{"id":67,"date":"2024-02-23T10:00:59","date_gmt":"2024-02-23T10:00:59","guid":{"rendered":"https:\/\/wp-prd.let.ethz.ch\/computationaldesignwip\/chapter\/chapter-1-2\/"},"modified":"2024-06-28T11:59:38","modified_gmt":"2024-06-28T11:59:38","slug":"chapter-1-2","status":"publish","type":"chapter","link":"https:\/\/wp-prd.let.ethz.ch\/computationaldesignwip\/chapter\/chapter-1-2\/","title":{"raw":"Computer Aided Design","rendered":"Computer Aided Design"},"content":{"raw":"

Technisches Zeichnen<\/h1>\r\nDie Anf\u00e4nge des architektonischen, technischen Zeichnens wurden im bzw. vor dem\u00a0Mittelalter<\/a>\u00a0gelegt, wie z.\u00a0B. der\u00a0St. Galler Klosterplan<\/a>\u00a0oder die Zeichnungen von\u00a0Villard de Honnecourt<\/a>\u00a0beweisen. Weitere Belege f\u00fcr die Entwicklung des technischen Zeichnens finden sich in fr\u00fchen\u00a0Patentschriften<\/a> aus dem 19. Jahrhundert. Die Disziplin des technischen Zeichnens hat sich also \u00fcber Jahrhunderte hinweg evolution\u00e4r zu einer modernen Technik entwickelt. Beim klassischen technischen Zeichnen am\u00a0Zeichenbrett<\/a>\u00a0kommen fr\u00fcher wie heute verschiedene\u00a0Zeichenwerkzeuge<\/a>, wie\u00a0Rei\u00dfzeug<\/a>,\u00a0Zirkelbesteck<\/a>\u00a0und Kurvenlineal<\/a> zum Einsatz. Bis um 1910 (f\u00fcr manche Anwendungen noch bis etwa 1965) wurde fast ausschlie\u00dflich mit\u00a0Bleistift<\/a>\u00a0und\u00a0Tusche<\/a>\u00a0auf\u00a0Transparentpapier<\/a> gezeichnet. Dieses spannte man \u00a0auf ein\u00a0Rei\u00dfbrett<\/a>\u00a0(Zeichenbrett) oder das Schr\u00e4ge Brett einer\u00a0Zeichenmaschine<\/a>. (Quelle<\/a>)\r\n
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Blaupause<\/h2>\r\nDie\u00a0Blaupause (engl. Blueprint)<\/b>\u00a0ist die\u00a0Lichtpause<\/a>\u00a0von einer durchsichtigen Vorlage, einer grafischen Darstellung, meist einer technischen Zeichnung, die wei\u00dfe Linien auf einem bl\u00e4ulichen Papier ergibt. Bei dem Verfahren handelt es sich um das\u00a0Lichtpausverfahren<\/a>, das auf\u00a0John Herschel<\/a> 1842 zur\u00fcckgeht. Eine Blaupause ist die Kopie\/Vervielf\u00e4ltigung (Lichtpause) einer auf Transparentpapier mit schwarzer Tusche angefertigten technischen Zeichnung. Im \u00fcbertragendem Sinne steht Blaupause auch f\u00fcr\u00a0Schablone<\/a>,\u00a0Muster<\/a>,\u00a0Entwurf<\/a>\u00a0oder\u00a0Template<\/a>.[1]<\/a><\/sup>\r\n\r\n<\/div>\r\n

