Was ist CAD-Datenaufbereitung?
CAD-Datenaufbereitung ist der Prozess, bei dem ein vorhandenes CAD-Modell so vereinfacht, bereinigt und optimiert wird, dass es für eine Zielanwendung verwendbar ist, sei es Simulation, Roboterprogrammierung, Virtual Reality oder der Schutz von Know-how beim Datenaustausch.
1. Warum funktioniert Konstruktions-CAD nicht direkt?
Das ist die Frage die Ingenieure täglich beschäftigt. Die ehrliche Antwort: Konstruktions-CAD und Simulations-CAD verfolgen komplett unterschiedliche Ziele. Ein CAD-Modell für die Fertigung enthält jede Fase, jede Verrundung, jede Bohrung und jedes kosmetische Detail das der Konstrukteur eingebaut hat. Das ist richtig und wichtig, der Fräser muss das wissen.
Aber wenn dieses Modell in eine FEM-Simulationssoftware geladen wird passiert folgendes: Die Software versucht ein Rechennetz über die gesamte Geometrie zu legen. Eine winzige 2-mm-Verrundung an einer Stelle die 500 mm vom Untersuchungsbereich entfernt ist zwingt das Netz dazu, sich in diesem Bereich extrem zu verfeinern. Das erhöht die Berechnungszeit dramatically, manchmal um den Faktor 10 durch ein einziges kleines geometrisches Detail.
Ingenieure verbringen durchschnittlich 38 Prozent ihrer FEM-Simulationszeit im Preprocessing, also mit der Vorbereitung der Geometrie bevor die eigentliche Berechnung beginnt. Das ist Zeit die direkt durch gute CAD-Datenaufbereitung eingespart werden kann.
Das Netz wird zu fein, die Berechnung zu langsam. Ein einzelnes kleines Feature kann die Simulationskosten um den Faktor 10 erhöhen.
Im CAD unsichtbar aber für CFD-Hohlraumfüllung und FEM-Netzgenerierung fatal. Die Simulation bricht ab.
Zwei Bauteile die sich geometrisch durchdringen. In der Realität unmöglich, im CAD durch Ungenauigkeiten beim Zusammenbauen häufig.
Innere Geometrien in Baugruppen die für die Simulation irrelevant sind aber enorme Rechenzeit kosten.
Features die weit vom Interessenbereich liegen erhöhen die Knotenanzahl ohne jeden Mehrwert für das Ergebnis.
Für den Konstrukteur unsichtbar, für den Solver fatal. Er weiß nicht ob er sich innerhalb oder außerhalb des Körpers befindet.
2. Was ist Defeaturing?
Defeaturing bezeichnet das gezielte Entfernen von geometrischen Details aus einem CAD-Modell die für die jeweilige Zielanwendung irrelevant sind. Es ist kein blindes Vereinfachen, es ist eine ingenieurmäßige Entscheidung welche Details für welchen Zweck verzichtbar sind.
Wichtig: Welche Features entfernt werden dürfen hängt vollständig von der Anwendung ab. Ein Feature das für eine Struktursimulation irrelevant ist kann für eine Thermalsimulation entscheidend sein. Das erfordert Erfahrung und Urteilsvermögen und ist kein vollautomatisierbarer Prozess ohne Fachkenntnis.
3. Was ist eine Hüllengeometrie?
Eine Hüllengeometrie enthält nur die Außenhülle eines Bauteils oder einer Baugruppe. Das gesamte Innenleben wird entfernt. Die Außenkontur bleibt exakt erhalten.
IP-Schutz beim Datenaustausch
Wenn ein Maschinenbauer CAD-Daten an einen Lieferanten, Monteur oder Kunden sendet braucht dieser oft nur die Außengeometrie für Einbauplanung oder Kollisionsprüfung. Das Innenleben ist geistiges Eigentum das nicht weitergegeben werden soll.
Die Hüllengeometrie ist wie ein Sichtschutz: die Außenhülle bleibt bestehen, Wellen, Lager, Getriebe und Hydraulikleitungen werden vollständig entfernt. Der Empfänger sieht nur was er sehen soll.
Performance in Simulation und Echtzeit
In Robotersimulationen, Factory Simulations und VR-Umgebungen werden hunderte oder tausende von Bauteilen gleichzeitig dargestellt. Volldetaillierte CAD-Modelle machen diese Umgebungen träge oder nicht funktionsfähig.
