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04.10.1996 - 

Drei Lösungen im Vergleich

Die neue 3D-Generation für Mechanik-CAD

Ein 3D-Volumenmodell ist die vollständige Beschreibung eines Produkts: Es lassen sich Volumen- und Gewichtsberechnungen durchführen man kann die Konstruktion mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM) auf ihre Festigkeit hin analysieren Prototypen werden mit Stereolithografie- oder anderen Rapid- Prototyping-Verfahren erstellt es ist möglich, ein Modell oder Werkzeug direkt aus den Modelldaten zu fräsen schließlich läßt sich die 2D-Fertigungszeichnung direkt aus dem Modell ableiten. Die Arbeit mit einem dreidimensionalen, realen Modell am Bildschirm war lange Zeit aus Kostengründen für die meisten Ingenieure ein unerfüllbarer Traum. Die neuen, PC-basierten CAD- Techniken bieten nun immer mehr Firmen einen Anreiz zur 3D- Einführung.

Bei den hier betrachteten Systemen handelt es sich um die jüngsten CAD-Produkte etablierter Hersteller, die alle unter Windows NT laufen, dem Betriebssystem, das derzeit das größte Wachstum aufweist und sich mehr und mehr zum Quasistandard für anspruchsvolle technische Anwendungen entwickelt.

Intergraph ist eines der größten CAD-Unternehmen, das auch als Hersteller von High-end-PCs einen guten Namen hat. Der Schwerpunkt von Intergraphs Aktivitäten liegt in Anwendungen etwa für den Anlagenbau und in geografischen Informationssystemen (GIS). Doch auch andere klangvolle Namen von Mechanik-CAD-Systemen wie Technovision, Proren und I/EMS gehören zur Produktpalette des Hauses. Jetzt will der Hersteller mit Solid Edge neu an den Start gehen - und der Anfang sieht vielversprechend aus.

Unbestrittener Marktführer im PC-basierten CAD-Segment ist Autodesk, sowohl vom Umsatz her als auch von den Stückzahlen. Hinzu kommt eine Vielzahl von Partnern im Vertrieb und bei der Entwicklung von Autocad-Zusatzapplikationen. Bisher arbeiteten die meisten Maschinenbau-Anwender von Autocad 2D-orientiert. Das soll sich jetzt ändern, denn mit dem Integrationsprodukt Mechanical Desktop zielt das Unternehmen entschlossen auf den 3D-Markt.

Als Pionier der parametrischen 3D-Modellierung kann die Parametric Technology Corp. (PTC) gelten, die 1985 in Waltham, Massachusetts, gegründet wurde. Als Zielmarkt nennt der Hersteller in erster Linie die Automobil- und Zulieferindustrie sowie die Luft- und Raumfahrt. PTC arbeitet mit aufwendigem Direktvertrieb. Zu den Kunden gehören Großfirmen wie BMW, Toyota und Volkswagen. Weltweit existieren mehr als 50000 PTC-Arbeitsplätze. Das System Pro/Engineer ist zwar nicht gerade billig, es gehört jedoch zu den leistungsfähigsten 3D-CAD-Angeboten. Eine abgespeckte Version wird unter dem Namen "Pro/JR." angeboten.

Pro/Engineer

Zu den "Veteranen" der drei Systeme gehört Pro/Engineer, dessen erste Version schon vor knapp zehn Jahren erschienen war. Damals gab es noch kein Windows, und irgendwie merkt man das dem Programm heute noch an. Mancher mag die Benutzeroberfläche effizient finden, aber sie orientiert sich in keiner Weise am Windows- Standard.

Was die parametrische 3D-Volumenmodellierung betrifft, so ist Pro/Engineer ohne Zweifel eines der besten Programme. Das kann man auch erwarten, schließlich liegt mittlerweile das 16. Release vor. Die Konstruktion geht von 2D-Skizzen aus, die dann durch geometrische Operationen wie Extrusion oder Rotation zu einem 3D- Modell verarbeitet werden. Bei der Erstellung der Skizzen analysiert das System die Geometrie und stellt Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Geometrieelementen fest. Hier ist eine sehr sorgfältige Arbeitsweise gefragt, denn das Programm erkennt auch Beziehungen zwischen Elementen, die der Anwender vielleicht gar nicht beabsichtigt hatte: Werden beispielsweise zwei Linien annähernd parallel gezeichnet, interpretiert Pro/Engineer sie als parallel.

