3.1 – Technisches Zeichnen

Die Anfänge des architektonischen, technischen Zeichnens wurden im bzw. vor dem Mittelalter gelegt, wie z. B. der St. Galler Klosterplan oder die Zeichnungen von Villard de Honnecourt beweisen. Weitere Belege für die Entwicklung des technischen Zeichnens finden sich in frühen Patentschriften aus dem 19. Jahrhundert. Die Disziplin des technischen Zeichnens hat sich also über Jahrhunderte hinweg evolutionär zu einer modernen Technik entwickelt. Beim klassischen technischen Zeichnen am Zeichenbrett kommen früher wie heute verschiedene Zeichenwerkzeuge, wie Reißzeug, Zirkelbesteck und Kurvenlineal zum Einsatz. Bis um 1910 (für manche Anwendungen noch bis etwa 1965) wurde fast ausschließlich mit Bleistift und Tusche auf Transparentpapier gezeichnet. Dieses spannte man  auf ein Reißbrett (Zeichenbrett) oder das Schräge Brett einer Zeichenmaschine. (Quelle)

3.2 – Entwicklung von CAD

Der Begriff „Computer-Aided Design“ entstand Ende der 1950er-Jahre im Zuge der Entwicklung des Programmiersystems APT, welches der rechnerunterstützten Programmierung von NC-Maschinen (NC = Numerical Control bzw. Numerischer Steuerung, siehe Digitale Ausgabe) diente. (Quelle)

CAD (von engl. computer-aided design, zu Deutsch rechnerunterstütztes Konstruieren^[1][2]) bezeichnet die Unterstützung von konstruktiven Aufgaben mittels elektronischer Datenverarbeitung (EDV) zur Herstellung eines Produkts (z.B. Auto, Flugzeug, Bauwerk, Kleidung). In einem engeren Sinn versteht man unter CAD das rechnerunterstützte Erzeugen und Ändern des geometrischen Modells. In einem weiteren Sinn versteht man darunter sämtliche rechnerunterstützten Tätigkeiten in einem Konstruktionsprozess, einschließlich der geometrischen Modellierung, des Berechnens, des Simulierens und sonstiger Informationsgewinnung und Informationsbereitstellung, von der Konzeptentwicklung bis zur Übergabe an die Herstellung bzw. Fertigung (Arbeitsvorbereitung). (Quelle)

Patrick J. Hanratty („der Vater von CAD/CAM“) entwickelte 1957 PRONTO (Programme for Numerical Tooling Operations), eine frühe kommerzielle Sprache zur Programmierung numerischer Maschinen-Kontrolle. Am MIT zeigte Ivan Sutherland 1963 mit seiner Sketchpad-Entwicklung, dass es möglich ist, an einem computergesteuerten Radarschirm interaktiv (Lichtstift, Tastatur) einfache Skizzen (englisch Sketch) zu erstellen und zu verändern, ein Durchbruch in Bezug auf die grafische Benutzerinteraktion (GUI).

1965 wurden bei Lockheed (Flugzeugbau, USA) die ersten Anläufe für ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D) gestartet. Dieses System, CADAM (Computer-augmented Design and Manufacturing), basierend auf IBM–Großrechnern und speziellen Bildschirmen, und mit hohen Kosten verbunden, wurde später von IBM vermarktet und war, zumindest im Flugzeugbau, Marktführer bis in die 1980er-Jahre. Der französische Flugzeughersteller Avions Marcel Dassault (heute Dassault Aviation) entwickelte ein Grafikprogramm zur Erstellung von Zeichnungen, woraus das Programm CATIA entstand. Die Mirage war das erste Flugzeug, das damit entwickelt wurde. Damals benötigte ein solches Programm noch die Leistung eines Großrechners.

Nachdem in der zweiten Hälfte der 1980er-Jahre die ersten Personal Computer (PC) in den Unternehmen eingeführt wurden, kamen auch CAD-Programme dafür auf den Markt. In dieser Zeit gab es eine Vielzahl von Computerherstellern und Betriebssystemen. AutoCAD war eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, das auf unterschiedlichen Betriebssystemen arbeitete. Um den Datenaustausch zwischen diesen Systemen zu ermöglichen, definierte AutoDesk für sein CAD-System AutoCAD das DXF-Dateiformat als „neutrale“ Export- und Importschnittstelle. 1982 erschien AutoCAD für das Betriebssystem DOS. Das Vorgehen bei der Konstruktion blieb jedoch beinahe gleich wie zuvor mit dem Zeichenbrett.

Faktoren für den frühen Erfolg und die bis heute weite Verbreitung von AutoCAD (und anderen Autodesk Produkten) waren erstens dass es im Vergleich zu Mitbewerbern um den Faktor 10 billiger war, es zweitens relativ einfach illegal zu kopieren war, und dass dadurch drittens auf dem Arbeitsmarkt viel mehr Personen mit AutoCAD-Erfahrung als Experten in jeder anderen Software verfügbar waren.