Entwicklung von CAD<\/h1>\r\nDer Begriff \u201eComputer-Aided Design\u201c entstand Ende der 1950er-Jahre im Zuge der Entwicklung des Programmiersystems\u00a0APT<\/a>, welches der rechnerunterst\u00fctzten Programmierung von NC-Maschinen (NC = Numerical Control bzw. Numerischer Steuerung, siehe\u00a0Digitale Ausgabe<\/a>) diente. (Quelle<\/a>)\r\n\r\n[pb_glossary id=\"235\"]CAD[\/pb_glossary]<\/b>\u00a0(von engl.\u00a0computer-aided design<\/i><\/span>, zu Deutsch\u00a0rechnerunterst\u00fctztes Konstruieren<\/b>[1]<\/a><\/sup>[2]<\/a><\/sup>) bezeichnet die Unterst\u00fctzung von\u00a0konstruktiven Aufgaben<\/a> mittels elektronischer Datenverarbeitung (EDV<\/a>) zur Herstellung eines Produkts (z.B. Auto, Flugzeug, Bauwerk, Kleidung). In einem engeren Sinn versteht man unter CAD das rechnerunterst\u00fctzte Erzeugen und \u00c4ndern des geometrischen Modells. In einem weiteren Sinn versteht man darunter s\u00e4mtliche rechnerunterst\u00fctzten T\u00e4tigkeiten in einem Konstruktionsprozess, einschlie\u00dflich der geometrischen Modellierung, des Berechnens, des Simulierens und sonstiger Informationsgewinnung und Informationsbereitstellung, von der Konzeptentwicklung bis zur \u00dcbergabe an die Herstellung bzw. Fertigung (Arbeitsvorbereitung<\/a>). (Quelle<\/a>)\r\n\r\nPatrick J. Hanratty (\"der Vater von CAD\/CAM\") entwickelte 1957 PRONTO<\/strong> (Programme for Numerical Tooling Operations), eine fr\u00fche kommerzielle Sprache zur Programmierung numerischer Maschinen-Kontrolle. Am MIT zeigte\u00a0Ivan Sutherland<\/a>\u00a01963 mit seiner\u00a0Sketchpad<\/a><\/i>-Entwicklung, dass es m\u00f6glich ist, an einem computergesteuerten Radarschirm interaktiv (Lichtstift, Tastatur) einfache Skizzen (englisch\u00a0Sketch<\/i>) zu erstellen und zu ver\u00e4ndern, ein Durchbruch in Bezug auf die grafische Benutzerinteraktion (GUI).\r\n\r\n1965 wurden bei Lockheed (Flugzeugbau, USA) die ersten Anl\u00e4ufe f\u00fcr ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D) gestartet. Dieses System,\u00a0CADAM<\/a>\u00a0(Computer-augmented Design and Manufacturing), basierend auf\u00a0IBM<\/a>-Gro\u00dfrechnern<\/a>\u00a0und speziellen Bildschirmen, und mit hohen Kosten verbunden, wurde sp\u00e4ter von IBM vermarktet und war, zumindest im Flugzeugbau, Marktf\u00fchrer bis in die 1980er-Jahre. Der franz\u00f6sische Flugzeughersteller<\/a>\u00a0Avions Marcel Dassault (heute\u00a0Dassault Aviation<\/a>) entwickelte ein Grafikprogramm zur Erstellung von Zeichnungen, woraus das Programm CATIA entstand. Die\u00a0Mirage<\/a>\u00a0war das erste\u00a0Flugzeug<\/a>, das damit entwickelt wurde. Damals ben\u00f6tigte ein solches Programm noch die Leistung eines Gro\u00dfrechners.\r\n\r\nNachdem in der zweiten H\u00e4lfte der 1980er-Jahre die ersten\u00a0Personal Computer (PC)<\/a> in den Unternehmen eingef\u00fchrt wurden, kamen auch CAD-Programme daf\u00fcr auf den Markt. In dieser Zeit gab es eine Vielzahl von Computerherstellern und Betriebssystemen. AutoCAD<\/a>\u00a0war eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, das auf unterschiedlichen Betriebssystemen arbeitete. Um den Datenaustausch zwischen diesen Systemen zu erm\u00f6glichen, definierte AutoDesk f\u00fcr sein CAD-System AutoCAD das\u00a0DXF<\/a>-Dateiformat als \u201eneutrale\u201c Export- und Importschnittstelle. 1982 erschien AutoCAD f\u00fcr das Betriebssystem\u00a0DOS<\/a>. Das Vorgehen bei der Konstruktion blieb jedoch beinahe gleich wie zuvor mit dem Zeichenbrett.\r\n\r\nFaktoren f\u00fcr den fr\u00fchen Erfolg<\/a> 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<\/a>, es zweitens relativ einfach illegal zu kopieren war<\/a>, und dass dadurch drittens auf dem Arbeitsmarkt viel mehr Personen mit AutoCAD-Erfahrung als Experten in jeder anderen Software verf\u00fcgbar waren.\r\n\r\nDer Vorteil von 2D-CAD waren sehr saubere Zeichnungen, die einfach wieder ge\u00e4ndert werden konnten. Auch war es schneller m\u00f6glich, verschiedene Versionen eines Bauteils zu zeichnen.