Computer-Aided Design (CAD) beinhaltet die Erstellung von Computermodellen, die durch geometrische Parameter definiert sind. Diese Modelle erscheinen typischerweise auf einem Computermonitor als dreidimensionale Darstellung eines Teils oder eines Teilesystems, das durch Ändern relevanter Parameter leicht geändert werden kann. CAD-Systeme ermöglichen es Designern, Objekte in einer Vielzahl von Darstellungen zu betrachten und diese Objekte durch Simulation realer Bedingungen zu testen.
Die computergestützte Fertigung (CAM) verwendet geometrische Konstruktionsdaten zur Steuerung automatisierter Maschinen. CAM-Systeme sind mit computergestützten numerischen Steuerungen (CNC) oder direkten numerischen Steuerungen (DNC) verbunden. Diese Systeme unterscheiden sich von älteren Formen der Numerischen Steuerung (NC) dadurch, dass geometrische Daten mechanisch kodiert werden. Da sowohl CAD als auch CAM computerbasierte Verfahren zur Codierung von Geometriedaten verwenden, ist eine hohe Integration von Konstruktions- und Herstellungsprozessen möglich. Computergestützte Konstruktions- und Fertigungssysteme werden allgemein als CAD/CAM bezeichnet.
DIE URSPRÜNGE VON CAD/CAM
CAD hat seinen Ursprung in drei verschiedenen Quellen, die auch dazu dienen, die grundlegenden Operationen von CAD-Systemen hervorzuheben. Die erste CAD-Quelle entstand aus Versuchen, den Zeichnungsprozess zu automatisieren. Diese Entwicklungen wurden in den frühen 1960er Jahren von den General Motors Research Laboratories vorangetrieben. Einer der wichtigen zeitsparenden Vorteile der Computermodellierung gegenüber herkömmlichen Entwurfsverfahren besteht darin, dass erstere durch Ändern der Parameter eines Modells schnell korrigiert oder manipuliert werden können. Die zweite Quelle von CAD war das Testen von Konstruktionen durch Simulation. Der Einsatz von Computermodellen zum Testen von Produkten wurde von Hightech-Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Halbleiterindustrie vorangetrieben. Die dritte Quelle der CAD-Entwicklung ergab sich aus den Bemühungen, den Fluss vom Konstruktionsprozess zum Fertigungsprozess mithilfe von numerischen Steuerungstechnologien (NC) zu erleichtern, die Mitte der 1960er Jahre in vielen Anwendungen weit verbreitet waren. Es war diese Quelle, die zur Verbindung zwischen CAD und CAM führte. Einer der wichtigsten Trends in der CAD/CAM-Technologie ist die immer engere Integration zwischen Konstruktions- und Fertigungsphase CAD/CAM-basierter Produktionsprozesse.
Die Entwicklung von CAD und CAM und insbesondere die Verbindung zwischen den beiden überwindete die traditionellen NC-Mängel in Bezug auf Kosten, Benutzerfreundlichkeit und Geschwindigkeit, indem die Konstruktion und Herstellung eines Teils unter Verwendung desselben Systems zur Codierung geometrischer Daten durchgeführt werden konnte. Diese Innovation verkürzte die Zeitspanne zwischen Konstruktion und Fertigung erheblich und erweiterte den Umfang der Produktionsprozesse, für die automatisierte Maschinen wirtschaftlich eingesetzt werden konnten. Ebenso wichtig ist, dass CAD/CAM dem Konstrukteur eine viel direktere Kontrolle über den Produktionsprozess gab und die Möglichkeit vollständig integrierter Konstruktions- und Herstellungsprozesse schaffte.
Die rasante Zunahme der Verwendung von CAD/CAM-Technologien nach den frühen 1970er Jahren wurde durch die Entwicklung von massenproduzierten Siliziumchips und dem Mikroprozessor ermöglicht, was zu erschwinglicheren Computern führte. Als die Preise von Computern weiter sanken und sich ihre Rechenleistung verbesserte, breitete sich die Verwendung von CAD/CAM von großen Unternehmen, die Massenproduktionstechniken in großem Maßstab verwenden, auf Unternehmen jeder Größe aus. Auch der Anwendungsbereich von CAD/CAM wurde erweitert. Neben der Teileformung durch traditionelle Werkzeugmaschinenprozesse wie Stanzen, Bohren, Fräsen und Schleifen wird CAD/CAM auch von Unternehmen verwendet, die Unterhaltungselektronik, elektronische Komponenten, geformte Kunststoffe und eine Vielzahl anderer Produkte herstellen . Computer werden auch verwendet, um eine Reihe von Herstellungsprozessen (z. B. chemische Verarbeitung) zu steuern, die nicht streng als CAM definiert sind, da die Steuerdaten nicht auf geometrischen Parametern basieren.