Hüllengeometrien reduzieren die Polygonanzahl drastisch und ermöglichen Echtzeit-Rendering bei vollem Funktionsumfang der Simulationsumgebung.
4. Wo wird CAD-Datenaufbereitung eingesetzt?
Überall dort wo Konstruktions-CAD in eine andere Umgebung überführt werden muss ist CAD-Datenaufbereitung der entscheidende Zwischenschritt.
FEM / Struktursimulation
ANSYS · Abaqus · Nastran · SimcenterFEM-Software benötigt Geometrien ohne überflüssige Details. Jede Verrundung und jede Bohrung die nicht im Bereich der Lasteinleitung liegt erhöht die Knotenanzahl des Netzes und damit die Rechenzeit. Siemens beschreibt das Entfernen von Splitterflächen und irrelevanter Detailgeometrie als grundlegenden Preprocessing-Schritt. Automatisiertes Defeaturing kann hier bis zu 80 Prozent der Preprocessing-Zeit einsparen.
CFD / Strömungssimulation
OpenFOAM · ANSYS Fluent · StarCCM+HVAC-Simulationen, Kühlkanalberechnungen und aerodynamische Analysen brauchen saubere, lückenfreie Geometrien. Lücken im CAD-Modell verhindern die Hohlraumfüllung und lassen die Simulation abstürzen. Durch Entfernen von Interferenzen, Lücken und kleinen Details können Simulationszeit und -komplexität erheblich reduziert werden.
Robotersimulation und Virtual Commissioning
RobotStudio · KUKA.Sim · RoboDK · Process SimulateBei der virtuellen Inbetriebnahme wird der geplante Betrieb des Robotersystems mithilfe eines digitalen Zwillings simuliert. Fertigungsingenieure entwickeln und testen Robotikprogramme offline ohne den laufenden Produktionsbetrieb zu unterbrechen. Vereinfachte CAD-Geometrien mit Hüllengeometrie für Kollisionserkennung sind hier Standard, volldetaillierte Modelle machen die Simulation träge oder instabil.
Factory Simulation und Digital Factory
Visual Components · Tecnomatix · DELMIA · FlexSimWenn eine komplette Produktionshalle simuliert wird müssen hunderte von Maschinenmodellen vorhanden sein. In voller CAD-Detailtiefe ist das nicht simulierbar. Vereinfachte Hüllengeometrien mit Kinematikdaten für bewegliche Teile sind hier Standard. Die Factory Simulation ist einer der stärksten Wachstumsmärkte für CAD-Datenaufbereitung in der Industrie 4.0.
VR/AR und Industrial Metaverse
NVIDIA Omniverse · Unity · Unreal Engine · VarjoVR-Applikationen und industrielle Metaverse-Plattformen wie NVIDIA Omniverse arbeiten mit Echtzeit-Rendering. In Omniverse können CAD-Geometrien, FEM-Felder, CFD-Strömungen, Roboterpfade und IoT-Daten gleichzeitig in einer Szene koexistieren. Voraussetzung: alle eingehenden CAD-Modelle sind auf das notwendige Detailniveau reduziert. Das Ausgabeformat für Omniverse ist OpenUSD.
IP-Schutz beim Datenaustausch
Lieferanten · Kunden · Montagepartner · ZertifizierungsstellenNicht alle Ansprechpartner benötigen einen vollständigen Datensatz bis zum kleinsten Detail. Die Hüllengeometrie entfernt das gesamte Innenleben eines Modells während die Außenhülle bestehen bleibt. Diese reinen Hüllengeometrien schützen sensible Konstruktionsdaten beim Versand an externe Partner. Ein wachsendes Thema im deutschen Maschinenbau.
Digitale Zwillinge
Siemens Teamcenter · PTC ThingWorx · NVIDIA OmniverseDigitale Zwillinge hängen davon ab, die Verbindung zwischen physischen Konstruktionsentscheidungen und simuliertem Verhalten zu erhalten. Die CAD-Geometrie ist die Grundlage des digitalen Zwillings. Sie muss für jede Zielanwendung (Simulation, Visualisierung, IoT-Integration) in der richtigen Qualität und im richtigen Format vorliegen.
