DesignSpark Mechanical Lockerung der Zugangsbeschränkungen für 3D Festkörper-Modelling

DesignSpark Mechanical - Lockerung der Zugangsbeschränkungen für 3D Festkörper-Modelling

Mike Brojak von RS Components bespricht das 3D-Design und untersucht einige der grundlegenden Unterschiede zwischen dem "Feature-basierten" und dem "Direct-Modelling". Ebenso wird erörtert inwieweit das neue, völlig kostenlose 3D-Modelling Hilfsprogramm DesignSpark Mechanical intuitive, schnelle Konstruktionsmöglichkeiten bietet um bei 3D-Einsteigern und Technikern Kreativität freizusetzen und neue Möglichkeiten zu eröffnen, von der Konzeptplanung bis zur Herstellung.

 

Computerunterstützte Konstruktionssoftware (CAD) tauchte erstmals in den 1960er Jahren auf und war vor allem dafür gedacht, die Anforderungen der Automobil-, Luftfahrt-, und Rüstungsindustrie zu unterstützen. Bis Ende der 1970er Jahre wurde Studenten der Ingenieurwissenschaften CAD als Wegweiser für herkömmliche Konstruktionsmethoden präsentiert, die immer mehr an Bedeutung verloren. In den 1980ern machte dieser zuvor evolutionäre Prozess, bedingt durch die Umstellung von 16-Bit auf 32-Bit Prozessoren und die Einführung der Farbrasterdisplay-Technologie einen Quantensprung.

 

Ein Großteil der frühen Motivation zur Entwicklung solcher Systeme konzentrierte sich entweder auf die potenziellen Produktivitätsgewinne oder die Fähigkeit neuer Systeme, komplexe Oberflächen und Festkörper zu definieren. Einsätze im Automotivebereich haben sich als zentraler Faktor für den erzielten Fortschritt herausgestellt. So zum Beispiel ist Renault die Initiierung dieses Prozesses zu verdanken, was zur Entwicklung der CATIA-Software führte.

 

Der Markt für hochentwickelte Software zur 3D-Modell Erstellung in Konstruktionen entstand erst richtig in den 1980er Jahren. Zuerst waren es die "Feature-basierten" und verlaufsbasierten 3D-CAD Programme, die den Markt beherrschten. In der Anfangszeit war es nicht einfach für diese Methodik sich durchzusetzen, da ihr Erfolg durch die begrenzte Rechenleistung damaliger Computer beschränkt wurde.

 

Durch die geringe Zahlenverarbeitungsleistung war das Feature-basierte Modelling gegenüber dem Direct-Modelling klar im Vorteil. Im Wesentlichen war diese Methode ein raffinierter Trick, um Festkörper-Modellierung auf Hardware der 1980er Jahre durchführen zu können. Das Feature-basierte Modelling spaltete das Design in eine Liste einzelner parametergesteuerter Schritte oder "Features" auf, die als Anweisungen zum Erstellen der Teileform fungierten und durch die Hardware in einer vagen Art von Echtzeit-Modus davon Modelle zeichneten. 

 

Sicherlich reichte der Prozess für einfache Teile-Konstruktionen und Baugruppen aus, aber die steigende Leistungsfähigkeit der Computer ermöglichte komplexere Modelle, dann wurden zusätzliche Konzepte zum Verbinden der Eigenschaften entwickelt. Hierzu gehörten Kompatibilitätseinschränkungen und Übergänge zu neuen Generationen, die im Wesentlichen das Verhältnis zwischen den einzelnen Funktionen und Schritten beschreiben, welche im Verlaufsbaum des CAD-Programms aufgeführt sind. Allerdings bedeutete dies, dass bei jeder Änderung, die Schritte ganz bis zur Definition einer neuen Funktion zurückverfolgt werden mussten. Das Feature-basierte Modelling erforderte auch die Erstellung von Interfile-Beziehungen und letztendlich auch die Entwicklung von Hilfsprogrammen zur Datenverwaltung, um ein gleichzeitiges Arbeiten aller Konstruktionsteams zu ermöglichen.

 

Zugangsbeschränkungen

Auch wenn die 3D-Software leistungsstark und auch meist teuer war, konnten nur CAD-Experten sie einsetzen. Schätzungsweise rund 20 Millionen Nutzer weltweit, eine große Anzahl von Elektronikern und Maschinenbauingenieuren, könnten von der Verwendung eines 3D-Designs profitieren. Bislang sind über die größten CAD-Softwareanbieter lediglich rund eine Million 3D CAD-Plätze verkauft worden. Viele potentielle Anwender haben bis heute keinen Zugang zu diesem geheimnisvollen und undurchdringlichen Wissen, was sehr wahrscheinlich auf Kostengründe zurückzuführen ist: dies gilt sowohl in Bezug auf den Preis des Hilfsprogramms, als auch auf die Qualifizierungsdauer, die für den erfahrenen, produktiven Einsatz notwendig ist.

