AACHEN - Immer mehr Unternehmen versuchen, die Entwicklung und Konstruktion von maschinenbautechnischen Produkten zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang gewinnt die rechnerunterstützte Konstruktion eine besondere Bedeutung. H. P. Coenen* von der RWTH Aachen macht sich grundlegende Gedanken über geometrische Voraussetzungen, den Aufbau von CAD Systemen und über Schnittstellen.

Die erklärten Ziele der rechnerunterstützten Konstruktion lassen sich analog zu den Tätigkeiten eines Konstrukteurs wie folgt definieren:

- Entlastung von Routinearbeiten wie Zeichnen, Detaillieren und das Konstruieren von einfachen Abmessungsvarianten

- Unterstützung bei Kollisionsproblemen und Optimierungsaufgaben wie Toleranzfestlegung und Dimensionierung (Materialverbrauch)

- Konzentrierung der Produktinformation zur Vermeidung von Fehlern, die durch Änderungsdienste entstehen können.

Gerade der letzte Punkt spielt im Rahmen der rechnerunterstützten Konstruktion eine große Rolle, da durch eine zentrale Produktinformation alle an der Entstehung des Produktes beteiligten Abteilungen auf die gleiche Produktinformation zurückgreifen. Dazu zählen Entwicklung, Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung.

Schwerpunkte gebildet

Da die Nutzung der Produktinformation durch die einzelnen Abteilungen auf sehr unterschiedliche Weise erfolgt, haben sich auch innerhalb der Programmentwicklung Schwerpunkte gebildet. Gebräuchliche Begriffe sind hier CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering), CAP (Computer Aided Planing) und CAM (Computer Aided Manufacturing). CAD/CAE haben ihren Schwerpunkt in Entwicklung und Konstruktion. Sie unterstützen die Zeichnungserstellung und in sehr unterschiedlichem Maß die Konstruktion von Produkten CAP unterstützt die Erstellung von Arbeitsplänen innerhalb der Arbeitsvorbereitung und CAM unterstützt die Erstellung der Fertigungsdaten und die Fertigungssteuerung.

Eine besonders wirtschaftliche Nutzung der Rechnerunterstützung ist dann gegeben, wenn das betreffende CAD-System den Bereich von CAD bis CAM für ein bestimmtes Produkt unterstützt (Bild 1).

3D nicht immer notwendig

In Abhängigkeit vom gewünschten rechnerunterstützt erzielten Ergebnis und von der produktabhängigen Aufgabenstellung lassen sich unterschiedliche geometrische Voraussetzungen für das Programmsystem definieren. Dazu zählen die Verarbeitung von 2D-, 2 1/2D- und 3D-Geometrie.

Mit der Verarbeitung von 2D-Geometrie ist die grafische Darstellung beliebiger Produkte und die Erstellung von Schemaplänen möglich, wie zum Beispiel elektrische Schaltpläne oder Hydraulikschaltpläne. Bei der 2D-Verarbeitung erreicht die rechnerunterstützte Konstruktion lediglich den Grad der Zeichnungserstellung, da technische Produkte niemals zweidimensional sind.

Nicht immer ist jedoch für die echte Konstruktionsunterstützung eine 3D-Verarbeitung notwendig, da eine Reihe von Produkten durch eine zweidimensionale Geometrie und einen zusätzlichen Parameter, wie Dicke oder Rotationswinkel eindeutig beschrieben werden können (Bild 3). Dazu zahlen ebene Blechteile und Rotationsteile. In diesen Fällen spricht man von 2 1/2 D-Verarbeitung.

Bei 2D- und 2 1/2 D-Verarbeitung ist dem Programm lediglich ein ebener Zusammenhang der Geometrie bekannt. Der Übergang zur 3D-Verarbeitung erhöht den rechnerinternen Informationsinhalt zum Teil erheblich.

Notwendig ist dieser Übergang einmal zur beliebigen perspektivischen Darstellung eines Produktes, zum anderen zur Bereitstellung der Fertigungsdaten für alle Produkte, die nicht durch Schneiden oder Drehen hergestellt werden.

Gerade in der rechnerinternen dreidimensionalen Darstellung unterscheiden sich die heute angebotenen CAD-Systeme zum Teil erheblich. Die einfachste Form der Darstellung ist das "Drahtmodell". Hier werden alle das Produkt beschreibenden Punkte dreidimensional gespeichert (also mit x-, y- oder z-Koordinate).

Zusätzlich wird die Verbindungsart zwischen den einzelnen Punkten, das heißt die Kanten des Produktes gespeichert. Das sind in den meisten Fällen Strecken oder Kreisbögen.

Mit dieser Information ist eine perspektivische Darstellung ohne Ausblenden der unsichtbaren Linien möglich (Bild 2). Die Berechnung der unsichtbaren Linien ist nicht möglich, da rechnerintern das Produkt "zwischen" den Kanten nicht bekannt ist. Es fehlen also alle Flächen.

