In den professionellen Kreisen wird CAD üblicherweise als parametrisches System bezeichnet, das über eine Historiespur und fortgeschrittene Funktionen zur Arbeit mit stark eingeschränkten und komplexen Baugruppen verfügt. Im Gegensatz dazu ist 3D-Software hauptsächlich für die Generierung von Modellen zur Visualisierung oder für künstlerische Zwecke gedacht. In diesem Artikel verwenden wir den Begriff CAD jedoch, um jedes Programm zu bezeichnen, das funktionierende 3D-Modelle für Fertigungsprozesse wie Spritzgießen, Thermoformen oder 3D-Druck erstellen kann. Das Maß an parametrischer Kontrolle ist selbst ein Parameter des Programms, für den der Designer sich entscheiden kann.
Freiformmodellierung oder virtuelles Tonmodellieren
Die geringste dimensionsbezogene Kontrolle wird von den Freiformmodellierern oder virtuellen Tonbildhauern geboten, bei denen der Benutzer Formen aus einem Basismesh-Objekt zeichnet und es frei modifiziert, ohne numerische Einschränkungen. Die wichtigsten Beispiele hierfür sind ZBrush und Mudbox.
Polygonmodellierung
Bei der polygonalen Modellierung, auch bekannt als Mesh-, Drahtgitter- oder Boxmodellierung, beginnt der Benutzer ebenfalls mit einem Basismesh, verformt es jedoch durch Operationen an den Elementen des Meshes: seinen Vertices, Kanten und Flächen. Darüber hinaus gibt es Modifikatoren/Verformer, die auf das gesamte Modell wirken, wie Biegen, Verdrehen, Glätten und Formenmorphing. Dies gibt dem Designer eine gewisse numerische Kontrolle, obwohl Teile des Modells weiterhin nicht mit allen anderen Teilen verbunden sind. Wings3D ist eine kostenlose Option, aber Boxmodellierer wie 3D Studio Max, Maya, Blender und Cinema4D bieten auch fortschrittliche Animations- und Rendering-Funktionen.
Solidmodellierung
Die Solidmodellierung ist der einfachste Weg, 3D-Design für fertigbare Modelle durchzuführen. Von Anfang an wird das virtuelle Design als fertigbares Festkörperobjekt behandelt, von dem der Benutzer Material hinzufügt oder entfernt, indem er konstruktive Festkörpergeometrie (CSG) -Techniken verwendet. Programme wie SolidWorks und SolidEdge ermöglichen das Erstellen von Skizzen an verschiedenen Teilen des Modells, die dann extrudiert oder um eine Achse gedreht werden können, um neue Funktionen zu erstellen.
Oberflächenmodellierung
Oberflächenmodellierer behandeln ein virtuelles Objekt als Satz von Oberflächen, und nur wenn diese vollständig auf allen Seiten verbunden sind, kann das Modell als “wasserdicht” bezeichnet und anschließend in einen massiven Körper umgewandelt werden, der für die Produktion, beispielsweise für den 3D-Druck, bereit ist. Der Ersteller erstellt zunächst Skizzen, die anschließend über eine Schiene geführt, um eine Achse gedreht oder zu anderen Skizzen angebracht werden. Oberflächen können dann miteinander gemischt und beschnitten werden, um einen komplexen Teiledesign zu erstellen. Oberflächen können tangential sein, d.h. sie fließen direkt ineinander über. Dies wird als G1-Kontinuität bezeichnet. Wenn die Änderung der Tangente auch über eine Oberfläche hinweg konsistent bleibt, kann dies als Krümmungskontinuität oder G2 bezeichnet werden. Programme wie Alias, Creo und Rhinoceros bieten erweiterte Oberflächenmodellierungsfunktionen im G2-Bereich an. Wenn die Krümmungsänderung auch glatt bleiben muss, zum Beispiel bei der aerodynamischen Optimierung, handelt es sich um G3, und der Designer betritt den Bereich des Class-A-Surfacing, für den nur die fortschrittlichsten Softwarelösungen wie CATIA geeignet sind. Bei der Auswahl eines Oberflächenmodellierers ist es wichtig, sich der zugrunde liegenden Engine bewusst zu sein, die auf NURBS, Bézier, T-Splines oder den veralteten Coons-Typ-Definitionen basieren kann.
