Nicht nur Autos oder Waschmaschinen beginnen ihr Leben im Computer: Leistungsfähige 3D-CAD-Systeme dienen als Planungswerkzeuge auch für so komplexe Produkte wie Schiffe oder Flugzeuge. Dieser Artikel stellt drei CAD-Anwendungen mit unterschiedlichem Leistungsumfang und Preis vor.

Medusa

Medusa [1] ist das älteste der vorgestellten CAD-Systeme: Seine Anfänge liegen am Beginn der 80er Jahre. Die Anwendung lief damals auf den 32-Bit-Vax-Rechnern des Herstellers NEC. Nach diversen Eigentümerwechseln entwickelt nun die Firma CAD-Schroer das für Linux und Windows erhältliche Medusa weiter. Für beide Plattformen gibt es eine kostenlose Lizenz für Privatanwender. Von der etwa 5000 Euro teuren kommerziellen Version unterscheidet sich diese vor allem durch ihren eingeschränkten Druckersupport und ein anderes Dateiformat. Die kostenlose Personal-Version lässt sich nach Angabe der MAC-Adresse des Rechners herunterladen und ist dann an diese Hardware gebunden. Das Installationspaket enthält einen grafischen Installer (Abbildung 1) sowie eine gute Dokumentation.

Abbildung 1: Medusa gefällt mit seinem grafischen Installer.

Das Programm ist in seinen Anforderungen an die Rechnerressourcen genügsam: Nach Angabe des Herstellers reicht ein 1-GHz-Prozessor. Auch eine 3D-beschleunigte Grafikkarte ist nicht zwingend Voraussetzung: Software-OpenGL über Mesa ist schnell genug.

Abbildung 2: Völlig ohne Tuscheflecken: Medusa bietet eine ausgereifte Umgebung für das Erstellen von 2D-Zeichnungen für den Maschinenbau.

Medusa eignet sich besonders für technische Zeichnungen in 2D. Das Standard-Template enthält bereits das übliche Beschriftungsfeld rechts unten auf der Seite. Links im Programmfenster findet der Anwender die Werkzeugpaletten für mehrere hundert Befehle zum Zeichnen, Ändern oder Bemaßen geometrischer Formen (Abbildung 2).

Das Erstellen einer technischen Zeichnung geht mit Medusa flott von der Hand, die Anwendung eignet sich hierfür weit besser als ein normales Zeichenprogramm wie Inkscape [9]. Layer und ein Strukturbaum helfen den Überblick zu bewahren. Das Programm wirkt durchdacht und ausgereift. Routineaufgaben wie der Entwurf einer Profilzeichnung mit normgerechter Bemaßung gelingen allen, die Erfahrung mit technischen Zeichnungen haben, bereits nach geringer Einarbeitungszeit.

Medusa unterstützt den Import von Zeichnungen im DXF- und DWG-Format (Abbildung 3). Wichtig ist dies, weil die meisten Hersteller von Normteilen auch Zeichnungen ihrer Produkte in diesem Format zur Verfügung stellen. Die kommerzielle, nicht jedoch die kostenlose Version von Medusa kann auch in dieses Format exportieren.

Abbildung 3: Gute Anbindung: Die DXF- und DWG-Importfilter von Medusa lesen auch komplexe Zeichnungen aus Autocad und vielen anderen CAD-Anwendungen fehlerfrei ein.

Eine weitere Einschränkung der Personal Edition ist, dass sie das Linux-Drucksystem nicht direkt ansprechen kann. Bei der Ausgabe in eine HPGL-Datei bleibt die Anwendung sporadisch hängen. HPGL ist ein Dateiformat, das ursprünglich als Ansteuerungssprache für Plotter entwickelt wurde, sich jedoch inzwischen zu einem verbreiteten Austauschformat für Vektorgrafiken entwickelt hat. Abgesehen von den Ausgabe-Problemen der kostenlosen Version kann Medusa als 2D-CAD-System jedoch überzeugen.

Varicad

Varicad [2] versteht sich als direktes Pendant zu Autocad. Trotz des wesentlich günstigeren Preises und obwohl es weniger Features enthält, muss es sich insgesamt nicht vor dem bekannteren Konkurrenten verstecken. Neben der Volllizenz für 500 Euro bietet der Hersteller für knapp 100 Euro eine verbilligte Studentenlizenz an. Außerdem gibt es eine 30-Tage-Testversion. Die Installation gelingt mit RPM- oder Deb-Paketen einfach und dauerte im Test keine fünf Minuten. Als Minimum für die Hardware nennt der Hersteller eine Pentium-II-CPU und 256 MByte RAM sowie Hardware-beschleunigtes OpenGL.

Varicad erstellt räumliche Körper wie die meisten CAD-Systeme auf Basis von 2D-Skizzen, die sich durch Rotation oder Translation in Volumenkörper verwandeln (siehe Kasten "3D-Konstruktion"). Der 2D-3D-Knopf schaltet zwischen den Skizzen und der dreidimensionalen Bauteilansicht um (Abbildung 4). Mehrere Bauteile lassen sich zu einer Baugruppe zusammenfügen. Anders als Highend-Systeme speichert Varicad jedoch alle Bauteile und Bauteilgruppen stets in einer einzigen Datei. Dies setzt der Projektgröße, die Varicad sinnvoll bewältigen kann, eine Grenze.

Abbildung 4: Dar Autocad-Konkurrent Varicad eignet sich gut zur räumlichen Konstruktion kleinerer Maschinenteile.

Abbildung 5: Leistungsfähige Funktionen zum Positionieren erleichtern in Varicad die Platzierung von Elementen, hier einer Bohrung.