An Modellierungsfunktionen läßt das System kaum Wünsche offen. Möglich sind komplexe Verrundungen, das "Aushöhlen" von Volumenmodellen und Übergänge zwischen verschiedenen Profilquerschnitten. Die Software speichert die Reihenfolge der Befehle, so daß bei einer Änderung des geometrischen Maßes die Konstruktion neu aufgebaut wird - ein typischer Vorteil der Parametrik. Das Produkt arbeitet sehr schnell in der geometrischen Berechnung. Einige Anwender bemängeln jedoch, daß die Geschwindigkeit auf Kosten der Genauigkeit ginge.

Die Zeichnungserstellung funktioniert bei Pro/Engineer elegant. Ist das 3D-Modell erst einmal fertiggestellt, müssen auf der leeren Zeichnungsfläche lediglich die Plazierung, die Orientierung und die Maßstäbe der Ansichten festlegt werden. Alle Parameter, die zur Modelldefinition verwendet wurden, lassen sich in die Zeichnung automatisch als Maße einfügen. Man hat damit zwar noch keine fertige, normgerechte Vorlage, doch die nachträglich erforderliche Kosmetik läßt sich schnell von Hand hinzufügen.

Eine deutliche Zeitersparnis ergibt sich bei Konstruktionsänderungen im Modell: Die Zeichnung wird automatisch nachgeführt, alle Ansichten werden aktualisiert, die verdeckten Kanten neu berechnet und die Maße korrigiert. Im umgekehrten Fall wird bei einer veränderten Zeichnung das Modell mitgezogen (bidirektionale Assoziativität).

PTC bietet zu Pro/Engineer eine Vielzahl von Anwendungen an, von Pro/Cabling für Verkabelungspläne in einer 3D-Umgebung bis zu Pro/Welding für die Analyse schweißtechnischer Aspekte. Interessant ist die abgespeckte Variante Pro/JR. - ihr fehlen eine Reihe von Modellierungsfunktionen und vor allem Anwendungen wie FEM oder NC. Ein Nachteil besteht darin, daß sich Modelle von Pro/JR. zwar nach Pro/Engineer, aber nicht umgekehrt übergeben lassen. Hier hat der Hersteller aus Marketing-Gründen eine Sperre eingebaut. Vielleicht ist diese Einschränkung die Ursache dafür, daß Pro/JR. bislang nicht in allzu großen Stückzahlen verkauft wurde.

Pro/Engineer ist die richtige Lösung für Firmen, die komplexe 3D- Anwendungen haben und sich nicht scheuen, in diesen Teilbereich kräftig zu investieren. Neben der rein finanziellen Belastung muß auch mit einer längeren Einarbeitungsphase gerechnet werden.

Solid Edge

Das parametrische 3D-Volumenmodellier- und Zeichnungssystem Solid Edge von Intergraph soll sich zum Flaggschiff des Unternehmens entwickeln. Das Programm basiert auf dem Kern "Acis" von Spatial Technology - der präziseste Volumenmodellierer, der momentan auf dem CAD-Markt verfügbar ist. Acis wird auch von zahlreichen anderen CAD-Systemen verwendet, was den Vorteil hat, daß über das Acis-eigene SAT-Format Daten einschließlich der Volumenmodelle leicht mit anderen Systemen ausgetauscht werden können. Auch bei der Parametrik setzt Intergraph auf einen verbreiteten Standard: den "Dimensional Constraint Manager" (DCM) von D-Cubed. Die Software sorgt für das Erkennen und Verarbeiten geometrischer Abhängigkeiten, beispielsweise der Parallelität von Linien oder der Konzentrizität von Kreisen.

Ein herausragendes Merkmal von Solid Edge ist seine innovative Bedienung. Es ist vollständig an den Standard von Microsoft Office angepaßt und damit auch von CAD-Neulingen recht einfach zu erlernen. Die Software zeigt dem Konstrukteur nur die Befehle an, die er in einem bestimmten Bearbeitungsstadium benötigt.

