Die Möglichkeiten von CAD

Das Kürzel CAD bedeutet „Computer Aided Design“, übersetzt also „computerunterstütztes Design“. Der Freiheit dieses Begriffs entspricht auch die Anzahl der Möglichkeiten, die durch CAD gegeben sind: Es sind sehr viele und sie werden ständig erweitert. Wir liefern einen Einblick in moderne CAD Programme und deren Fähigkeiten, zeigen zukünftige Technologien im Bereich CAD auf und werfen zum besseren Verständnis der technischen Entwicklung auch einen Blick in die Vergangenheit, als CAD noch ein brandneuer Trend war.

Moderne Konstruktion ohne CAD undenkbar

Noch vor wenigen Jahrzehnten waren Architekturbüros geprägt von großen Tischen, Zeichnungswerkzeug sowie vielen und großen Tafeln zur Kooperation und Präsentation. Heute sieht das anders aus: Computer dominieren das Bild, zusammen mit den unterstützenden Büromöbeln. Der Computer ist zum Werkzeug des Architekten geworden: Gebäude, Inneneinrichtung, Landschaften, Installationen – all dies wird virtuell im Computer geplant, entworfen und präsentiert. So richtig sind ist die reale Welt dabei allerdings noch nicht verschwunden: Häufig werden nach wie vor echte dreidimensionale Modelle für Ausschreibungen oder zur Präsentation beim Kunden angefertigt. Allerdings hält auch hier immer mehr die Digitalisierung Einzug: Statt aus Pappe, Holz und Gips kommen immer mehr Teile dafür über CAM (Computer Aided Manufacturing) aus dem 3D-Drucker. Neben CAM gibt es auch noch CAE (Computer Aided Engineering), dem sich allerdings viel eher Bauingenieure, Maschinenbauer oder Elektrotechniker bedienen als Architekten.

CAD Weiterbildung in fast jeder Branche sinnvoll

Wer CAD Programme beherrscht eröffnet sich eine Bandbreite ganz neuer Möglichkeiten, basierend darauf, dass die Erstellung von dreidimensionalen virtuellen Objekten nun kein Geheimnis mehr ist. Die Firma braucht neue Schilder für die Tür? Schon mit geringen CAD Kenntnissen ist das problemlos machbar. Wer tiefer gräbt, der designt und druckt plötzlich seine eigenen Ersatzteile, entwirft eigene Geräte oder designt sein eigenes Haus. Abseits der technischen CAD Programme, die mehr auf Maß und Skizze arbeiten, steht auf der gestalterischen Seite auch noch die Möglichkeit einer besonders freien geometrischen Bearbeitung von dreidimensionalen Objekten – ähnlich wie bei Gips oder Lehm, aber eben virtuell. Praktisch jede Branche, die in irgendeiner Weise etwas mit dreidimensionalen Objekten zu tun hat, profitiert von Mitarbeitern mit Kenntnissen in CAD oder baut auf diesen ihr Geschäftsmodell auf. Architekten und Maschinenbauer sind hier nur das naheliegendste Beispiel. Daneben gibt es auch noch Elektrotechniker, Spieleentwickler, Sicherheitsingenieure, Geologen, Archäologen, Künstler, Raumfahrer, Produktionsleiter, Lehrer und viele mehr.

CAD lernen: Wie einfach ist das?

Wer einen CAD Kurs belegt, der lernt CAD in der Regel an Hand eines bestimmten Programms. Meist ist das eines, mit dem der Einstieg besonders leicht fällt oder welches in der Zielbranche bedeutend ist. Bei Architekten ist Rhino ein prominentes Beispiel, bei den Maschinenbauern Creo, bei Spieleentwicklern Blender, bei Künstlern Medium und bei Privatpersonen FreeCAD. Wer einen Kurs belegt oder sich CAD an Hand eines Tutorials selbst beibringen möchte, der sollte ein Programm wählen, welches die zukünftige Tätigkeit damit unterstützt. Hier einige Beispiele:

• Künstler nehmen für ihre WerkeB. deshalb Medium, weil die Freiheit damit groß und die Hürde der Bedienung klein ist.
• 3D-Druck Magazine empfehlen deshalb FreeCAD, weil FreeCAD frei verfügbar ist und dem Open-Source-Ethos von vielen Makern entspricht.
• Architekten nutzen z.B. deshalb Revit, weil sie ihre Objekte inkl. Inneneinrichtung damit in VR präsentieren können.
• Maschinenbau-Studenten lernen Creo, weil sehr viele Firmen damit arbeiten.

