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CAD-TechnologieHicad: Immer so viel Parametrik wie nötig

In der CAD-Technologie findet ein Paradigmenwechsel statt: Viele Hersteller von historienbasierten, parametrischen CAD-Systemen haben die Vorzüge des freien Modellierens (wieder) entdeckt und Lösungen vorgestellt, die beide Modellieransätze kombinieren. Für das Dortmunder Softwarehaus ISD ist das eigentlich ein alter Hut: Das dynamische CAD-System Hicad erlaubt schon seit geraumer Zeit einen selektiven Umgang mit parametrischen Constraints.

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CAD-Technologie: Hicad: Immer so viel Parametrik wie nötig

Die Entwicklungsgeschichte von Hicad ist anders verlaufen als die der meisten anderen CAD-Systeme: Während letztere als parametrische Modellierer entstanden sind und sich allmählich von den Zwängen der starren Parametrik freimachen, wuchs Hicad in der Freiheit des direkten - ISD spricht von dynamischen - Modellierens auf. Mitte der 1990er Jahre begann ISD damit, Parametrik in die CAD-Software zu implementieren. Diese war jedoch von Anfang an als Ergänzung zur dynamischen Modelliertechnik gedacht, die für die meisten Anwender - egal welcher Branche - unverzichtbar ist. Diese flexible Modellierung ist für viele Kunden der ISD, etwa im Sondermaschinen-, Stahl- oder Anlagenbau, von großem Vorteil. Denn sie möchten zum Beispiel einzelne Komponenten oder Aggregate parametrisieren, um kundenspezifische Varianten schneller zu erzeugen - aber selten eine komplette Maschine oder Anlage. Den Konstrukteure profitieren dann davon, dass es die Software erlaubt, nur Teile einer Konstruktion mit Constraints zu belegen. Dies kann auch noch nachträglich erfolgen, was dem ein hohes Maß an Flexibilität bietet.

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Den Umfang der Parametrik hat die ISD in den letzten Jahren weiterentwickelt. So ist es heute möglich, auf Basis vollparametrischer Hicad-Modelle mit der ebenfalls von ISD entwickelten Software Helicon komplette Produktkonfiguratoren aufzubauen. Alle Modellieroperationen werden automatisch in einem Feature-Baum mitgeschrieben - der aber nicht gelöscht werden muss, um eine parametrische Konstruktion mit dynamischen Modellierfunktionen weiter bearbeiten zu können. Seit einigen Jahren protokolliert Hicad zudem auch die dynamischen Operationen in diesem Feature-Baum, so dass sie nicht verloren gehen, falls der Anwender nachträglich einen Parameter verstellt.

Hicad unterscheidet sich von anderen CAD-Systemen dadurch, dass die Software keinen part-, sondern einen assembly-basierten Modellierer benutzt, das heißt, der Konstrukteur arbeitet praktisch immer im Kontext der Baugruppe. Alle Teile der Baugruppe werden in einer einzigen Datei gespeichert, einschließlich der Katalog- oder Wiederverwendungsteile, selbst wenn sie über externe Referenzen geladen beziehungsweise verwaltet werden. Das bedingt zwar ein gewisses Maß an (kontrollierter) Redundanz, hat aber den großen Vorteil, dass der Anwender bei der Zusammenarbeit mit Auftraggebern oder Zulieferern immer nur eine Datei austauschen muss und kein Datenpaket mit referenzierten Bauteil-Dateien, die vielleicht in anderen Verzeichnissen oder in der PDM-Datenbank abgelegt sind.