 

Die neuesten Programme führender CAD-Anbieter liegen im Bereich von 5.000,-$ bis 30.000,-$ pro Lizenz und sind meistens mit jährlichen, teuren Wartungskosten verbunden. Wie erwähnt, war das zweite Hindernis der hohe Lernaufwand, der bisweilen mit dem herkömmlichen 3D-Modelling verbunden ist. Die Anlernzeit kann 6 bis 18 Monate dauern, bevor Einsteiger mit einem fortschrittlichen 3D-Programm voll produktiv sind. Oftmals werden deswegen CAD-Konstruktionen in eine CAD-Fachfirma verlagert, was zu Engpässen in der Produktentwicklung führen kann, bis zu vielen Wochen selbst für einfache Konstruktionsänderungen.

 

Direct Modelling

Verglichen mit ihren ehrwürdigen Vorgängern aus den 1980er Jahren sind heutige Computer etwa 100.000 mal leistungsfähiger. Genau aus diesem Grund präsentiert sich das Direct-Modelling - mit der ein Anwender 3D-Formen so einfach wie mit Kugelschreiber und Papier zeichnen kann - als eine ernst zu nehmende Alternative, in manchen Fällen als ein ergänzendes 3D-Design Softwareprogramm. Derzeit verwenden viele Unternehmen Skizzier- oder Präsentationsprogramme, um ihren Kollegen, Kunden oder Geschäftsleitung Technik- und Produktkonzepte mitzuteilen und zu beschreiben. Selbstverständlich werden Hilfsprogramme auch zum Konstruieren und Analysieren der Haupteigenschaften eines Produkts, wie z. B. die elektrische Leistung im elektronischen Konstruktionsbereich verwendet, lange bevor die 3D-Geometrie für eine detaillierte Finite-Elemente Analyse verfügbar ist.  

 

Das 3D Direct-Modelling bietet CAD-Laien einen großen Vorteil, da es in der Regel intuitiv und sehr leicht zu erlernen ist. Die Technologie des Direct-Modelling wurde als Modellieren mit virtueller Tonerde beschrieben. Im Wesentlichen dreht sich alles um Geometrie; es gibt weder einen Funktionsverlauf, noch muss irgendeine der verknüpften Komplexitäten, wie Beschränkungen oder Beziehungen verwaltet werden. Es funktioniert auf der Ebene der Grundgeometrie und wandelt dynamisch alle geforderten, geometrischen Änderungen am Produktkonzept in 3D um. In vielerlei Hinsicht ähnelt es sehr dem SketchUp Programm, bei dem der Anwender durch Ziehen und Verschieben sehr schnell neue Entwürfe und geometrische Formen kreieren kann.

 

Das Direct Modelling beseitigt viele der Probleme, die mit herkömmlichen Feature-basierten CAD-Programmen verbunden sind; so können Techniker, die CAD nicht regelmäßig benutzen, Modelle ändern, ohne alle Einschränkungen eines Feature-basierten Modells verstehen zu müssen. Zum Beispiel kann in Direct-Modelling eine Iteration direkt und problemlos an die Konstruktion hinzufügen oder entfernt werden. 

 

Ein weiterer Vorteil von fortschrittlichen Direct-Modelling Programmen ist die höhere Kompatibilität, wohingegen eigene Feature-basierte Systeme inkompatible Datenformate haben. In der Vergangenheit hatten konkurrierende 3D CAD-Anbieter sehr unterschiedliche Vorstellungen von Funktionen und Beziehungen innerhalb ihrer jeweiligen Programme. Dies bedeutete die Erstellung eigener Software-Pakete, die untereinander inkompatibel waren, was zu einer großen Herausforderung für CAD-Anwender, deren Kollegen und auch für die Lieferkette wurde. Dies bedeutete, dass jeder in der Lieferkette dieselben Hilfsprogramme verwenden musste, da bei der Konvertierung von Daten mit einem CAD-Format in ein anderes Format stets Informationen verloren gehen. Durch den Einsatz moderner Direct-Modelling Programme wie beispielsweise SpaceClaim Engineer können Anwender aus Simulations- oder Fertigungsabteilungen die aktuelle CAD-Geometrie über STEP-Dateien - dem für CAD-Systeme gebräuchlichsten, intermediären Datenumwandlungsformat - auf einfache Weise bearbeiten.