Mithilfe von CAD ist es möglich, die Bewegung eines Teils durch einen Produktionsprozess dreidimensional zu simulieren. Dieser Prozess kann Vorschubgeschwindigkeiten, Winkel und Geschwindigkeiten von Werkzeugmaschinen, die Position von Teilehalteklammern sowie den Bereich und andere Einschränkungen simulieren, die den Betrieb einer Maschine einschränken. Die Weiterentwicklung der Simulation unterschiedlicher Fertigungsprozesse ist eines der zentralen Mittel zur zunehmenden Integration von CAD- und CAM-Systemen. CAD/CAM-Systeme erleichtern auch die Kommunikation zwischen denen, die an Konstruktion, Fertigung und anderen Prozessen beteiligt sind. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn eine Firma eine andere mit der Konstruktion oder Herstellung einer Komponente beauftragt.
VORTEILE UND NACHTEILE
Die Modellierung mit CAD-Systemen bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Zeichenmethoden, die Lineale, Quadrate und Zirkel verwenden. Zum Beispiel können Designs geändert werden, ohne sie zu löschen und neu zu zeichnen. CAD-Systeme bieten auch 'Zoom'-Funktionen analog zu einem Kameraobjektiv, wodurch ein Konstrukteur bestimmte Elemente eines Modells vergrößern kann, um die Inspektion zu erleichtern. Computermodelle sind typischerweise dreidimensional und können um jede Achse gedreht werden, ähnlich wie man ein tatsächliches dreidimensionales Modell in der Hand drehen könnte, wodurch der Designer ein umfassenderes Gefühl für das Objekt gewinnen kann. CAD-Systeme eignen sich auch, um Schnittzeichnungen zu modellieren, in denen die innere Form eines Teils offenbart wird, und um die räumlichen Beziehungen zwischen einem System von Teilen zu veranschaulichen.
Um CAD zu verstehen, ist es auch nützlich zu verstehen, was CAD nicht kann. CAD-Systeme haben keine Möglichkeit, Konzepte der realen Welt zu verstehen, beispielsweise die Art des zu entwerfenden Objekts oder die Funktion, die dieses Objekt erfüllen wird. CAD-Systeme funktionieren durch ihre Fähigkeit, geometrische Konzepte zu kodifizieren. Somit beinhaltet der Designprozess mit CAD die Übertragung der Idee eines Designers in ein formales geometrisches Modell. Die Bemühungen um die Entwicklung computerbasierter „künstlicher Intelligenz“ (KI) haben es noch nicht geschafft, über das Mechanische – repräsentiert durch die geometrische (regelbasierte) Modellierung – vorzudringen.
Andere Beschränkungen des CAD werden durch Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Expertensystemen angegangen. Dieses Feld leitet sich aus der KI-Forschung ab. Ein Beispiel für ein Expertensystem besteht darin, Informationen über die Beschaffenheit von Materialien – ihr Gewicht, ihre Zugfestigkeit, Flexibilität usw. – in eine CAD-Software zu integrieren. Durch die Einbeziehung dieser und anderer Informationen könnte das CAD-System dann „wissen“, was ein erfahrener Ingenieur weiß, wenn dieser Ingenieur eine Konstruktion erstellt. Das System könnte dann das Denkmuster des Ingenieurs nachahmen und tatsächlich mehr von dem Design „erstellen“. Expertensysteme können die Implementierung abstrakterer Prinzipien beinhalten, wie die Natur von Schwerkraft und Reibung oder die Funktion und Beziehung häufig verwendeter Teile wie Hebel oder Muttern und Bolzen. Expertensysteme könnten auch die Art und Weise ändern, wie Daten in CAD/CAM-Systemen gespeichert und abgerufen werden und das hierarchische System durch ein flexibleres System ersetzen. Solche futuristischen Konzepte hängen jedoch alle stark von unserer Fähigkeit ab, menschliche Entscheidungsprozesse zu analysieren und diese möglichst in mechanische Äquivalente zu übersetzen.