Ausgangspunkt für die geometrische Modellierung sind auch in Solid Edge 2D-Profile, die sich durch Operationen wie Extrusion oder Rotation in 3D-Modelle überführen lassen. Der 2D-Sketcher erkennt automatisch geometrische Beziehungen wie Mittelpunkte von Kreisbögen, Schnittpunkte von Linien und alle Arten von Endpunkten. Das System informiert den Anwender darüber, ob eine Geometrie vollständig bestimmt ist oder nicht. Zudem können mathematische Beziehungen zwischen geometrischen Variablen definiert werden. Damit läßt sich weitere Intelligenz in die Konstruktionen einbauen, etwa wenn die Höhe eines Bauteils immer einen bestimmten Bruchteil der Breite ausmachen soll. Praktisch ist dabei, daß man solche Variablen mit Excel-Tabellen verknüpfen kann.

Dennoch: Ein gewisses Defizit scheint bei manchen Modellierfunktionen zu bestehen. Besonders das Verrunden bereitet in einigen Fällen Probleme. So läßt sich eine Kofferecke mit drei unterschiedlichen Radien nicht erzeugen. Ein weiterer Punkt auf der Wunschliste ist das "Sweepen" von Profilen entlang von Raumkurven. Ebenso fehlt die Möglichkeit, Freiformflächen zu modellieren und in ein Volumenmodell zu integrieren - dies ist laut Hersteller für spätere Versionen geplant.

Die Zusammenbaukonstruktion von Solid Edge hat die Besonderheit, daß hier nicht nur programmeigene, sondern auch Autocad-Modelle mit eingebaut werden können. Allerdings wird hier in einigen Fällen die Geometrie nicht vollständig übernommen.

Die automatische Erstellung von Explosionszeichnungen fehlt noch für die Generierung von Stücklisten steht dagegen ein kostenloses Zusatzprogramm zur Verfügung.

Die Zeichnungserstellung von Solid Edge gehört mit zu den besten der hier beschriebenen Systeme. Ansichten, auch Schnitte (selbst versetzte Schnitte) und Details können leicht vom 3D-Modell abgeleitet werden. Alle Änderungen am Modell zeigen sich automatisch auch in der dazugehörigen Zeichnung. Weitere Bemaßungen lassen sich leicht nachtragen - das Einfügen von DIN- Normteilen stellt mit Zusatzapplikationen wie "Normcad" ebenfalls keine Schwierigkeit dar.

Sehr hilfreich sind die Möglichkeiten der grafischen Darstellung. Die dynamischen Anzeigen wie Drehen, Verschieben oder Zoomen des Modells sind gut zu verwenden. Verdeckte Kanten können ausgeblendet, gestrichelt oder in Hellgrau dargestellt werden. Die schattierte Darstellung ist allerdings noch nicht ganz optimiert: Es gibt zuwenig Farbabstufungen. Der insgesamt hohe Bedienungskomfort des Systems muß allerdings relativ teuer erkauft werden.

Zur Übergabe der Modelle an andere andere Applikationen, sei es für die NC-Programmierung oder die FEM-Berechnung, ist ein optionales Modul vorgesehen, das Schnittstellen wie Iges und VDA- FS enthält. Es lassen sich auch Daten für die Stereolithografie generieren, wobei allerdings gewisse Unregelmäßigkeiten im Bereich von Verrundungen auftreten.

Solid Edge eignet sich für alle Anwender, die relativ einfache Bauteile konstruieren und nicht allzu umfangreiche Zusammenbaukonstruktionen entwerfen müssen. Ebenso für Pioniere, die den Mut aufbringen, eine neue Technik auszuprobieren.

Mechanical Desktop

Den Vorstoß in den 3D-Markt forcierte ebenfalls in diesem Jahr Autodesk mit Mechanical Desktop. Vorgängerversionen des Produkts gab es gewissermaßen mit "Autocad Designer" und "Autosurf", die jeweils erweitert und zusammen mit "Autocad 13" zu einem durchgängigen System integriert wurden.

Mechanical Desktop basiert ebenso wie Solid Edge auf Acis und DCM. Die prinzipielle Vorgehensweise bei der Modellierung ist ähnlich wie bei Solid Edge und Pro/Engineer. Die Geometrie wird ebenfalls aus 2D-Profilen aufgebaut, es lassen sich geometrische Abhängigkeiten definieren und geometrische Variablen miteinander in Beziehung setzen. Positiv ist, daß das System auch mit noch unvollständig bestimmter Geometrie arbeitet. Der Konstrukteur ist demnach nicht gezwungen, seine 2D-Skizze komplett zu bemaßen - er kann dies aber jederzeit nachholen. Damit bietet sich zudem die Möglichkeit, eine Autocad-2D-Zeichnung als Grundlage für die 3D- Konstruktion zu verwenden.