 

Allerdings ist es auch wahr, dass einige Anwendungen weiterhin ein Feature-basiertes Modelling benötigen, wenn beispielsweise das Endziel darin besteht, maßgeschneiderte Varianten einer extrem komplexen Baugruppe von Teilen mit kritischen und gut verstandenen Beziehungen und Anforderungen zu erstellen. Große Produktionsunternehmen bewältigen diese Anforderungen im Allgemeinen durch ein engagiertes Team von CAD-Spezialisten, die ein einziges Feature-basiertes Modelling Programm verwenden. Dennoch kann dieser Ansatz für deutlich kleinere Konstruktionen höchst ineffizient sein. Im weitesten Sinne denke man an einen durchschnittlichen Autobesitzer, der spezialisierte Rennwagenmechaniker an seinem Wagen arbeiten lässt, obwohl nur eine normale Wartung erforderlich ist. Direct-Modelling Werkzeuge werden daher zunehmend als eine attraktive Option angesehen, die für eine steigende Anzahl von Anwendungen deutlich einfacheres und schnelleres Modellieren ermöglicht.

 

Während kein Zweifel daran besteht, dass herkömmliche Feature-basierte oder verlaufsbasierte CAD-Programme eine dauerhafte und wichtige Rolle bei der Entwicklung von elektronischen und mechanischen Produkten spielen, zeigt sich Direct-Modelling als bedeutungsvoll für den Einsatz insbesondere in Bezug auf Konzeptentwicklung und Prototypenfertigung. Zudem besteht eine steigende Tendenz in der Branche in der Verschmelzung der Bereiche von elektronischer und mechanischer Konstruktion. Früher hätte ein Elektroingenieur dem Maschinenbauer einen Schaltplan vorgelegt, um ein Gehäuse mit Knöpfen und Skalen zu konstruieren. Heute verlaufen diese Prozesse zunehmend parallel, wodurch die Produktgestaltung einen größeren Schwerpunkt auf die Ästhetik des Produktes legen kann. Obwohl viele Leiterplatten-Designprogramme über integrierte 3D-Ansicht verfügen oder IDF-Ausgabedateien zur Verwendung in mechanischen CAD-Programmen bieten, wird tatsächlich keine dieser Optionen den heutigen Anforderungen völlig gerecht.

 

DesignSpark Mechanical

RS erkannte diese wichtigen Trends und brachte das 3D-Modelling und Montageprogramm "DesignSpark Mechanical" auf den Markt. Entwickelt in Zusammenarbeit mit SpaceClaim, auf der Basis des 3D Direct-Modelling Programms "SpaceClaim Engineer" des Unternehmens, steht DesignSpark Mechanical zum absolut kostenlosen Download bereit. 

 

3D-Basismodelle lassen sich sehr schnell über die Hauptwerkzeuge der Software erstellen: Ziehen, Verschieben, Auffüllen und Kombinieren; im Gegensatz zu herkömmlichen Feature-basierten Programmen, verwendet die Software die bekannten "Kopieren und Einfügen" - Tastenkombinationen, wodurch z. B. eine einfache Wiederverwendung von Geometrien in unterschiedlichen Konstruktionen ermöglicht wird. Insbesondere können über die Werkzeuge "Ziehen" und " Verschieben" Teile eines Modells direkt ausgewählt werden und an die gewünschte Position bewegt werden; das Werkzeug "Kombinieren" schneidet und trennt Bereiche in einzelne Stücke und ermöglicht dem Anwender, Teile aus anderen Entwürfen einzubringen und diese mit der Konstruktion zu verschmelzen; das Werkzeug "Auffüllen" bereinigt kleine Strukturen und füllt Löcher auf.  

 

DesignSpark Mechanical ist hoch skalierbar und ermöglicht die Erstellung von einfachen Formen bis hin zu komplexen Oberflächen und Körpern. Das Werkzeug "Ziehen" und "Verschieben" gewährleistet eine maximale Flexibilität durch Flächen- und Kantenbasierte Bearbeitung und die Erstellung von dünnen Wänden und gespiegelten, konzentrischen, abgerundeten oder abgeschrägten Geometrien. Ebenso bietet es die Möglichkeit, 3D Extrusions-, Dreh-, und Abtastformen zu entwerfen, ohne auf einen 2D-Querschnitt verzichten zu müssen. Dies bedeutet, dass neue Konzepte mühelos vorgezeichnet und 3D Festkörper-Modelle erstellt werden können. Wenn spezifische Parameter in einem Modell hinzugefügt oder abgeändert werden müssen, können Bemaßungen einfach durch Auswählen des Elements bearbeitet werden - das Einrichten komplizierter Beschränkungssysteme wie in Feature-basierten Programmen ist hier nicht erforderlich. Dies heißt, dass mehrere Benutzer ihre eigenen Abmessungen einstellen und speichern können.