Ein Nurbs-basierter Modellierkern

Der Modellierkern von Hicad, eine Eigenentwicklung der ISD, wurde in den letzten Jahren komplett überarbeitet, um den Leistungsumfang moderner Multiprozessor-Rechner mit 64-Bit-Architektur voll ausschöpfen zu können. Zu diesem Zweck ist ISD von einer Kombination aus CSG- (Constructive Solid Geometry) und B-REP-Technologie auf eine reine Nurbs-Modellierung umgestiegen, was die Konstruktion enorm beschleunigt und die Erzeugung und Änderung noch komplexerer Geometrien ermöglicht. Nach Angaben der Dortmunder ist Hicad 2011 dadurch bei der Neuberechnung der Modelle beziehungsweise der Berechnung von verdeckten Kanten oder Facetten um Faktoren schneller als die Vorgängerversion, natürlich abhängig von der eingesetzten Hardware. Das bietet Potenzial für weitere Zeiteinsparungen. Ferner ließ sich dadurch die Genauigkeit der Datenmodelle steigern, bei gleichzeitig geringerer Datenmenge.

Für die Verwaltung der parametrischen Beziehungen in Skizzen und 3D-Modellen nutzt ISD schon seit 1996 den Constraint Solver D-Cubed, der inzwischen von Siemens PLM Software weiter entwickelt und vermarktet wird. Ungeachtet der Trennung von Geometriekern und Constraint Solver basieren sowohl die (teil)parametrisch, als auch die dynamisch erzeugten Konstruktionen auf einem einheitlichen Datenmodell, das im Basispaket und in sämtlichen Zusatzmodulen Verwendung findet. Das bedeutet, dass der Anwender eine mit Hicad erzeugte Stahlbaukonstruktion problemlos öffnen und editieren kann, auch wenn er das entsprechende Stahlbaupaket selbst nicht einsetzt und ihm die Stahlbau-spezifischen Funktionen nicht zur Verfügung stehen. Diese Datendurchgängigkeit, die nicht nur den Stahlbau, sondern auch den Anlagenbau, den Maschinenbau, die Blechbearbeitung und den Metall-/Fassadenbau einschließt, ist für alle Anwender wichtig, die Elemente unterschiedlicher Gewerke kombinieren müssen. Gleichzeitig erklärt dies, warum die mit Spezialfunktionen ausgestatteten ISD-Branchenlösungen eine branchenübergreifende und doch durchgängige Konstruktion erlauben.

Mit dem Trend zu immer einfacheren Bedienkonzepten hat sich an der Benutzeroberfläche von Hicad in den letzten Versionen viel getan. Die Software selbst bot schon immer relativ einfach zu bedienende Eingabehilfen für die dynamische Steuerung der Geometrie. Zwar gibt es keine gestengesteuerten Mausfunktionen wie man sie aus anderen Direktmodellierprogrammen kennt, wohl aber kontextsensitive Funktionsmenüs, die sich beim Klick auf die rechte Maustaste öffnen. Welche Funktionen jeweils aktiv sind, hängt von der ausgewählten Geometrie ab beziehungsweise dem Modus, in dem der Anwender sich befindet (etwa der Elementmodus für die Arbeit mit Flächen, Kanten etc.). Um Anfängern den Systemeinstieg zu erleichtern, lässt sich der verfügbare Funktionsumfang entsprechend dem Kenntnisstand der Anwender einstellen. Weitere dynamische Bedienelemente werden zudem zurzeit entwickelt.

Hicad verwaltet die Feature-Operationen - ganz gleich ob parametrischer oder dynamischer Natur -, und die eigentlichen Constraints fein säuberlich voneinander getrennt. Der Anwender sieht in seinem Information Communication Manager, der dem Windows Explorer ähnelt, mehrere dynamische Listenfelder, deren Anordnung er nach Belieben ändern kann. Der Inhalt dieser Listenfelder entspricht jeweils der aktiven Geometrie, das heißt er sieht auf einen Blick die Attribut-Informationen eines Einzelteils oder einer Baugruppe (etwa das Gewicht), ihre Entstehungsgeschichte und die dabei definierten Constraints. Arbeitet er nur mit den dynamischen Funktionen, bleibt die Liste im Hicad Constraint Manager leer beziehungsweise sie enthält nur die per voreingestellten Bedingungen wie zum Beispiel Rechtwinkligkeit oder Tangentialität. Ob ein Teil vollständig parametrisiert ist, lässt sich an der grünen Markierung der Kanten beziehungsweise Konturen erkennen.