Parametrische Modellierung
Parametrische Modellierer geben dem Designer die volle Kontrolle über den Modellierungsprozess im Gegensatz zu direkten Modellierern. Jedes Feature kann basierend auf einer Reihe von Dimensionen und Einschränkungen erstellt werden, die seine Größe, Form und Position bestimmen. Diese Elemente bauen aufeinander auf und erzeugen einen historischen Modellbaum, der widerspiegelt, wie das Modell erstellt wurde. Der Designer arbeitet hier mehr direkt an den Parametern, die das Design steuern, als an der Geometrie selbst. Dadurch wird der Workflow bereichert, da es möglich wird, Teile des Designs zu programmieren oder zu skripten und dadurch eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für Texturen, Muster und Variationen für die Produktanpassung zu eröffnen. Parametrische Modellierer nutzen das Potenzial von CAD voll aus, jedoch sollte immer geprüft werden, ob sie die konzeptionelle Exploration hemmen. CATIA, Creo und OnShape bieten alle fortgeschrittene parametrische Modellierungsfunktionen. Während Rhinoceros ein direkter Modellierer ist, ist sein Plugin Grasshopper ein herausragendes Beispiel dafür, wie parametrische Kontrolle in den Prozess eingebracht werden kann. In OpenSCAD ist die gesamte Geometrie in einem separaten Fenster codiert anstatt direkt in den virtuellen Raum gezeichnet zu werden. Antimony ersetzt die textuelle Skripting durch ein intuitiveres diagrammbasiertes Flussschema ähnlich wie Grasshopper. Selbst SolidWorks ermöglicht eine datengesteuerte Kontrolle unter Verwendung eines Tabellendokuments als Eingabedefinition.
Generative Gestaltung
Bei der generativen Gestaltung (GD) werden komplexe Ergebnisse computergeneriert, die über den Bereich der menschlichen Vorstellungskraft hinausgehen. Die Definition eines Designs kann durch manuelles Feintuning der Eingabenummern geändert werden, und das Modell wird entsprechend aktualisiert. Es kann auch teilweise oder vollständig von künstlicher Intelligenz durchgeführt werden, die den 3D-Modellierungsprozess mit Rekursion und Evolution zu optimalen Formen ergänzen kann, wie es bei der Topologieoptimierung der Fall ist.
Hybrid CAD-Systeme
Die meisten heutigen CAD-Systeme sind sogenannte Hybride, da sie Aspekte und Werkzeuge aus mehreren Arten von CAD-Modellierungsmethoden enthalten, je nach den Anforderungen einer bestimmten Branche oder Produktart. SolidWorks und Cobalt sind am besten für Festkörper, bieten jedoch auch erstaunliche Oberflächenmodellierungsfähigkeiten. CATIA, Siemens NX und Creo verfügen sowohl über fortschrittliche Festkörper- als auch Oberflächenmodellierungsfunktionen sowie Optionen für die Freiformmodellierung bei voller Parametrik. Blender bietet sowohl polygonale Modellierung als auch Modellierung in einem einzigen Umfeld. SelfCAD und Fusion360 kombinieren die Mesh-Modellierung mit der Festkörpermodellierung. Selbst ZBrush ist ein Hybrid-System, da es neben einem Haufen virtueller Tonmasse auch ausgezeichnete polygonale Modellierungswerkzeuge bietet.
Hardwareanforderungen
In Bezug auf die Hardware sind ein leistungsstarker CPU, eine GPU und erweiterter RAM-Speicher ein Muss, insbesondere für parametrische CAD-Software und nicht cloudbasierte Systeme. Die Investition in einen Controller oder eine Maus, die speziell für das 3D-Design geeignet ist, ist von erheblichem Nutzen.