\r\n\r\nIn 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 l\u00f6sen zu k\u00f6nnen. Dieser Ansatz ist aber gescheitert. Heute wird f\u00fcr jede spezielle Planungsaufgabe ein spezielles System mit sehr leistungsf\u00e4higen Spezialfunktionen benutzt. Der Schritt zur dritten Dimension wurde durch die immer h\u00f6here Leistungsf\u00e4higkeit der\u00a0Hardware<\/a> dann gegen Ende der 1980er-Jahre auch f\u00fcr kleinere Unternehmen erschwinglich. So konnten nun virtuelle K\u00f6rper von allen Seiten begutachtet werden. Ebenso wurde es m\u00f6glich, Belastungen zu simulieren und Fertigungsprogramme f\u00fcr computergesteuerte Werkzeugmaschinen (CNC<\/a>) abzuleiten. (Quelle<\/a>)\r\n\r\nIdeen f\u00fcr semantische Objekte (Teile die Information \u00fcber Art des Bauteils, e.g. Boden, Wand, Fenster, St\u00fctze haben) und \u00fcber eine Datenbankverkn\u00fcpfung automatisch Mengen und Kosten ausgeben k\u00f6nnten, hatten Software-Entwickler schon in den fr\u00fchen 80er-Jahren<\/a>. Die Welt der Architekten schien damals aber nicht bereit daf\u00fcr zu sein.\r\n\r\nSeit Anfang der 2000er-Jahre gibt es erste Ans\u00e4tze, die bis dahin immer noch zwingend notwendige Zeichnung verschwinden zu lassen. In die immer \u00f6fter vorhandenen 3D-Modelle werden von der Bema\u00dfung \u00fcber Farbe und Werkstoff alle notwendigen Angaben f\u00fcr die Fertigung eingebracht. Wird das 3D-Modell um diese zus\u00e4tzlichen, geometriefremden Eigenschaften erweitert, wird es zum\u00a0Produktmodell<\/a>, unterst\u00fctzt beispielsweise durch das\u00a0STEP-Datenformat<\/a>. Die einzelnen einheitlichen Volumenobjekte werden zu Instanzen unterschiedlicher Klassen. Dadurch k\u00f6nnen Konstruktionsregeln und Verweise zwischen einzelnen Objekten (zum Beispiel: Fenster wird in Wand verankert) realisiert werden. (Quelle<\/a>)\r\n
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Meilensteine<\/h2>\r\n1957 PRONTO <\/strong>(Programme for Numerical Tooling Operations) war das erste kommerzielle, numerisch-gesteuerte Programmiersystem. Es legte den Grundstein f\u00fcr das gesamte CAD. Sch\u00e4tzungen sagen, dass 70% der heute verf\u00fcgbaren CAD\/CAM Systeme auf dem urspr\u00fcnglichen Code von Hanratty basieren.\r\n\r\n1959 CAD<\/strong> - der Begriff wurde von Douglas T. Ross 1959 gepr\u00e4gt; als MIT Forscher entwickelte er CAD zur Erstellung von Stromkreis-Diagrammen.\r\n\r\n1963\u00a0Sketchpad <\/strong>war eines der ersten Designsysteme, das, mit Lichtstift und CRT Bildschirm, eine grafische Benutzeroberfl\u00e4che<\/strong> verwendete. Es war dadurch revolution\u00e4r im Bereich der Benutzer-Interaktion.\r\n\r\n1967 DIGIGRAPHICS<\/strong> war eines der ersten kommerziellen CAD-Systeme<\/strong> mit grafischen Schnittstellen, das zu einem Preis von $500.000 auf den Markt kam.\r\n\r\n1971 ADAM<\/strong> (Automated Drafting and Machining) ein von Patrick Hanratty so entwickeltes interaktives Grafikdesign-, Entwurfs- und Fertigungssystem<\/strong>, dass es zur damaligen Zeit auf fast allen Grossrechnern funktionierte.\r\n\r\n1975 <\/strong>NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines):<\/strong> w\u00e4hrend seiner Arbeit bei Computervision, f\u00fchrte Dr. Ken Versprille NURBS in CAD ein. NURBS halfen Oberfl\u00e4chen zu definieren und sind auch heute noch weit in der Ingenieurswelt verbreitet.\r\n\r\n1977 Glide <\/strong>von Charles Eastman hatte viele der gleichen Funktionen wie das moderne BIM<\/strong>\r\n\r\n1979 INTERACT:<\/strong> Mike Riddle, damals angestellt bei Computervision, entwickelt und ver\u00f6ffentlicht in seiner Freizeit Interact<\/em>, das erste CAD-System das auf mainstream microcomputer Hardware lief. Mike Riddle ist einer der Mitbegr\u00fcnder von Autodesk und Interact war die Vorg\u00e4ngerversion was sp\u00e4ter zu AutoCAD wurde. Die meisten der originalen Interact-Befehle funktionieren immer noch in AutoCAD!\r\n\r\n1982 AUTODESK AUTOCAD<\/strong>\u00a0war die erste 2D CAD Software f\u00fcr PCs<\/strong>, um pr\u00e4zise 2D- und 3D-Zeichnungne zu erstellen. Von diesem Zeitpunkt an wurde CAD mehr erschwinglich.\r\n\r\n1994\u00a0 STEP<\/strong> (Standard for the Exchange of Product model data) wurde von der Internationale Organisation f\u00fcr Standardisierung als das neue 3D-CAD-Dateisystem<\/strong> entwickelt und ist bis heute das am meisten genutzte Format.\r\n\r\n2002 Catia Digital Project:<\/strong> Digital Project, Catia, Gehry Guggenheim Bilbao 1997\r\n\r\n1997 Alibre<\/strong> arbeitete eng mit Microsoft zusammen, um 1998 die erste web-basierte kollaborative 3D-Designsoftware<\/strong> zu entwickeln.\r\n\r\n<\/div>\r\n