Dynamisches Modellieren in der Baugruppe

Wie bereits erwähnt, arbeitet der Konstrukteur mit Hicad immer in der Baugruppe, was das dynamische Ändern von mehreren Teilen und auch von großen Baugruppen erleichtert. Sie können zum Beispiel mit einem oder mehreren Rahmen gefangen und einfach in die Länge gezogen oder verschoben werden, je nachdem wie der Anwender den Fangmechanismus einstellt oder welche Teile er ein- und ausblendet. Ausgeblendete Teile werden bei der Operation nicht berücksichtigt, können aber nach dem Einblenden aktualisiert werden, wenn sie mit der restlichen Konstruktion in parametrischer Beziehung stehen.

Entscheidend für die Flexibilität des Systems ist, dass der Anwender von Anfang an Constraints definieren kann - aber nicht muss. Dies geht auch nachträglich, wenn sich klar absehen lässt, welche Teile der Konstruktion möglicherweise in verschiedenen Varianten benötigt werden. Das ist natürlich mit einem gewissen Aufwand verbunden, denn man muss nun die einzelnen Maße im Konstruktionsbaum aufrufen und in Parameter umwandeln beziehungsweise eine Gleichung hinterlegen. Die Neukonstruktion wird aber dadurch beschleunigt, dass sich der Anwender bei der Modellerstellung nicht überlegen muss, wie er welche Elemente oder Teile aufeinander bezieht.

Dass sich mit den dynamischen Modellierfunktionen die parametrisch aufgebauten Modelle nachträglich flexibel ändern lassen, ohne sich in ihre Entwicklungsgeschichte hineindenken zu müssen, ist insbesondere für Kunden mit langlebigen Produkten wichtig. Denn bei ihnen werden die Modelle nicht notwendigerweise von denselben Konstrukteuren weiterentwickelt, die sie erstellt haben. Interessant ist an dieser Stelle, was passiert, wenn eine dynamische Modellieroperation im Widerspruch zu einer parametrischen Abhängigkeit steht. Wird ein Constraint verletzt, liefert Hicad dem Anwender eine entsprechende Fehlermeldung und bietet ihm die Möglichkeit, den Constraint zu löschen. Das lässt sich leicht anhand des Fehlersymbols in der Liste des Hicad Constraint Managers erkennen. Klickt der Anwender dort auf den markierten Constraint, wird zudem das entsprechende Element oder Bauteil im Modell farbig markiert.

Die dynamischen Modellieroperationen erlauben es, komplexe parametrische Modelle für nachgelagerte Prozessschritte wie die Finite-Elemente-Berechnung zu vereinfachen, ohne dass die assoziative Beziehung zum Ausgangsmodell verloren geht. Ändert der Konstrukteur das Ausgangsmodell, werden die dynamischen Operationen auf die neue Geometrie angewandt - denn sie stehen ja chronologisch am Ende des Konstruktionsbaums. Falls bei der Änderung die Bezugskante oder -fläche für eine dynamische Operation entfernt wurde, erhält der Anwender eine entsprechende Fehlermeldung. Die Assoziativität zum Ausgangsmodell bleibt im Übrigen auch bestehen, wenn die dynamischen Operationen auf importierte Geometrie angewendet werden und diese nachträglich durch eine neue Modellversion ersetzt wird - immer vorausgesetzt, die topologischen Änderungen halten sich in Grenzen.

