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CAD-CAM-TechnologieCatia V6: Modellieren mit funktionalen Prioritäten

Der klassische Gegensatz zwischen historienbasierter, parametrischer Modelliertechnik und historienfreiem Modellieren ist CAD-Geschichte. Mittlerweile erlauben die meisten Systeme einen flexibleren Umgang mit der Parametrik bis hin zur Kombination beider Ansätze. Der CAD-CAM-Report stellt ihnen im Rahmen der Serie über neue Modelliertechniken hier den funktionalen Modellieransatz von Dassault Systèmes vor, der in Catia V6 um Funktionen für das freie Modellieren ergänzt wurde.
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CAD-CAM-Technologie: Catia V6: Modellieren mit funktionalen Prioritäten

Im Unterschied zu anderen Anbietern verfolgt Dassault Systèmes bei der Kombination von historienbasierter und freier Modelliertechnik einen prozessorientierten Integrationsansatz, der die gemeinschaftliche Nutzung der Produktdaten in einer Multi-PDM-Umgebung in den Vordergrund stellt. Grundidee von V6 ist es, die PLM-Informationen näher an die Geometrie heranzubringen, unabhängig davon, in welchen Formaten die Geometrie erzeugt wurde und in welchen Anwendungen die dazugehörigen Metadaten abgelegt sind. Die verschiedenen Modellierwerkzeuge, die Dassault unter diesem PLM-Dach für die Erzeugung und Modifikation der Geometriedaten bereitstellt, sind dagegen relativ eigenständige Anwendungen, die der Kunde entsprechend seinen Anforderungen einsetzen kann.

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Catia unterstützt in der aktuellen Version drei unterschiedliche Modellieransätze, nämlich

die traditionelle, historienbasierte Arbeitsweise,

den funktionalen oder Prioritäten-orientierten Modellieransatz und

das historienfreie Modellieren.

Während es das funktionale Modellieren schon seit V5 Release 14 gibt, wenn auch nicht mit dem aktuellen Funktionsumfang einschließlich Flächenmodellierung, gehört das Life-Shape-Modul zu den Neuerungen in V6. Das neue Modul bietet intuitiv zu bedienende Funktionen, um Modelle historienfrei zu erzeugen beziehungsweise bestehende CAD-Daten aus Catia und anderen CAD-Systemen ohne Rücksicht auf ihre Konstruktionshistorie zu modifizieren. Ursprünglich als Werkzeug für die 3D-Kommunikation von Änderungsvorschlägen konzipiert, kann es auch für die schnelle Konzepterstellung genutzt werden, allerdings mit gewissen Einschränkungen, was die Datennutzung im Prozess anbelangt.

Das Modul für das funktionale Modellieren gehört zu den Alleinstellungsmerkmalen der Dassault-Lösung und ist gewissermaßen die Antwort der französischen Softwareschmiede auf die Forderung der Kunden nach mehr Flexibilität bei Modelländerungen. Der funktionale Ansatz überwindet die klassische, historienbasierte Arbeitsweise durch die Möglichkeit, Features unterschiedlicher Priorität zu definieren, die unabhängig von der Reihenfolge der Modellieroperationen ihre Eigenschaften beibehalten und den Modellaufbau steuern. Wenn man beispielsweise ganz am Anfang der Konstruktion eine Getriebewelle als ‚protected feature‘ definiert, wird sie immer freigestellt, obwohl im weiteren Verlauf der Konstruktion definierte Geometrie-Elemente wie die Gehäuseschale sie eigentlich durchdringen. Außerdem lassen sich mehrere Elemente zu wissensbasierten Meta-Features zusammenfassen, die sich kontextsensitiv an die Umgebungsgeometrie anpassen.