Zur vollständigen 3D-Information müssen alle Flächen durch Art (Ebene, Zylinder), räumliche Anordnung, Begrenzung (Kanten und Punkte) und Angabe auf Materialrichtung bekannt sein. Damit ist dann rechnerintern ein "Volumenmodell" bekannt. Dieses Modell ist prinzipiell für jedes Produkt geeignet, wenn es über die notwendigen geometrischen Grundelemente verfügt.

Zu unterscheiden sind hier die Produkte, die durch analytisch beschreibbare Flächen erfaßt werden (spanende Fertigung) und die Produkte, für die eine numerische Flächenbeschreibung notwendig wird (Urformen und Umformen).

Erzeugungsart entscheidend

Der wesentliche Kern eines CAD-Systems ist die rechnerinterne Darstellung der Geometrie. Die "Intelligenz" dieses mathematischen Datenmodells legt weitgehend die Leistungsfähigkeit des Programmsystems fest.

Da nun dieses Datenmodell erzeugt werden muß, ist die Frage nach der Erzeugungsart entscheidend für die Handhabung des CAD-Systems durch den Anwender. Die Eingabe der Daten erfolgt heute in den meisten Fällen interaktiv, also in einem Dialog zwischen Anwender und CAD-System.

Die Anzahl der verfügbaren Kommandos, die Art der Dialogführung durch das Programm und die mögliche Anpassungsfähigkeit an Anwenderwünsche sind dabei wesentliche Kriterien für die Akzeptanz des CAD-Systems.

Da die Eingabe selbst bei größtem Komfort einen relativ hohen Aufwand erfordert - es ist im Grunde nur das Übertragen und nicht das Nutzen einer Information - ist die Art und Häufigkeit der Nutzung des gespeicherten Datenmodells ein wesentlicher Anhaltspunkt für die Wirtschaftlichkeit des CAD-Systems.

Eine universelle Aussage ist in diesem Zusammenhang jedoch nicht möglich, da beispielsweise die einmalige Nutzung in Form eines manuell nicht durchführbaren Optimierungsverfahrens den gleichen Wirtschaftlichkeitsfaktor erbringen kann wie die fortlaufende Nutzung der Produktinformation von der Konstruktion bis zur Fertigung.

Bekannte Nutzungen der rechnerinternen Produktinformation sind die Zeichnungserstellung, die Ermittlung der Werkzeugbahnen (NC-Geometrie) und die Berechnungen mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode.

Darüber hinaus werden für einige technische Produkte Programme zur Unterstützung des Konstruktionsprozesses angeboten, zum Beispiel bei der Konstruktion von Schneidewerkzeugen, Hydrauliksteuerblöcken und Vorrichtungen.

Als Beispiel sei hier das CAD/ CAE-System Rukon, entwickelt am Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaues der RWTH Aachen, genannt, welches insbesondere Unterstützung im Entwicklungs- und Konstruktionsprozeß gibt.

Längere Zeit im Einsatz

In den meisten Fällen muß man davon ausgehen, daß ein CAD-System nicht ohne weiteres 100 Prozent der Anwenderwünsche erfüllen kann insbesondere dann, wenn das System eine längere Zeit im Einsatz ist und der Anwender neue Nutzungsmöglichkeiten sieht; Dazu kommt, daß der Entwickler von CAD-Systemen aus Kostengründen in den meisten Fällen Standardleistungen anbieten muß, die eine begrenzte Spezialisierung jedoch nicht ausschließen. Außerdem muß zukünftigen Entwicklungen wie Normung der Datenübertragung zwischen CAD-Systemen oder Normung der Grafikschnittstelle (zum Beispiel GKS) Rechnung getragen werden.

Aus diesen Gründen ist die Definition von Schnittstellen und deren exakte Einhaltung eine wesentliche Voraussetzung für eine optimale Anpassung an Anwenderwünsche sowohl bei der Systeminstallation als auch im späteren Betrieb. Unter Schnittstelle wird hier die definierte Leistung mit definierten Parametern auf der Basis einer Programmiersprache verstanden. Ein bekanntes Beispiel ist die grafische Ausgabe von Geometrie, wie Strecke, Kreis(bogen) und ähnliches zeichnen. Bei Verfügbarkeit solcher Schnittstellen ist es in der Regel kein großes Problem, fremde Programme an das CAD-System anzukoppeln, die durch Zukauf oder Eigenentwicklung vorhanden sind. Mit den entsprechenden Schnittstellen kann außerdem den Entwicklungen neuer Bildschirmgeräte oder Plotter Rechnung getragen werden.

*H.P. Coenen, wissenschaftlicher Assistent am Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaues der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.