung zum Beispiel ineinander übergehende Krümmungen darstellen können)?
- Sind die Dateiformate kompatibel mit der Bestandssoftware im Unternehmen (und falls nicht, wie könnte dafür eine Lösung gefunden werden)?
- Besteht bei der angedachten CAD-Lösung die Möglichkeit der Cloud-Speicherung? Oder braucht es zwingend lokale Server?
- Wie ist es um das interne Schulungs- und Weiterbildungsmanagement bestellt (ausreichend Zeit für die Teams eingeplant)?
Führende CAD-Systeme auf dem Markt
CAD-Software ist nicht gleich CAD-Software. Die Programme unterscheiden sich zum Teil erheblich in ihren Funktionen und Anwendungsgebieten. Vor der Entscheidung für ein neues System ist es daher wichtig, verschiedene Lösungen miteinander zu vergleichen. Die eigenen Anforderungen sollten den jeweiligen Software-Eigenschaften gegenübergestellt werden. Plakativ formuliert: Ein Architekturbüro braucht eine andere Lösung als ein Pumpenhersteller.
Es gibt eine Vielzahl an CAD-Systemen auf dem Märkt, die sich mit unterschiedlichen Features an verschiedene Anwender richten. Stetig kommen neue Tools hinzu.
Das beste CAD-System für Konzerne und global tätige Mittelständler:
CATIA – entstanden aus einem Grafikprogramm der heutigen Dassault Aviation zur Flugzeugentwicklung in Frankreich – gilt dank permanenter Weiterentwicklung noch immer weltweit als innovatives CAD-Standardprogramm. Die am weitesten verbreitete Versionen sind CATIA V5 und CATIA 3DEXPERIENCE.
Multi-CAD-Umgebung
Heutzutage nutzen Unternehmen, besonders aus der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, CAD-Systeme sowohl verschiedener Hersteller als auch Klassen (mechanisches MCAD oder elektrisches ECAD), um innovative Produkte entwickeln zu können. Die Vielfalt der eingesetzten CAD-Systeme führt jedoch zu Inkompatibilitäten bei den erzeugten CAD-Daten.
In diesem Zusammenhang spricht man von Multi-CAD-Integration, das bedeutet eine konsistente Integration mehrerer CAD-Systeme in eine einzige Multi-CAD-Umgebung. Dadurch lassen sich inkompatible CAD-Daten unkompliziert verwalten und verwenden, ohne dass der Nutzer zwischen verschiedenen CAD-Systemen ständig wechseln muss. Die Zusammenarbeit und die Aktualität der Daten werden verbessert, was zu einer höheren Produktivität und zu beschleunigter Produktentwicklung führt.
Die Multi-CAD-Integration mit der 3DEXPERIENCE Plattform von Dassault Systèmes ist auch als 3DEXPERIENCE Collaborative Design oder Power’By bekannt.
Wo liegen künftig die größten Herausforderungen in punkto CAD?
Das Produktdesign wurde in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten durch CAD bereits stark beschleunigt. Heute muss der Eindruck entstehen, dass zuletzt ein wahrer Turbo hinzugeschaltet wurde. Die Gründe dafür sind offensichtlich: Zum einen verlangen die globalen Herausforderungen wie der Klimawandel zeitnah neue und innovative Lösungen, vor allem in der Energieerzeugung und -versorgung, beim Wohnen und in der Mobilität. Zum anderen hat sich der Endverbraucher daran gewöhnt, in immer kürzeren Abständen neue, bessere Produkte angeboten zu bekommen – sei das das E-Bike oder das Smartphone. Entwickler und Konstrukteure sind auf der Zeitschiene also mehr denn je gefragt. Um die entscheidenden Kriterien Funktionalität und Ästhetik zu verbinden – und eine wirtschaftliche Fertigung zu gewährleisten – werden sie künftig noch stärker vernetzt in Teams arbeiten. CAD ist dafür Ursache und Lösung in einem.
Ungeheure Datenmengen
Eine weitere Herausforderung: CAD-Systeme produzieren eine enorme Menge an Daten. Bei Millionen von Komponenten, Baugruppen und Zeichnungen können Unternehmen schnell den Überblick verlieren. Fatale Fehler sind die mögliche Folge. Gefragt ist also ein intelligentes und sicheres CAD-Datenmanagement.
Fazit
Ob 3D-Druck oder Digital Twin – CAD-Systeme bilden in vielfacher Hinsicht die Grundlage unserer heutigen und der künftigen Welt. Sie setzen ihren Siegeszug fort, den sie vor rund sechs Jahrzehnten begonnen haben. Vieles deutet daraufhin, dass uns die Buchstabenkombination CAD noch lange begleiten wird. Zumindest ist eine revolutionäre Ablösung – Stand heute – nicht am Horizont zu erkennen. Allerdings verläuft die Weiterentwicklung bewährter Programme mit derart hoher Geschwindigkeit, dass auch auf evolutionäre Weise regelmäßig Innovationssprünge vollzogen werden. Bestes Beispiel und wichtiger Meilenstein war und ist der Wechsel der Systeme in die Cloud. Der CAD-Arbeitsplatz ist damit so flexibel geworden wie andere PC-Arbeitsplätze auch.