Da funktional modellierte Bauteile und Baugruppen von ihrer internen Logik anders aufgebaut sind als historienbasierte Konstruktionen, lässt sich der funktionale Ansatz nur bedingt für die Änderung von bestehenden Catia-Modellen nutzen. Man kann sie zwar in das Modul laden, aber um die Vorteile des funktionalen Modellierens bei Änderungen auszuschöpfen, muss man sie eigentlich neu aufbauen. Funktional aufgebaute Modelle lassen sich hingegen auch mit den normalen parametrischen Funktionen weiter bearbeiten, was aber nicht unbedingt notwendig ist. Lizenztechnisch können nämlich auch Anwender, die das funktionale Modul nicht frei geschaltet haben, funktional erstellte Modelle von Auftraggebern oder Zulieferern verändern. Die Software berechnet die funktionalen Algorithmen neu, als hätte der Anwender die Lizenz. Das Modul für das funktionale Modellieren basiert wie alle anderen Modellierwerkzeuge in Catia auf einem einheitlichen, hybriden Modellierkern, der Volumenkörper und Flächen verarbeitet. Auch das Life-Shape-Modul greift auf Basis-Funktionen dieses Kerns zu, die ohne Konstruktionshistorie funktionieren. Integrale Bestandteile des Kerns sind der Constraint Solver und eine Knowledge-Ware-Komponente, die in verschiedenen Dassault-Anwendungen eingesetzt wird, um Bauteile mit zusätzlicher ‚Intelligenz’ anzureichern. Diese Knowledge Ware spielt eine zentrale Rolle bei der logischen Verknüpfung von mehreren Konstruktionselementen zu den besagten Meta-Features und steuert offensichtlich auch die Reorganisation der Modellieroperationen entsprechend der definierten Prioritäten. Im Konstruktionsbaum stehen die funktionalen Features nämlich in der chronologischen Reihenfolge, in der sie angelegt wurden, so dass der Anwender wie gewohnt durch die Struktur navigieren und einzelne Features nachträglich modifizieren kann.

Leistungsfähige Knowledge Ware

Um die funktionalen Modellieroperationen zu nutzen, wechselt der Anwender innerhalb der Mechanical-Design-Lösung in ein eigenständiges Modul, das sich im klassischen Catia-Look&Feel präsentiert. Die Bedienerführung wirkt im Vergleich zu anderen CAD-Systemen und auch zum Life-Shape-Modul konventionell, weil der Anwender viele Parameter in Fenstern und Tabellen eingeben muss und auch kein sofortiges Feedback seiner Modellieroperationen hat. Es gibt halt keinen kontextsensitiven Cursor mit der Möglichkeit, die Werte direkt am Modell einzugeben, und keine automatische Vorschau-Funktion.

Die funktionalen Features sehen zwar etwas anders aus, werden aber prinzipiell genauso erstellt wie im historienbasierten Modus. Allerdings sind sie wesentlich leistungsfähiger und robuster als ihre parametrischen ‚Vettern’. An oberster Stelle in der Rangordnung stehen die geschützten Features, gefolgt von den Features, welche die Ein- oder Anbausituation (innen oder außen) eines Geometrieelements beschreiben. Definiert man beispielsweise die Kontur einer Lageraufnahme als externe Geometrie, wird sie außen am Gehäuse angebaut beziehungsweise mit der Schalengeometrie verschnitten, ohne sie zu durchdringen. Weiterhin kann der Anwender vorab festlegen, wie seine Gehäuseschale um die anderen Bauteile herumfließen und wo die Trennfläche liegen soll. Und er kann Auszugsschrägen oder Verrundungen als globale Features definieren, was für die Gusstechnologie eine enorme Erleichterung darstellt.

Automatisierung durch Meta-Features

Das funktionale Modellieren setzt ein etwas anderes Denken voraus als die historienbasierte Arbeitsweise. Der Anwender braucht sich zwar keine Gedanken über die Reihenfolge seiner Modellieroperationen zu machen, aber er muss verstehen, wie die funktionalen Meta-Features aufeinander wirken. Am Beispiel einer Badezimmerarmatur lässt sich die Vorgehensweise gut verdeutlichen. Anstatt erst das Armaturengehäuse zu modellieren und dann die Aussparungen für Kartusche, Strahlregler, Strömungskanäle und Nuten für die Dichtlippen abzuziehen, definiert man zunächst das Innenleben und die Anschlussbedingungen zur umgebenden Geometrie. Drückt man dieses Meta-Feature dann in das Armaturengehäuse, generiert es automatisch die entsprechende Abzugsgeometrie, wobei die Wirkungsweise kontextsensitiv ist. Wenn man das Meta-Feature aus dem Grundkörper herauszieht, entsteht statt des Hohlraums eine Ausstülpung.