Einer der Entwicklungsschwerpunkte von CAD-Technologien ist die Leistungssimulation. Zu den gängigsten Simulationsarten gehören das Testen der Reaktion auf Belastungen und die Modellierung des Prozesses, mit dem ein Teil hergestellt werden könnte, oder der dynamischen Beziehungen zwischen einem System von Teilen. Bei Belastungstests werden Modelloberflächen durch ein Gitter oder Netz dargestellt, das sich verzieht, wenn das Teil einer simulierten physikalischen oder thermischen Belastung ausgesetzt wird. Dynamiktests fungieren als Ergänzung oder Ersatz für den Bau funktionsfähiger Prototypen. Die Leichtigkeit, mit der die Spezifikationen eines Teils geändert werden können, erleichtert die Entwicklung optimaler dynamischer Wirkungsgrade, sowohl im Hinblick auf die Funktionsweise eines Teilesystems als auch auf die Herstellung eines bestimmten Teils. Simulation wird auch in der Elektronikdesign-Automatisierung verwendet, bei der ein simulierter Stromfluss durch eine Schaltung das schnelle Testen verschiedener Komponentenkonfigurationen ermöglicht.
Die Prozesse Design und Herstellung sind in gewisser Weise konzeptionell trennbar. Der Designprozess muss jedoch mit einem Verständnis der Natur des Produktionsprozesses durchgeführt werden. Für einen Konstrukteur ist es beispielsweise notwendig, die Eigenschaften der Materialien, aus denen das Teil gebaut werden könnte, die verschiedenen Techniken, mit denen das Teil geformt werden könnte, und den Produktionsmaßstab zu kennen, der wirtschaftlich vertretbar ist. Die konzeptionelle Überschneidung zwischen Konstruktion und Fertigung weist auf die potenziellen Vorteile von CAD und CAM hin und den Grund, warum sie im Allgemeinen als System betrachtet werden.
Jüngste technische Entwicklungen haben den Nutzen von CAD/CAM-Systemen grundlegend beeinflusst. Zum Beispiel hat die ständig steigende Verarbeitungsleistung von Personalcomputern ihnen eine Lebensfähigkeit als Vehikel für CAD/CAM-Anwendungen gegeben. Ein weiterer wichtiger Trend ist die Etablierung eines einzigen CAD-CAM-Standards, damit unterschiedliche Datenpakete ohne Fertigungs- und Lieferverzögerungen, unnötige Konstruktionsrevisionen und andere Probleme, die manche CAD-CAM-Initiativen weiterhin belasten, ausgetauscht werden können. Schließlich entwickelt sich CAD-CAM-Software in Bereichen wie der visuellen Darstellung und Integration von Modellierungs- und Testanwendungen weiter.
DER FALL FÜR CAS UND CAS/CAM
Eine konzeptionell und funktional parallele Entwicklung zu CAD/CAM ist CAS oder CASE, Computer Aided Software Engineering. Wie von SearchSMB.com in seinem Artikel über 'CASE' definiert, ist 'CASE' die Verwendung einer computergestützten Methode zur Organisation und Kontrolle der Softwareentwicklung, insbesondere bei großen, komplexen Projekten mit vielen Softwarekomponenten und Personen.' CASE stammt aus den 1970er Jahren, als Computerunternehmen begannen, Konzepte aus der CAD/CAM-Erfahrung anzuwenden, um mehr Disziplin in den Softwareentwicklungsprozess einzuführen.
Eine weitere Abkürzung, die von der allgegenwärtigen Präsenz von CAD/CAM im Fertigungssektor inspiriert ist, ist CAS/CAM. Dieser Ausdruck steht für Computer-Aided Selling/Computer-Aided Marketing Software. Kernstück solcher Technologien ist sowohl bei CASE als auch bei CAS/CAM die Integration von Arbeitsabläufen und die Anwendung bewährter Regeln auf einen sich wiederholenden Prozess.
LITERATURVERZEICHNIS
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