FAQ - Häufig gestellte Fragen
Welche Software ist das Hauptwerkzeug von Konstrukteuren?
Ursprung und Kern von CAD-Systemen ist das Anfertigen technischer Zeichnungen, besser: Darstellungen als Grundlage für Entwicklung, Fertigung und Optimierung. Im Fall von 2D-CAD entsteht aus Geraden, Kreisen etc. ein sogenanntes vektororientiertes Objekt. Um dieses in Gänze betrachten zu können, sind jeweils Vorder-, Drauf- und Seitenansicht erforderlich.
Alle drei Raumrichtungen
Eine realitätsnahe Darstellung, verbunden mit einer besseren räumlichen Vorstellung, erlaubt die 3D-Modellierung. Das erzeugte Modell kann in allen drei Raumrichtungen betrachtet werden. Diverse Operationen sind mit wenigen Klicks möglich, zum Beispiel Rotieren, Skalieren oder Verjüngen. Da hierfür mitunter sehr hohe Rechenleistungen erforderlich sind, empfiehlt sich für den Einsatz solcher Software auch eine speziell auf Konstruktion ausgerichtete Hardware.
Welche Software wird immer wichtiger für Konstrukteure?
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Objekte darzustellen. Am geläufigsten sind Kantenmodelle (auch Drahtmodell oder wire-frame), Flächenmodelle (surface models) und Volumenmodelle (solid models). Wie seine deutsche Bezeichnung schon verrät, kommt das Drahtmodell als Skelett von Punkten, Linien und Kurven ohne Volumen- oder Flächeninformation aus. Es werden lediglich die Verbindungen von definierten Punkten gezeigt. Es ist eine einfache dreidimensionale 3D-Darstellung. Ihr Vorteil liegt darin, vergleichsweise wenig Rechenleistung und -zeit zu benötigen.
Basis für Flächenmodell
Das Drahtmodell dient als Basis für das Flächenmodell. Hier erscheinen die sichtbaren Flächen in Form von miteinander verbundenen, farbigen Polygonen. Es ist eine sehr realistische Darstellung, allerdings liegt das Objekt lediglich als „Hülle“ vor. Darin unterscheidet es sich vom Volumenmodell, der Ergänzung des Flächenmodells. Die Optik ist gleich realistisch, hinzu kommen jedoch Eigenschaften wie Volumen, Gewicht etc. Damit kann das Volumenmodell als Prototyp dienen.
Was ist der Unterschied zwischen Konstruktion und Produktentwicklung?
Bei der großen Bandbreite an Funktionen und Optionen liegt es auf der Hand, dass die Preise für CAD-Software sehr unterschiedlich ausfallen. Grob gesprochen sollte man von einigen tausend Euro pro Lizenz ausgehen. Aber: Mancher Hersteller bietet kostengünstige Einsteigermodelle für Startups an. Zum Start-up Angebot
Was gehört zur Produktentwicklung?
Junge aufstrebende Unternehmen benötigen CAD-Systeme, die am zweiten Tag perfekt funktionieren, d.h. schnell implementierbar und leicht skalierbar sind. Weiterhin wichtig ist, dass die Software eine ganze Bandbreite an CAD-Funktionen bietet, wie z.B. simulationsgetriebene und modelbasierte Produktentwicklung oder 3D-Druck, um effizient neue Varianten von innovativen Produkten zu entwickeln und testen.
Dassault Systèmes und TECHNIA bieten jungen Gründern ein hochmodernes CAD-System mit Zugriff auf CATIA, ENOVIA, DELMIA etc. in Form von einer App-Suite 3DEXPERIENCE. Weitere Informationen zu 3DEXPERIENCE für Start-ups finden Sie hier.
Wie hat sich CAD im Laufe der Zeit entwickelt?
Bleistift, Lineal und Reißbrett haben – zumindest aus Sicht der Konstrukteure – praktisch nur noch musealen Wert. Denn CAD-Lösungen haben ihre Arbeit revolutioniert. Was viele nicht wissen: Die umwälzende Neuerung begann bereits vor mehr als 60 Jahren. Ihr Ursprung ist vor allem mit dem Namen Ivan Sutherland verbunden. Der US-Amerikaner entwickelte Anfang der 1960er-Jahre im Rahmen seiner Doktorarbeit am renommierten MIT das Programm „Sketchpad“ zur schnellen und einfachen Erstellung von Skizzen.
Wie kann man CAD lernen?
Um CAD zu erlernen, wird die Teilnahme an Schulungen für spezifische Software wie CATIA und NX empfohlen. Diese Schulungen bieten strukturierte Lerninhalte und praktische Übungen, um fundierte Kenntnisse über die Funktionen und Arbeitsabläufe dieser CAD-Programme zu erlangen. Ergänzend dazu können auch Online-Ressourcen wie Tutorials und Schulungsvideos genutzt werden, um das Verständnis zu vertiefen und die Fähigkeiten weiter zu verbessern.