3D-Konstruktion

Der Startpunkt für das räumliche Modell eines Bauteils ist in den meisten CAD-Systemen eine zweidimensionale Skizze wie in Abbildung 6. Eine Rotation oder Verschiebung entlang einer Linie oder Kurve verwandelt die flache Form in einen Volumenkörper (Abbildung 7). Komplexere Formen entstehen durch boolesche Operationen, etwa eine Addition oder Subtraktion mehrerer Körper. Um die Übersicht zu wahren, zeigen viele CAD-Programme den Entstehungsprozess komplexerer Körper in einer Baumstruktur an (Abbildung 8). Unterstützen einfache Programme nur Grundgeometrien auf der Basis gerader Linien oder Ellipsen, so bieten umfangreichere CAD-Anwendungen mehr Freiheit beim Modellieren: Volumenkörper mit komplexen, organischen Formen wie sie bei Autokarosserien oder modernen Staubsaugergehäusen zu finden sind, basieren auf Bézier- oder Nurbs-Kurven oder -Flächen. Die Form von Bézier- und Nurbs-Kurven (non uniforme rational B-Splines) kontrolliert der Anwender durch Kontrolltangenten. Die Kurvensegmente zwischen diesen verändern sich, als wären sie mit den Tangenten verbundene Gummibänder. Bézier- und Nurbs-Kurven eignen sich damit hervorragend zum Zeichnen von glatten Linien. In räumliche Körper verwandeln sie sich durch Rotation oder Extrusion. Sie dienen auch als Basis für die Beschneidung. Bei Bézier- oder Nurbs-Oberflächen ersetzen Kontroll-Polygone die zweidimensionalen Kontrolltangenten der Bézier- oder Nurbs-Kurven [15]. Diese über Gittern aus Kontroll-Polygonen modellierten Körper erlauben maximale Freiheit bei der Formgebung, setzen jedoch eine ausgefeilte Mathematik für die Geometriebehandlung in der CAD-Anwendung voraus. Ihre Konstruktion ist für den Designer außerdem wesentlich schwieriger als die einfacher geometrischer Grundformen und deren Kombination in booleschen Operationen. Zusatz-Features So genannte Features verkürzen die für das Modellieren benötigte Zeit: Darunter versteht man im Ingenieurswesen häufig benötigte Formen wie Bohrungen, Gewinde, Fasen oder das Abrunden von Kanten. In wenigen Arbeitsschritten lassen sich so den Grundformen komplexe Details hinzufügen, ohne dass der Anwender diese per Hand konstruieren muss. Umfangreiche CAD-Systeme enthalten komplexe Features wie zum Bespiel Aushebeschrägen für Gussteile. Dabei stellt die Anwendung alle Seitenflächen leicht schräg, damit sich der Gussrohling bei der Fertigung leichter aus der Form heben lässt. Nach der Fertigstellung fügt der Konstrukteur einzelne Bauteile zu Baugruppen (Abbildung 9) zusammen. Dies erleichtert es, die Einzelteile für das fertige Produkt anzuordnen. Automatische Ausrichtfunktionen helfen beim passgenauen Montieren, indem sie für lückenlosen Kontakt von Oberflächen sorgen oder die Bauteile bei Bohrungen an der richtigen Stelle zusammenfügen. Mit dem Fertigstelllen des räumlichen Modells ist der Arbeitsprozess noch nicht abgeschlossen. Fertigung, Qualitätskontrolle oder Kundendienst benötigen oft klassische 2D-Zeichnungen. Diese lassen sich automatisch ableiten. Sie entstehen durch eine Projektion aus der gewünschten Perspektive, die Bemaßungen sowie Oberflächen- und Toleranzangaben schließlich vervollständigen. Umfangreiche CAD-Systeme simulieren - über die Modellierung hinausgehend - außerdem physikalische Effekte wie Materialbelastungen bei einer Kollision oder den Wärmefluss. Abbildung 6: Die Konstruktionen eines räumlichen Modells beginnt mit einer zweidimensionalen Skizze. Abbildung 7: Durch Rotation oder Translation entstehen aus dem Profil der ebenen Skizzen Volumenkörper. Abbildung 8: Eine Baumansicht ermöglicht in UGS NX einen Überblick über die Konstruktionsoperationen, die sich zu komplexen Formen fügen. Abbildung 9: Auch bei den Baugruppenbestandteilen sorgt in Highend-Programmen wie UGS NX eine Baumdarstellung für Übersicht.

Häufig benötigte Formen wie T- oder U-Profile setzen keine Skizze voraus: Varicad erzeugt sie nach Eingabe der gewünschten Abmessungen direkt aus dem Bauteilkatalog heraus. Neben den Formprofilen enthält Varicad einen gut gefüllten Normteile-Katalog. Hier stehen fertige Modelle von einfachen Splinten über Schrauben bis hin zu kompletten Kugellagern bereit.

Die 3D-Körper lassen sich durch Fasen (Abschrägen), Abrunden und durch Anbringen von Bohrungen weiterbearbeiten. Ein umfangreicher Positionierungsdialog ermöglicht es, diese Nachbearbeitungsoperation passgenau zu platzieren (Abbildung 5). Objekt-Fangfunktionen, die Bauteile an den Objektkanten oder anderen Markierungslinien oder -punkten quasi mit magnetischer Anziehungskraft versehen, helfen dabei, aus ihnen komplette Maschinen aufzubauen.

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Nicht nur Autos oder Waschmaschinen beginnen ihr Leben im Computer: Leistungsfähige 3D-CAD-Systeme dienen als Planungswerkzeuge auch für so komplexe Produkte wie Schiffe oder Flugzeuge. Dieser Artikel stellt drei CAD-Anwendungen mit unterschiedlichem Leistungsumfang und Preis vor.