Der Vorteil von 2D-CAD waren sehr saubere Zeichnungen, die einfach wieder geändert werden konnten. Auch war es schneller möglich, verschiedene Versionen eines Bauteils zu zeichnen.

In den 1980er-Jahren begann wegen der sinkenden Arbeitsplatzkosten und der besser werdenden Software ein CAD-Boom. In der Industrie wurde die Hoffnung gehegt, mit einem System alle anstehenden Zeichnungs- und Konstruktionsaufgaben lösen zu können. Dieser Ansatz ist aber gescheitert. Heute wird für jede spezielle Planungsaufgabe ein spezielles System mit sehr leistungsfähigen Spezialfunktionen benutzt. Der Schritt zur dritten Dimension wurde durch die immer höhere Leistungsfähigkeit der Hardware dann gegen Ende der 1980er-Jahre auch für kleinere Unternehmen erschwinglich. So konnten nun virtuelle Körper von allen Seiten begutachtet werden. Ebenso wurde es möglich, Belastungen zu simulieren und Fertigungsprogramme für computergesteuerte Werkzeugmaschinen (CNC) abzuleiten. (Quelle)

Ideen für semantische Objekte (Teile die Information über Art des Bauteils, e.g. Boden, Wand, Fenster, Stütze haben) und über eine Datenbankverknüpfung automatisch Mengen und Kosten ausgeben könnten, hatten Software-Entwickler schon in den frühen 80er-Jahren. Die Welt der Architekten schien damals aber nicht bereit dafür zu sein.

Seit Anfang der 2000er-Jahre gibt es erste Ansätze, die bis dahin immer noch zwingend notwendige Zeichnung verschwinden zu lassen. In die immer öfter vorhandenen 3D-Modelle werden von der Bemaßung über Farbe und Werkstoff alle notwendigen Angaben für die Fertigung eingebracht. Wird das 3D-Modell um diese zusätzlichen, geometriefremden Eigenschaften erweitert, wird es zum Produktmodell, unterstützt beispielsweise durch das STEP-Datenformat. Die einzelnen einheitlichen Volumenobjekte werden zu Instanzen unterschiedlicher Klassen. Dadurch können Konstruktionsregeln und Verweise zwischen einzelnen Objekten (zum Beispiel: Fenster wird in Wand verankert) realisiert werden. (Quelle)

3.3 – Anatonomie einer CAD Software

3.3.1 – Direkte Modellierung

Bei der direkten Modellierung (explicit modeling) werden die geometrischen Elemente direkt über bestimmte Funktionen (Skalieren, Verschieben, Dehnen etc.) verändert. Die geometrischen Elemente enthalten nur feste Werte (und keine Variablen), welche erst durch das Anwenden von Funktionen geändert werden können. Hierbei wählt man das geometrische Element und die entsprechende Funktion, welche die gewünschte Änderung hervorrufen soll, aus und verändert das Objekt entweder interaktiv mit der Maus oder über Koordinateneingabe mittels Tastatur. Verändert werden dabei nur die gewählten geometrischen Elemente. Es bestehen (im Unterschied zum parametrischen Modellieren) keinerlei dauerhaften Abhängigkeiten zwischen den geometrischen Elementen, wodurch ein sehr intuitives und freies Ändern der Geometrie möglich ist. (Quelle)

3.3.2 – Parametrische Modellierung

Unter parametrischer Modellierung versteht man das Steuern des Modells mittels Parametern. Das heißt, dass – anders als bei der direkten Modellierung – das Modell nicht direkt über seine Geometrie, sondern über seine Parameter angesprochen wird, welche das Modell jederzeit ändern können. Die Arten der Parameter unterscheiden sich je nach Anwendung grob in Geometrieparameter (zum Beispiel geometrische Maße, Positionen), physikalische Parameter (Beispielsweise Werkstoffe, Lasten), Topologieparameter und Prozessparameter.^[62][63] Dadurch dass diese Parameter systemintern gespeichert werden, lassen sich Beziehungen und Abhängigkeiten zwischen ihnen herstellen. Dies wird über Restriktion bzw. Zwangsbedingungen (Constraints) umgesetzt. (Quelle)

3.3.3 – Chronologie-basierte Modellierung

Hier kommen Datenstrukturen zur Anwendung, die den Erzeugungsverlauf des Modells aufzeichnen. Für Benutzende wird dies in einem Chronologiebaum (History tree) dargestellt, der während der Modellierung laufend aktualisiert wird und in dem die einzelnen Modellierschritte und der Aufbau des Modells eingesehen und bei Bedarf in jeder Phase des Konstruktionsprozesses verändert werden können. (Quelle)

3.4 – Rhino als Beispiel

Rhino kann NURBS-Kurven, -Flächen und -Volumenkörper, SubD-Geometrie, Punktwolken und Polygonnetze erzeugen, bearbeiten, analysieren, dokumentieren, rendern, animieren und übersetzen.

