Die wichtigsten Infos und Grundlagen zu CAD

Das Kürzel CAD steht für computer-aided design, was übersetzt soviel bedeutet wie computergestützter Entwurf oder computergestützte Konstruktion. Ursprünglich war mit CAD gemeint, dass ein Computer als Hilfsmittel beim technischen Zeichnen verwendet und in diesem Zuge eine Zeichnung als zweidimensionales Objekt oder als dreidimensionales Modell angefertigt wird.

Die Zeichnung wird dabei zunächst auf Vektorbildschirmen und später auch auf normalen Monitoren dargestellt und kann sowohl über Plotter ausgegeben als auch mittels Druckern auf Papier ausgedruckt werden.

Nachdem mittlerweile nahezu alle CAD-Anwendungen um die dritte Dimension erweitert sind, bezeichnet CAD heute aber auch das Erstellen von dreidimensionalen Objekten als virtuelle Modelle, die wiederum die Basis für technische Zeichnungen bilden können.

Vor allem in Bereich der Technik hat CAD das klassische Zeichenbrett und viele herkömmliche Routine-Tätigkeiten abgelöst, wobei dies für die Architektur oder das Bauingenieurwesen genauso gilt wie für die Elektrotechnik, den Maschinenbau oder auch die Zahntechnik. Aber CAD kommt auch im Grafikdesign zur Anwendung und damit dort, wo es weniger um technische Zeichnungen, sondern in erster Linie um bildhafte Darstellungen geht.

Hier nun die wichtigsten Infos und Grundlagen zu CAD in der Übersicht:

2D-CAD

Bei einem einfachen 2D-CAD-System handelt es sich um ein vektororientiertes Zeichenprogramm und eine Zeichnung, die mit einem solchen Programm angefertigt wurde, besteht wie eine Zeichnung auf Papier in erster Linie aus Linien. Die beiden Punkte, die eine Linie beschreiben, sind damit die Basisobjekte dieser CAD-Technik, während Kreise, Ellipsen oder Linien ohne geraden Verlauf bereits zu den komplexeren Objekten gehören.

Den erstellten Objekten können bestimmte Attribute wie beispielsweise die Farbe, die Breite oder die Art der Linie zugeordnet werden. Zudem verfügen die Programme über Werkzeuge, mit deren Hilfe die Zeichnung bearbeitet und beschriftet werden kann. So ist es beispielsweise möglich, Hilfslinien zu zeichnen, bestimmte Punkte innerhalb des Objekts zu finden, geschlossene Linienzüge zu schraffieren oder als Farbfläche darzustellen, das Objekt zu verschieben oder bestimmte Bereiche der Zeichnung zu löschen.

Die vollständige Bemaßung kann durch die Auswahl von jeweils zwei Endpunkten erstellt und unmittelbar in die Zeichnung eingefügt werden. Durch das Hilfsmittel der Layertechnik baut sich eine Zeichnung in mehreren Ebenen auf, die jeweils übereinander gelegt oder auch ausgeblendet werden können.

Diese Technik entspricht damit der klassischen Vorgehensweise bei einer Zeichnung, die in Teilen auf mehreren transparenten Papieren erstellt und durch das Übereinanderlegen zum Gesamtbild wird. Normteile und Elemente, die sich in Zeichnungen regelmäßig wiederholen, können in einer Art Bibliothek abgelegt werden, so dass sie auch für spätere Zeichnungen zur Verfügung stehen. 

2½D-CAD

Um mittels CAD ein räumliches Gebilde zu erstellen, wird häufig ein Drahtmodell erzeugt, bei dem die Linien oder Kanten des Körpers als Draht dargestellt werden. Durch die unterschiedlichen Zeichenebenen im Raum wird es dann möglich, beispielsweise einen Quader abzubilden, der sich aus einzelnen Kanten zusammensetzt.

Bei einer schrägen Betrachtung ergibt sich jedoch die Problematik, dass die vorderen Kanten nur schwer von den hinteren Kanten unterschieden werden können. Aus diesem Grund verfügen 2½D-CAD-Systeme über ein Werkzeug, durch das verdeckte Kanten ausgeblendet werden können. Eine weitere Möglichkeit beim 2½D-CAD besteht darin, Objekten eine Höhe zuzuordnen, wodurch eine Gerade beispielsweise zu einer Wand, ein Quadrat zu einem Würfel oder ein Kreis zu einem Zylinder wird.