Mit dem computergestützten Design verhält es sich teils so wie beim Programmieren: Der Einstieg ist einfach und das erste Modell bzw. Programm ist schnell geschrieben – aber der Lernprozess wird niemals zu Ende sein. Das liegt nicht nur an der Vielzahl unterschiedlicher Programme, sondern auch an den sich ständig weiterentwickelnden Methoden und neuen Technologien, die Einzug in CAD Programme halten und über das Programm hinaus Einfluss haben. Ein aktuelles Beispiel ist das Generative Design:

Generatives Design

Die Arbeitsweise mit einem CAD Programm hat sich in den letzten Dekaden kaum geändert. Natürlich, die Programme werden ständig um neue Funktionen erweitert, um das Design und die Konstruktion von Glasfronten oder ähnlichem zu erleichtern. Im Maschinenbau z.B. gibt es Bibliotheken für Bohrungen mit Gewinde oder Funktionen, welche die Erstellung komplexer Geometrien z.B. über die freie Modellierung bzw. die direkte Manipulation von Oberflächen ermöglichen. Aber im Grundsatz folgt trotzdem alles demselben Prozess: Der Anwender erstellt die Geometrie auf Basis der äußeren Anforderungen – oder legt selbige im Nachhinein fest bzw. überprüft sie über eine Simulation (CAE) auf Gültigkeit.

Der transformierende Einfluss von Generativem Design

Doch das wird nicht immer so sein: Im Maschinenbau erfährt dieser eingeschliffene Prozess durch den großen Fortschritt in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Additive Fertigung gerade eine Transformation. Die Arbeit der Erstellung der eigentlichen Geometrie wird vom Computer übernommen – dank generativem Design. Dies hat einschneidende Auswirkungen auf die Arbeit mit einem CAD Programm:

Vorgehensweise und Anwendungen für die Architektur

Der Anwender legt nunmehr ausschließlich die Randbedingungen fest, unter welchen das Programm die Geometrie erstellt. Anders als die schon länger bestehende Möglichkeit der Topologie-Optimierung geht das Generative Design hier ein großes Stück weiter: Es bedarf ausschließlich der Randbedingungen wie z.B. Lagerlast oder Druckkraft in diversen Anwendungsfällen. Diese sind über Geometrien zuzuweisen – also z.B. über das Lager, eine Lagerschale oder eine Fläche. Darüber hinaus müssen die Bereiche festgelegt werden, die frei bleiben sollen. Unter Angabe von Materialparametern und Optimierungszielen (Gewicht oder Steifigkeit) generiert der Computer daraus mehrere valide Geometrien, welche die gewählten Lastfälle erfüllen. Das Ergebnis sind organische Strukturen und damit neuartige futuristische Geometrien, die auch in der Architektur alsbald deutlich öfter zu sehen sein könnten: Ein passendes Beispiel ist eine Treppe oder eine Brücke, aber eben auch ganze Gebäude. Es wird jedoch noch einige Jahre bis Jahrzehnte dauern, bis sich Generatives Design auch in der Architektur durchsetzt – denn bisher fehlen dafür die Fortschritte in der additiven Fertigung, sodass z.B. auch große Gebäude und Strukturen wirtschaftlich 3D-gedruckt werden können.

Die Anfänge von CAD

Heute generatives Design, gestern der erste Computer mit CAD-Software. Zugegeben, gestern war es nicht, aber allzu lange ist es auch nicht her: Während das erste CAD Programm bereits im Jahre 1957 auf einem Computer lief, blieb eine breite Verwendung für die Masse auf Grund unerschwinglicher Technik die nächsten 30 Jahre aus. Bis in die 90er Jahre waren Zeichenbrett, Stift und Papier für technische Zeichner daher die wichtigsten Werkzeuge. Innerhalb von nur 30 – 40 Jahren hat CAD die Architektur und praktisch jede andere auf zwei- oder dreidimensionalen Objekten basierende Branche transformiert – und macht es weiterhin.