 

Das Programm ermöglicht auch eine flexible Montage, bei der Teile in eine Baugruppe umgewandelt werden können und umgekehrt: Baugruppen-Strukturen können nach Erstellung von Teilen oder sogar noch vor dem Zeichnen einer Form erzeugt werden, ohne dass die Gefahr von Bauteil-Beziehungen besteht, welche Änderungen verhindern. Darüber hinaus ist kein unnötiger Modus-Wechsel erforderlich: mit denselben Programmen lassen sich Baugruppen, Teile, Zeichnungsansichten und 3D-Zeichnungen bearbeiten.

 

Förderung von Innovationen auf der Konzept-Stufe

3D Direct-Modelling Programme wie z. B. DesignSpark Mechanical und SpaceClaim Engineer sind kein vergleichbarer Ersatz für herkömmliche Feature-basierte "verlaufsfreie" 3D Modelling-Programme - dieser wichtige Punkt muss unbedingt verdeutlicht und hervorgehoben werden. Sie bieten Vorteile für Konstrukteure auf allen Stufen, in allen Unternehmensgrößen. In größeren Unternehmen mit spezialisierten und gut ausgestatteten CAD-Abteilungen können sie als ergänzende Hilfsprogramme verwendet werden, die ein einfacheres, schnelles Übertragen von Entwürfen ermöglichen. Sie bieten große Vorteile für Industriedesigner und Elektro-Planungsingenieure, aber auch Vertrieb, Marketing und Produktion, die nun in den Anfangsphasen der Produktentwicklung auf einfache Weise Beiträge leisten und zusammenarbeiten können. Da das Hilfsprogramm DesignSpark Mechanical kostenlos ist, gibt es auch in der Beziehung keine Zugangshemmschwelle. Da es auf Direct-Modelling basiert, ist es sehr intuitiv und extrem einfach in der Anwendung. Elektroniker, Maschinenbauingenieure und andere Nutzer können innerhalb weniger Tage oder Stunden mit der Software bestens vertraut werden. 

 

Die Verwendung von DesignSpark Mechanical bereits in der frühen Produktdesign-Phase kann zeitaufwendige Nacharbeit einsparen, die in herkömmlichen Produktentwicklungsprozessen anfallen. Im Technikbereich kann es Zeit sparen, da es die Nutzung des 3D Konzept-Modellings ermöglicht. Die Verwendung herkömmlicher Feature-basierter Hilfsprogramme bedeutet allzu oft eine Verhinderung von Innovation, da Konstruktionen bereits in der frühen Entwurfsphase gesperrt werden. Geboten wird eine einfache Erstellung neuer Konzepte, die mit anderen Konstruktionsabteilungen und auch Kunden geteilt werden können. Hinzu kommt eine schnelle Konzeptwiederholung für einen kollaborativeren Prozess und insbesondere beim Entwerfen neuer Ideen, beispielsweise bei Angebotsanfragen.

 

Mit diesem Hilfsprogramm haben Techniker auf Elektronik- und Automatisierungsmärkten einen größeren Kreativitätsspielraum und können einen effizienteren Produktentwicklungsprozess unterstützen. Dies ermöglicht wiederum die Erstellung professioneller Konzepte für Angebotsanfragen, bis hin zur Lieferung höchst detaillierter Fertigungsentwürfe mit Bemaßung.  Wichtig ist, dass das Hilfsprogramm Engpässe im frühen Entwurfsprozess durch Abänderungen und Ergänzungen beseitigt, so dass man nicht darauf warten muss, bis die CAD-Abteilung mit herkömmlichem 3D-Programm die Konstruktion überarbeitet hat.  Leicht bedienbare Dimensions- und Messwerkzeuge innerhalb der Software liefern klare, präzise Planungsergebnisse, die bei Bedarf weitergeleitet werden können.  

 

DesignSpark Mechanical verfügt über eine eingebaute Material-Stücklisten Funktion (BOM), die eine weitere Verbesserung seines bereits eindrucksvollen Leistungsumfangs bedeutet. Die Software ist imstande, Materialstücklisten in einem von vier Standardformaten, oder über benutzerdefinierte Vorlagen, sofort zu erstellen. Diese Listen können in den Entwurf auf einer vom Benutzer gewählten Ebene integriert werden, um den Inhalt des Entwurfs vollständig darstellen zu können.