Durchgängigkeit von 2D und 3D

Eines der Alleinstellungsmerkmale der ISD-Software ist neben der Möglichkeit, wahlweise mit oder ohne parametrischen Beziehungen und Constraints zu arbeiten, der fliegende Wechsel zwischen 2D- und 3D-Arbeitsweise. Der Anwender kann jederzeit in die jeweilige Ansicht wechseln, um seine Bauteile einfacher zu positionieren oder bestimmte Bauteile schnell mit Hilfe einer Skizze zu erzeugen. Das muss nicht die Seitenansicht oder Draufsicht sein, er kann auch einen Schnitt durch das 3D-Modell legen und die Schnittebene als Bearbeitungsebene definieren, um ausgehend von dieser Ebene eine Bohrung zu platzieren oder ein neues Bauteil zu skizzieren. Das Förderband für ein Maschinengestell mit mehreren Walzen lässt sich beispielsweise über eine Kontur in der Schnittansicht vollständig parametrisch beschreiben, um dann in der 3D-Umgebung Breite und Dicke des Bandes zu definieren. Wenn der Anwender später das Gestell etwas in die Länge zieht, wodurch sich der Rollenabstand verändert, kann er Länge und Verlauf des Förderbands auf Knopfdruck aktualisieren.

Die nahtlose Verzahnung von 2D und 3D ist auch für Unternehmen mit einem großen Altbestand an 2D-Zeichnungen wichtig, die diese mit möglichst wenig Aufwand in der 3D-Umgebung wieder verwenden sollen. Hicad bietet die Möglichkeit, 2D-Ansichten im Raum zu positionieren und mit neuen 3D-Konstruktionen zu kombinieren. Beispielsweise konstruiert ein ISD-Kunde neue Drehköpfe für seine Maschinen vollständig in 3D, verwendet aber für die Anschlüsse und Antriebe noch die alten 2D-Konstruktionen. Diese wurden, über die Bemaßung assoziativ mit der entsprechenden Ansicht des 3D-Modells verknüpft, so dass es wie eine zusammenhängende Zeichnung aussieht. Erst wenn man das Modell dreht, sieht man, was 2D- und was 3D-Konstruktion ist.

Flexibler Umgang mit importierten Daten

Hicad unterstützt den Import und Export von Fremddaten in zahlreichen nativen und neutralen 2D- und 3D-Datenformaten. Auch das neue, aus dem Bauwesen stammende 3D-Format IFC kann sowohl gelesen als auch geschrieben werden. Über die IFC-Schnittstelle lässt sich ein importiertes Teil praktisch in ein natives Hicad-Modell umwandeln, da die Schnittstelle für die im Bauwesen gängigen Teiletypen (Profile, Bleche etc.) auch Feature-ähnliche Informationen übergibt. Die Software bietet zudem Funktionen, die Qualität der importierten Geometrie zu prüfen und beispielsweise Löcher oder Lücken in einem STEP-Modell automatisch zu schließen. Die importierte Modellgeometrie lässt sich dann mit den dynamischen Funktionen flexibel weiter verarbeiten, wobei diese Operationen ganz normal mitprotokolliert werden. Nur dass in diesem Fall die Körpererzeugung durch Import am Anfang der Historie steht.

Fazit: Mit Hicad steht dem Anwender ein leistungsfähiges CAD-System zur Verfügung, das sich durch eine Reihe von Besonderheiten auszeichnet: Im Unterschied zu den meisten anderen CAD-Herstellern, die ihre parametrischen Systeme durch dynamische Modellierfunktionen flexibilisiert haben, ist ISD den umgekehrten Weg gegangen und hat die dynamische Modelliertechnik schon vor geraumer Zeit mit parametrischer Funktionalität angereichert. Das erlaubt den Anwendern eine sehr pragmatische und selektive Nutzung der Parametrik dort, wo sie wirklich von Vorteil ist. Darüber hinaus unterstützt der baugruppenorientierte Modellieransatz in Verbindung mit den dynamischen Modellierfunktionen ein schnelles und flexibles Ändern auch großer Zusammenbauten. Weitere Alleinstellungsmerkmale der Software sind die umfangreichen, integrierten Branchenlösungen und die beispielhafte Integration von 2D und 3D, die gerade für Unternehmen interessant ist, die eigene Altzeichnungen oder Pläne von Unterlieferanten effizient weiter verwenden und vielleicht nur selektiv um 3D-Geometrie ergänzen möchten.

Michael Wendenburg, Fachjournalist, Sevilla

ISD Software und Systeme GmbH, Dortmund, Tel. 0231/9793-0, http://www.isdgroup.de

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