Anatonomie einer CAD Software<\/h1>\r\n[caption id=\"attachment_48\" align=\"aligncenter\" width=\"1024\"]\"\" Komponenten einer CAD Software[\/caption]\r\n

Direkte Modellierung<\/h2>\r\nBei der direkten Modellierung (explicit modeling<\/i>) werden die geometrischen Elemente direkt \u00fcber bestimmte Funktionen (Skalieren, Verschieben, Dehnen etc.) ver\u00e4ndert. Die geometrischen Elemente enthalten nur feste Werte (und keine Variablen), welche erst durch das Anwenden von Funktionen ge\u00e4ndert werden k\u00f6nnen. Hierbei w\u00e4hlt man das geometrische Element und die entsprechende Funktion, welche die gew\u00fcnschte \u00c4nderung hervorrufen soll, aus und ver\u00e4ndert das Objekt entweder interaktiv mit der Maus oder \u00fcber Koordinateneingabe mittels Tastatur. Ver\u00e4ndert werden dabei nur die gew\u00e4hlten geometrischen Elemente. Es bestehen (im Unterschied zum parametrischen Modellieren) keinerlei dauerhaften Abh\u00e4ngigkeiten zwischen den geometrischen Elementen, wodurch ein sehr intuitives und freies \u00c4ndern der Geometrie m\u00f6glich ist. (Quelle<\/a>)\r\n

Parametrische Modellierung<\/h2>\r\nUnter parametrischer Modellierung versteht man das Steuern des Modells mittels\u00a0[pb_glossary id=\"224\"]Parametern[\/pb_glossary]<\/a>. Das hei\u00dft, dass \u2013 anders als bei der direkten Modellierung \u2013 das Modell nicht direkt \u00fcber seine Geometrie, sondern \u00fcber seine Parameter angesprochen wird, welche das Modell jederzeit \u00e4ndern k\u00f6nnen. Die Arten der Parameter unterscheiden sich je nach Anwendung grob in Geometrieparameter (zum Beispiel geometrische Ma\u00dfe, Positionen), physikalische Parameter (Beispielsweise Werkstoffe, Lasten), Topologieparameter und Prozessparameter.[62]<\/a><\/sup>[63]<\/a><\/sup>\u00a0Dadurch dass diese Parameter systemintern gespeichert werden, lassen sich Beziehungen und Abh\u00e4ngigkeiten zwischen ihnen herstellen. Dies wird \u00fcber Restriktion bzw. Zwangsbedingungen\u00a0(Constraints)<\/i> umgesetzt. (Quelle<\/a>)\r\n

Chronologie-basierte Modellierung<\/h2>\r\nHier kommen Datenstrukturen zur Anwendung, die den Erzeugungsverlauf des Modells aufzeichnen. F\u00fcr Benutzende wird dies in einem Chronologiebaum (History tree)<\/i> dargestellt, der w\u00e4hrend 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 ver\u00e4ndert werden k\u00f6nnen. (Quelle<\/a>)\r\n

Rhino als Beispiel<\/h1>\r\nRhino kann NURBS-Kurven, -Fl\u00e4chen und -Volumenk\u00f6rper, SubD-Geometrie, Punktwolken und Polygonnetze erzeugen, bearbeiten, analysieren, dokumentieren, rendern, animieren und \u00fcbersetzen.\r\n\r\nCAD Software erlaubt es Modelle zu:\r\n