Gleichzeitig kann man eine Schaltfläche anklicken, um ohne Stift und Papier die gewünschten Teile direkt von der RS-Internetseite zu bestellen, auf der alle relevanten technischen Daten und Preisangaben aufgeführt sind. Diese Echtzeit-Funktion spart dem Techniker viele Stunden in der Woche, die sich durch Teilebeschaffung und Sicherstellen der Daten anhäufen würden.

 

Eine weitere Funktion dieses Hilfsprogramms ist der Import von Schaltplan-Dateien im IDF-Format von jedem Leiterplatten Design-Programm, einschließlich der prämierten DesignSpark PCB-Software von RS. Wichtig ist, dass DesignSpark Mechanical 3D-Entwürfe im STL-Dateiformat exportiert, um eine schnelle Prototypenfertigung sowie eine computergestützte Produktion zu ermöglichen. Dadurch ist auch ein direkter Export von Entwürfen an 3D-Drucker möglich, die nicht nur für große Unternehmen immer erschwinglicher werden. Neben dem IDF-Import von PCB Design-Programmen akzeptiert DesignSpark Mechanical auch STEP, STL, OBJ, SKP (Sketchup) Dateien; zum gesamten Bereich verfügbarer Ausgänge des Programms zählen auch AutoCAD (DXF), OBJ, STL, 3D PDF, XAML, JPG und PNG Dateiformate.

 

3D-Modelle

Nicht nur das 3D Modelling-Programm ist wichtig - absolut unverzichtbar in diesem Puzzle für Elektroniker und Maschinenbauer ist eine Modell-Bibliothek, für Teile und Komponenten. Vor etwa drei Jahren stellten RS und Allied für Techniker weltweit einen Zugriff auf eine umfangreiche Bibliothek zum kostenlosen Herunterladen von 2D- und 3D-Modellen bereit. Dies war Teil unserer Initiative mit DesignSpark, wodurch eine Gemeinschaft von Entwicklern zum Austausch von Open-Source Ideen und Entwürfen aufgebaut wurde.

 

Die ModelSource-Komponentenbibliothek beinhaltet mehr als 80.000 Bauteilpläne und Leiterplatten-Layouts von Halbleitern, passiven und elektromechanischen Bauteilen führender Hersteller. In Bezug auf 3D bietet ModelSource mehr als 38.000 3D-Modelle von über 50 Herstellern für Schlüsseltechnologien, wie Elektronik, Elektromechanik, Mechanik, Pneumatik, Automatisierung und Steuerung. Die 3D CAD-Modelle sind auch in vielen eigenen Dateiformaten führender CAD-Anbieter erhältlich. Einige der bedeutendsten im 3D-Bereich der Bibliothek vertretenen Hersteller sind Molex, 3M, TE Connectivity, Harting und FCI für den Elektronikmarkt sowie Siemens, Schneider und SMC auf dem Gebiet der Automatisierung und Steuerung.  In Zusammenarbeit mit dem weltweit führenden Unternehmen für 3D-Inhalte, TraceParts, stellte RS einen Zugriff auf Millionen von Modellen über das online TracePartsOnline.net CAD-Portal im DesignSpark Mechanical-Format bereit.

 

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit von 3D Direct-Modelling Design-Hilfsprogrammen wie z.B. DesignSpark Mechanical und SpaceClaim Engineer stellt nun sicher, dass 3D Festkörper-Modellieren heutzutage einer viel größeren Benutzergruppe zur Verfügung steht und nicht nur CAD-Experten. Diese Art von Hilfsprogrammen lassen mehr Kreativität zu und ermöglichen eine schnelle Lieferung von Konzepten und Entwürfen für Angebotsanfragen, bis hin zur Bereitstellung hochpräziser und detaillierter Dateien für die Fertigung. 

Darüber hinaus können Techniker mit Hilfe von DesignSpark Mechanical in Verbindung mit DesignSpark PCB und der ModelSource-Bibliothek für 2D und 3D Bauteilmodelle, durch Profi-Hilfsprogramme zum Nulltarif, End-2-End Entwürfe anstreben.

 

DesignSpark Mechanical steht über die Internetseiten von RS, Allied und DesignSpark kostenlos zum Download bereit. Der Support für das Hilfsprogramm erfolgt über die DesignSpark-Gemeinschaft www.designspark.com, in der sich auch Ressourcen für DesignSpark PCB und die ModelSource-Bibliothek befinden.