Die Definition von solchen Meta-Features erlaubt ein hohes Maß an Automatisierung und reduziert zugleich die Zahl der erforderlichen Feature-Operationen, weil häufig in ähnlicher Form auftretende Komponenten nur einmal angelegt zu werden brauchen. Dadurch eignet sich der funktionale Modellieransatz insbesondere für die wissensbasierte Erstellung von Bibliotheken mit intelligenten Standardteilen oder besser Baugruppen, die sich automatisch der jeweiligen Einbausituation anpassen. Je nachdem, wo der Verschraubungspunkt für eine Schraubverbindung positioniert wird, erzeugt das System entweder ein Flanschauge außen am Gehäuse oder aber eine Freistellung in der Gehäuseschale mit entsprechendem Schraubdom auf der Innenseite der Schale.

Die Knowledge Ware erlaubt die Definition von sehr komplexen Meta-Features. Man kann beispielsweise dem Gucklochdeckel für ein Getriebegehäuse nicht nur alle Verschraubungen, sondern auch die geometrischen Anschlussbedingungen für unterschiedliche Einbausituationen mitgeben. Positioniert man ihn außerhalb der Gehäuseschale, wird automatisch ein Hals mit den entsprechenden Ausschneidungen und Verrundungen erzeugt. Drückt man ihn in das Gehäuse hinein, entsteht ein Kragen, wobei sich auch das Bohrmuster für die Verschraubungen anpasst. Es ist sogar möglich, den Deckel zu kippen, so dass auf der einen Seite eine Ausstülpung und auf der anderen eine Aussparung erzeugt wird. Die Knowledge Ware trägt dafür Sorge, dass immer nur die Feature-Bedingungen zur Anwendung kommen, die für die jeweilige Einbausituation relevant sind. Dadurch reagieren die funktionalen Features extrem robust auf Änderungen der Bauteil-Topologie.

Der funktionale Modellieransatz wurde ursprünglich mit Blick auf die Anforderungen von Unternehmen entwickelt, die Produkte aus Kunststoff oder Metallguss mit vielen Einbauteilen herstellen, beispielsweise Hersteller von Getrieben, Armaturen, Elektrowerkzeugen oder Konsumgütern. Dank der Erweiterung in V6 kann man inzwischen auch komplexe Karosseriebleche funktional bearbeiten, beispielsweise eine Griffmulde in einen Flächenverbund hineindrücken, der automatisch getrimmt wird.

Freies Modellieren mit Life-Shape

Das funktionale Modellieren sorgt gerade bei Änderungen für eine erhebliche Beschleunigung im Prozess, weil der Anwender die relevanten Features einfacher findet und ohne Gefahr für die Modellkonsistenz flexibel modifizieren kann. Gleichzeitig lässt sich die funktional erzeugte Geometrie in den Folgeprozessen genauso durchgängig weiterverarbeiten wie historienbasierte Modelle. Laut Hersteller sind dadurch Zeiteinsparungen von mindestens 50 Prozent erzielbar.