CAD Software erlaubt es Modelle zu:

• erstellen
• aufnehmen/scannen
• editieren
• visualisieren
• dokumentieren in Form von Fertigungs-/Herstellungsunterlagen
• analysieren
• Fabrikationsdaten erstellen

Rhino erlaubt grundsätzlich direkte Modellierung. Durch Grasshopper lassen sich aber Strategien des parametrischen und chronologie-basierten Modellierens verwenden.

3.4.1 – Modellierungs-Werkzeuge

Rhino verfügt über Modellierungswerkzeuge, die das Erstellen von Punkten, Kurven, Flächen, Volumenkörpern und Polygonnetzen erlauben.

3.4.2 – Editieren

Diese Geometrien lassen sich mit unter anderem mit allgemeinen Werkzeugen, Transformierung und Kontrollpunkten bearbeiten.

3.4.3 – Interface

Das Interface bietet eine differenzierte Benutzeroberfläche, mit Konstruktionshilfen. Die Modelle können auf unterschiedlichster Art und in verschiedenen Perspektiven in Echtzeit angezeigt werden, bzw. realistisch gerendert werden.

3.4.4 – Entwurf / Pläne

Für das Erstellen von Plänen gibt es verschiedene technische Illustrations und Bemassungswerkzeuge.

3.4.5 – Digitale Herstellung

Das Rhino-Entwicklungsprojekt begann vor ungefähr 20 Jahren, um Schiffsdesigner mit Werkzeugen für die Erzeugung von Computermodellen auszustatten, die dazu verwendet werden konnten, die digital gesteuerten Fertigungsgeräte in den Schiffswerften zu steuern. Bei rascher Kostensenkung der digitalen Fertigung und 3D-Drucktechnologie haben immer mehr Designer direkten Zugriff auf digitale 3D-Fertigungsgeräte, für die Rhino die Fertigungsdaten exportieren kann.

3.4.6 – Erfassung

Die Erfassung von 3D-Daten ist in einem Designprojekt oft einer der ersten Schritte. Rhino unterstützt 3D-Digitalisierungs-Hardware wie auch gescannte 3D-Punktewolkendaten.

3.4.7 – Untersuchung und Analyse

Die Verwirklichung eines Projekts erfordert hochwertige 3D-Modelle in jeder Phase des Designs, der Präsentation, der Analyse und der Fertigung.

3.4.8 – Export

Um die 3D-Modelle oder die 2D-Zeichnungen in anderen Programmen zu öffnen oder weiterzubearbeiten, erlaubt es Rhino, die Projekte in einer Vielzahl an Datenformaten exportieren zu können.

3.4.9 – API

Eine Programmierschnittstelle, häufig nur kurz API genannt, ist ein Programmteil, der von einem Softwaresystem anderen Programmen zur Anbindung an das System zur Verfügung gestellt wird.

3.5 – Grasshopper als Beispiel für Visuelle Programmierung

Grasshopper ist ein Plug-in (entwickelt von David Rutten, 2007 als „Explicit History“ erschienen), das in Rhino enthalten ist. Dabei handelt es sich um ein Werkzeug für die algorithmische Modellierung, das speziell für die Gestaltung und Bearbeitung komplexer Formen durch bestimmte Parameter verwendet wird. Da sich Formen aus Daten erstellen lassen, ist einer der Hauptvorteile von Grasshopper die Möglichkeit, die Geometrie fast unendlich zu verändern, indem man ganz einfach die Parameterwerte ändert. Außerdem können Änderungen vorgenommen werden, ohne den Entwurf abbrechen oder neu starten zu müssen.

Als Visuelle Programmiersprache (englisch visual programming language, VPL, auch grafische Programmiersprache) bezeichnet man eine Programmiersprache, in der ein Programm, Algorithmus oder Systemverhalten durch grafische Elemente und deren Anordnung definiert wird. In der Computertechnik ist eine visuelle Programmiersprache jede Programmiersprache, mit der Benutzende Programme erstellen können, indem sie Programmelemente grafisch manipulieren, anstatt sie textuell anzugeben. Beispielsweise basieren viele VPLs (bekannt als Datenfluss- oder Diagrammprogrammierung) auf der Idee von „Komponenten und Kabeln“, wobei Komponenten als Einheiten behandelt werden, die durch Kabel (eng: wires) verbunden sind, welche Relationen und Datenfluss darstellen. (Quelle)

3.6 – Bildtafeln