Diese Modellierungsoption nutzten die ersten Architekturprogramme, die oft auch die Option vorsahen, den Objekten eine Erhebung hinzuzufügen oder die Objekte um eine beliebige Achse zu drehen. Allerdings mussten auch hier die verdeckten Kanten ausgeblendet werden. Heute gelten CAD-Systeme, die lediglich eine Modellierung in 2½D ermöglichen, als überholt.

Dennoch war diese Technik ein notwendiger Zwischenschritt, um die seinerzeit noch begrenzten technischen Möglichkeiten nutzen zu können und gleichzeitig eine Grundlage für die heutigen 3D-CAD-Systeme zu schaffen. Diese wiederum umfassen nach wie vor auch die 2½D-CAD-Techniken.   

3D-CAD

Während bei 2D-CAD lediglich in einer Ebene gezeichnet wird, wird bei 3D-CAD mithilfe des Computers ein virtuelles Modell von einem dreidimensionalen Objekt erstellt. Dabei geht es aber nicht nur darum, das Objekt anhand von seiner Geometrie darzustellen, sondern es sollen auch möglichst viele seiner Eigenschaften simuliert werden.

So können einem Objekt physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Dichte, elektrische und thermische Leitfähigkeit oder zulässige Bruchspannung zugeordnet werden, wodurch das Objekt dann virtuell gewogen oder elastisch, plastisch und thermisch verformt werden kann.

Zudem wird das Objekt üblicherweise mit einer strukturierten Oberfläche und optischen Eigenschaften ausgestattet.   

Die Modellierungsverfahren

Die CAD-Technik kennt unterschiedliche Modellierungsverfahren:

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Bei einem Kanten- oder Drahtmodell bildet eine mathematische Beschreibung die Kanten eines Körpers als ein gedachtes Modell aus Draht ab.

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Bei einem Flächenmodell bildet eine mathematische Beschreibung die Flächen ab, die den Körper begrenzen. Als Grundlage für ein Flächenmodell dient dabei recht häufig ein Drahtmodell, über das gedanklich ein Netz oder Stoff gespannt wird. Das Flächenmodell spielt überall dort eine sehr wichtige Rolle, wo es in erster Linie auf die Form eines Gegenstandes ankommt.

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Bei einem Volumenmodell werden nicht nur die Flächen beschrieben, aus denen sich der Körper zusammensetzt, sondern es wird auch erfasst, auf welcher Seite die jeweilige Fläche von Materie umgeben ist. Die Fläche wird damit zu einer Fläche, die ein Volumen begrenzt.

Durch das Volumenmodell wird einerseits das Volumen eines Körpers bestimmt und andererseits ermittelt, an welchen Stellen es zu Durchdringungen kommt.

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Ein Körpermodell ist ein technologisches Modell, das alle anderen Modelle zusammenfasst und um Zusatzinformationen über den Werkstoff und die Beschaffenheit der Oberflächen erweitert. Bei einem Körpermodell wird das Objekt also mithilfe seiner Kanten, seiner Flächen, seines Volumens und nicht-geometrischen Informationen dargestellt.

Verwendet werden Körpermodelle zur photorealistischen Darstellung von Gegenständen, bilden teilweise aber auch die Grundlage für deren Fertigung. 

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Bei einem parametrischen Modell beschreiben Parameter geometrische Objekte sowie ihre Bedingungen und Beziehungen zueinander. Durch neu zusammengesetzte Parameter kann ein Modell so innerhalb kürzester Zeit verändert werden, ohne dass das zugrundeliegende Objekt neu aufgebaut werden muss.

Parametrische Modelle sind vor allem in den Bereichen Entwicklung und Konzeption von großer Bedeutung.

Bei einem konstruktionshistorisch-basierten Modell ergibt sich das Objekt aus dem Zusammenspiel von geometrischen Grundformen und den einzelnen Konstruktionsschritten. Da sowohl die geometrischen Parameter als auch die Reihefolge der Konstruktionsschritte gespeichert wird, sind im Nachhinein sehr schnelle und überaus flexible Änderungen durch Abwandlungen der einzelnen Konstruktionsschritte möglich.

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