Bei Mechanical Desktop handelt es sich nicht nur um einen reinen Volumenmodellierer. Das System verfügt auch über leistungsfähige Funktionen für die Flächenmodellierung auf der Basis von Nurbs- Mathematik. Autodesk ist es gelungen, hier eine Synthese zwischen beiden Verfahren zu schaffen: In Mechanical Desktop läßt sich ein Volumenmodell mit einer Freiformfläche verschneiden - das Ergebnis ist ein Volumenmodell mit Freiformflächenanteilen, das immer noch parametrisch verändert werden kann. Dieses hybride Verfahren erlaubt es, ein sehr breites Spektrum von Modellieraufgaben zu lösen.

Die Ableitung von Werkstattzeichnungen funktioniert bei Mechanical Desktop im Prinzip genau wie bei den beiden anderen Systemen. Auch hier ist der Löwenanteil der Arbeit getan, wenn das Modell erstellt wurde die 2D-Zeichnung ist lediglich ein "Abfallprodukt". Mechanical Desktop verfügt ebenfalls über eine bidirektionale Assoziativität zwischen Modell und Zeichnung.

Das Modul für die Zusammenbaukonstruktionen ermöglicht es, Einzelteile relativ zueinander zu positionieren, indem man geometrische Beziehungen angibt. Über gemeinsame Parameterdateien lassen sich die Maße zusammengehöriger Einzelteile (Bohrung und Welle) miteinander verknüpfen und verändern. Dadurch reduziert sich das Datenvolumen, denn in den Zusammenbauzeichnungen werden die Einzelteile lediglich referenziert.

Zu den weiteren Features des Programms gehören automatisch erstellte Explosionszeichnungen und assoziative Stücklisten. Hier sind allerdings noch die Applikationsentwickler unter den Autodesk-Partnern gefragt, denn die Stücklisten sind bisher eher nach amerikanischem Geschmack geraten.

An Mechanical Desktop fällt positiv auf, daß das System nicht zu einer ausschließlichen 3D-Arbeitsweise zwingt. Autocad mit seinen über 120000 Installationen im deutschsprachigen Raum ist erwiesenermaßen stark im 2D-Bereich, und diese Eigenschaften wurden im Mechanical Desktop beibehalten.

Daher eignet sich das Programm sehr gut für eine gemischte Arbeitsweise, wobei die üblicherweise reichlich vorhandenen 2D- Zeichnungsdaten relativ problemlos zu 3D-Modellen erweitert werden können.

Die Bedienoberfläche von Mechanical Desktop ist kompatibel mit dem Windows-Standard. Das übersichtlich aufgebaute System erleichtert die Arbeit durch zahlreiche grafische Menüs. Die Kopplung von Autocad-Zeichnungen etwa mit Word-Dokumenten oder Excel-Tabellen ist in beiden Richtungen via OLE möglich.

Partner bringen die Applikationen

Das System ist offen, sowohl in bezug auf die Anpassungsmöglichkeiten der Benutzeroberfläche als auch hinsichtlich der Erweiterbarkeit um individuelle Funktionen. Obwohl die von Autodesk definierten Formate DWG und DXF heute von nahezu allen technisch orientierten Softwareprodukten direkt gelesen werden können, unterstützt Mechanical Desktop mit entsprechenden Schnittstellen auch Standards wie Iges.

Bei den weiterführenden Anwendungen wie FEM-Analyse und NC- Programmierung verfolgt Autodesk die Strategie, keine eigenen Entwicklungen vorzunehmen, sondern mit einigen etablierten Partnern zusammenzuarbeiten.

Im FEM-Umfeld kooperiert man mit McNeal-Schwendler und Ansys, im Kunststoffsektor ist Moldflow der Partner, im Maschinenbau das deutsche Unternehmen Genius, im NC-Bereich die Firma Open Mind und bei Blechkonstruktionen SPI. Die Kooperationen, die unter dem Namen "Mechanical Application Initiative" (MAI) firmieren, stellen damit eine assoziative Kopplung zwischen Mechanical Desktop und den Applikationen her.