Das funktionale Modellieren ist keine Lösung für schnelle Modelländerungen in der Konzeptphase oder die Verarbeitung von importierten Daten. Um diese Lücke zu schließen, hat Dassault Catia V6 um das Life-Shape-Modul ergänzt. Im Prinzip handelt es sich um eine Weiterentwicklung der intuitiv zu bedienenden Online-Anwendung 3DVia Shape, mit deren Hilfe Benutzer des Internet-Portals 3DVia.com einfache 3D-Inhalte erzeugen oder bestehende 3D-Modelle modifizieren und zum Austausch bereitstellen können. Dassault hat den Funktionsumfang der Software dahingehend erweitert, dass man damit komplexere 3D-Modelle skizzieren kann, was ihren Einsatz in der Konzeptphase ermöglicht. In der aktuellen Version bietet sie leistungsfähige Funktionen für die Konstruktion von Volumenkörpern und Blechteilen, die der Anwender unter Berücksichtigung der einmal vorgegebenen Biegeradien durch einfache Zieh-, Schiebe- oder Schnittoperationen in die gewünschte Form bringt. Künftig soll es auch möglich sein, Flächen in Life-Shape über Zupfoperationen zu trimmen.

Die mit Life-Shape erzeugten Modelle lassen sich zwar über die Eingabe von Maßen, Winkeln oder anderen Parametern steuern, nicht aber über die klassische Parametrik, was gezielte Konstruktionsänderungen erschwert. Um die Konzeptmodelle für die Folgeprozesse effizient nutzen zu können, empfiehlt es sich, ihnen mit Hilfe der Feature-Recognition-Mechanismen in Catia die nötige ‚Intelligenz’ einzuhauchen, so dass sie mit den klassischen, parametrischen Modelloperationen weiterverarbeitet werden können. Die Planung von Dassault sieht vor, die funktionale Technologie dahingehend zu erweitern, dass historienfrei modellierte Geometrie-Elemente auch in funktionale Features umgewandelt und automatisch mit bestimmten Prioritäten versehen werden können. Dieser Weg steht dem Anwender zur Zeit noch nicht offen.

Reduzierung der Feature-Operationen

Life-Shape kann grundsätzlich genutzt werden, um Step-Daten oder bestehende Catia-Modelle ohne Rücksicht auf die Konstruktionshistorie zu ändern, beispielsweise um schnell mal eine Bohrung zu verschieben oder eine Auszugsschräge einzubringen. Allerdings unterliegen diese Änderungen den oben erwähnten Einschränkungen. Beim Import der Daten in das Modul geht nicht nur die Konstruktionshistorie verloren, sondern auch die assoziative Beziehung zum Ausgangsmodell, so dass die in Life-Shape durchgeführten Operationen bei Änderungen des originären Catia-Modells manuell nachgezogen werden müssen. Die Funktionalität der Software hinkt hinter der vergleichbarer Anwendungen für das historienfreie Modellieren noch zurück, was damit zusammenhängen mag, dass sie ursprünglich als Werkzeug für die 3D-basierte Kommunikation von Änderungsvorschlägen konzipiert wurde und nicht als Konstruktionswerkzeug.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Dassault Systèmes mit dem funktionalen Modellieransatz einen wesentlichen Beitrag dazu leistet, die Anwender vom Ballast der Konstruktionshistorie zu befreien und ihnen mehr Flexibilität bei Modelländerungen zu ermöglichen. Der Anwender muss zwar die Wirkweise der funktionalen Features verstehen, braucht sich aber über die Reihenfolge der Modellieroperationen keine Gedanken mehr zu machen. Das funktionale Modellieren reduziert die Zahl der erforderlichen Feature-Operationen und trägt maßgeblich zu einer Beschleunigung des Änderungsprozesses bei. Wissensbasierte Meta-Features erlauben dagegen ein noch höheres Maß an Automatisierung als klassische, parametrische Features, dadurch dass sie sich in unterschiedlichen Einbausituationen verwenden lassen, ohne die Integrität der Bauteile zu gefährden. Hinsichtlich der Möglichkeit, historienbasierte beziehungsweise funktionale mit freien Modellieroperationen zu kombinieren, bietet Catia derzeit noch nicht den Integrationsgrad und Funktionsumfang manch anderer CAD-Lösung.

Michael Wendenburg ist Fachjournalist in Sevilla.

Dassault Systèmes Deutschland GmbH, Stuttgart Tel. 0711/49074-0, http://www.3ds.com

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