5. Ausgabeformate, welches für welchen Zweck?
Die Wahl des richtigen Ausgabeformats ist genauso wichtig wie die Aufbereitung selbst. Falsches Format bedeutet Datenverlust oder Inkompatibilität.
| Format | Standard | Ideal für | Nicht geeignet für |
|---|---|---|---|
| STEP AP242 | ISO 10303 | FEM, CAM, PLM, Langzeitarchivierung | Echtzeit-VR (Dateigröße zu groß) |
| JT | ISO 14306 | DMU, Design-Review, große Baugruppen | FEM wenn exakte B-Rep benötigt wird |
| STL | kein ISO-Standard | 3D-Druck, einfache Visualisierung | Parametrische Bearbeitung |
| OBJ | kein ISO-Standard | VR, AR, Rendering, Robotersimulation | Exakte Maßhaltigkeit |
| OpenUSD | kein ISO-Standard | NVIDIA Omniverse, Industrial Metaverse, Echtzeit | CAM, FEM |
| IGES | kein ISO-Standard | Ältere CAD-Systeme, Kompatibilität | Langzeitarchivierung (veraltet) |
6. Typische Fehlerbilder in CAD-Modellen
CAD-Modelle aus der Konstruktion sind oft nicht direkt für Simulation oder Weitergabe geeignet. Diese Fehler treten in der Praxis am häufigsten auf.
Flächen die keinen eindeutigen Körper beschreiben, nämlich zwei Flächen die nur an einer Kante statt einer Fläche verbunden sind. Simulation und Netzgeneratoren können damit nicht umgehen. Tritt häufig beim Import aus anderen CAD-Systemen auf.
Kleine Spalte zwischen angrenzenden Flächen die in der CAD-Darstellung unsichtbar sind aber die Hohlraumfüllung bei CFD oder die Netzgenerierung bei FEM unmöglich machen.
Zwei Bauteile einer Baugruppe die sich geometrisch durchdringen. In der Realität nicht möglich, im CAD durch Ungenauigkeiten beim Zusammenbauen häufig. Der Solver kann keinen konsistenten Materialbereich definieren.
Flächen deren Normalvektor in die falsche Richtung zeigt. Für den Konstrukteur unsichtbar, für den Solver fatal. Er weiß nicht ob er sich innerhalb oder außerhalb des Körpers befindet.
Sehr kleine Flächen die durch CAD-Operationen entstehen und im Netz zu extrem kleinen Elementen führen. Das Netz wird lokal extrem fein ohne dass das Ergebnis davon profitiert.
Beim Konvertieren zwischen CAD-Formaten entstehen oft zusätzliche Flächen oder die Geometrie wird tesselliert, aus einer glatten Kurve werden viele kleine Dreiecke. Maßgenauigkeit und Simulationsqualität leiden darunter.
7. Die wichtigsten Begriffe
Entfernen geometrischer Details die für eine Zielanwendung irrelevant sind.
Vereinfachtes Modell das nur die Außenkontur enthält. Innenleben entfernt. Auch: Envelope Geometry.
Umwandlung einer exakten mathematischen Kurve in viele kleine Dreiecke. Notwendig für Echtzeit-Rendering aber Verlust der Maßgenauigkeit.
Geschlossenes, fehlerfreies Netz ohne Lücken oder offene Kanten. Voraussetzung für 3D-Druck und viele Simulationsanwendungen.
Geometrische Fehler bei denen Flächen nicht eindeutig einen Körper beschreiben. Simulation nicht möglich.
Verschiedene Detailstufen desselben Modells für unterschiedliche Entfernungen. Standard in VR und Echtzeit-Rendering.
Verringerung der Anzahl von Dreiecken in einem Mesh ohne sichtbaren Qualitätsverlust.
Boundary Representation. Exakte mathematische Beschreibung eines Körpers durch seine Begrenzungsflächen. Grundlage aller präzisen CAD-Formate wie STEP.
Universal Scene Description von Pixar/NVIDIA. Der neue Standard für industrielle Echtzeit-3D und NVIDIA Omniverse.
Aktueller ISO-Standard für CAD-Datenaustausch. Enthält Geometrie und 3D-PMI. Nachfolger von AP203 und AP214.
8. Manuell oder Dienstleister?
Selbst machen wenn...
Dienstleister wenn...
Bei STM 3D Solutions ist die CAD-Datenaufbereitung oft direkt mit dem 3D-Scan-Workflow verbunden: Das gescannte Bauteil wird als CAD-Modell rekonstruiert und direkt in der für die Zielanwendung optimierten Form geliefert, für Simulation, Roboterprogrammierung oder IP-geschützte Hüllengeometrie.
9. Häufige Fragen zur CAD-Datenaufbereitung
Verfasst von Julius Wagner, STM 3D Solutions
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