Auf Schulung nicht verzichten

Autodesk Mechanical Desktop ist gut geeignet für alle Anwendungen im Maschinenbau, ebenso für Hersteller von Konsumgütern, Formenbauer und Zulieferbetriebe. Das Plus gegenüber der Konkurrenz ist die große Zahl branchenspezifischer Applikationen für Autocad, die alle auch auf Mechanical Desktop laufen.

Autodesk vertreibt seine Produkte über Händler, die sich einer speziellen Qualifizierung unterziehen müssen. Man sollte bei einer Entscheidung für die Autodesk-Lösung nicht allein auf den Preis schauen. Denn trotz der Einfachheit in der Bedienung kann bei der Einführung von 3D-Konstruktionstechniken nicht auf eine spezielle Schulung verzichtet werden. Es bleibt abzuwarten, wie gut der Hersteller das Problem der Händlerqualifizierung lösen kann. Im Zweifelsfall sollte man lieber bereit sein, etwas mehr zu bezahlen, aber dafür auf den Support eines erfahrenen Händlers zurückgreifen zu können.

Angeklickt

Mit ihren jüngsten Windows-basierten CAD-Produkten wollen drei etablierte Hersteller von den Vorteilen der 3D-Konstruktion überzeugen:

- Das auf zehnjähriger Erfahrung beruhende Release 16 von Pro/ Engineer (PTC) eignet sich hinsichtlich Modellierung und Parametrik für komplexe 3D-Anwendungen, orientiert sich allerdings in keiner Weise am Windows-Standard.

- Mit seinen anfänglichen Defiziten bei den Modellierungsfunktionen läßt sich Solid Edge (Intergraph) eher für die Konstruktion relativ einfacher Bauteile und nicht allzu komplexer Zusammenbaukonstruktionen verwenden.

- Der Mechanical Desktop (Autodesk) bietet ein hybrides Verfahren zur Volumen- und Flächenmodellierung. Das System soll von der 3D- Arbeitsweise überzeugen, zwingt aber nicht dazu. Ein Plus sind auch die zahlreichen Branchenapplikationen von Partnern des Herstellers.

Parametrik

Die Parametrik hat sich als ein sehr produktives Hilfsmittel für die mechanische Konstruktion bewährt. Vor allem Konstruktionsänderungen lassen sich damit sehr einfach durchführen: Man klickt das zu ändernde Maß an, überschreibt den bisherigen Wert mit der neuen Zahl und das System erstellt das entsprechend geänderte Modell.

Die mathematische Basis der Parametrik sind üblicherweise die Speicherung der Konstruktionshistorie und die Vergabe geometrischer Abhängigkeiten. Aufgrund dieser Intelligenz werden die geometrischen Elemente wie Linien und Kreise nicht allein gespeichert, sondern in Form von Features, also Form- und Funktionselementen abgelegt. Eine Bohrung ist für das System eine intelligente Sammlung von Geometrie- Elementen, die jeweils "wissen", daß sie zur Bohrung gehören und wie sie sich zu verhalten haben, wenn die Bohrung geändert wird.

Eine Konsequenz dieser intelligenten Konstruktionen ist, daß die parametrische Arbeitsweise bei komplexen Aufgaben manchmal einem Schachspiel ähnelt, bei dem mehrere Züge im voraus gedacht werden müssen. Soll beispielsweise erst einmal eine Idee ausprobiert werden, können die geometrischen Abhängigkeiten die Kreativität des Anwenders gehörig einschränken.

Kompliziert wird es auch bei prinzipiellen Änderungen der Konstruktion, wenn zum Beispiel anstelle einer Bohrung ein Langloch eingefügt oder eine Rippe durch eine Strebe ersetzt werden soll. In manchen Fällen ist es dann einfacher, ganz von vorn zu beginnen. Diese Schwierigkeiten gelten gleichermaßen für alle rein parametrischen Modellierer es gibt jedoch auch CAD- Systeme, mit denen zusätzlich zur Parametrik auch nichtparametrisch konstruiert werden kann.

*Dr. Peter Krauspe ist Ingenieur der Luft- und Raumfahrttechnik und betreibt ein Ingenieurbüro in Röhrmoos bei München.