2D und 3D Zeichnungsmodellerstellung

Das Computer Aided Design (CAD) hat schon vor vielen Jahren das traditionelle technische Zeichnen mit Tusche und Papier abgelöst. Einfache Fehlerkorrektur und Änderungen, geringer technischer Aufwand und schnelle Ergebnisse sind die wichtigsten Vorteile der Konstruktion am Bildschirm. Die einfache 2D-CAD-Modellierung steht heute in Konkurrenz zu der wesentlich leistungsfähigeren 3D Modellierung. Mit ihr lassen sich Produkte plastisch darstellen und aus allen Blickwinkeln betrachten. Leistungsstarke Programme verfügen zudem über Render-Funktionen, mit denen sich fotorealistische Abbildungen herstellen lassen. Darüber hinaus sind mit 3D Programmen Animationen herstellbar. Wir geben Ihnen einen kurzen Überblick die beiden Formen der CAD-Modellierung.

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Funktion eines CAD-Modells

 

Ein CAD Modell dient in erster Linie zur Visualisierung der erdachten Konstruktion. Es vermittelt dem Konstrukteur einen Eindruck, ob seine Lösungen praxistauglich sind. Jedes 3D Programm verfügt über eine 2D Export Funktion. Diese ist für die Fertigung die Basis zur Herstellung der Bauteile. Lediglich die additiven Verfahren des 3D Drucks benötigen keine 2D Zeichnungen mehr. Für den Werker an der CNC-Maschine sind sie jedoch unverzichtbar.

 

Vor- und Nachteile von 2D oder 3D Modellen

 

Die Frage, welches Modellierungsverfahren das "bessere" ist, hängt davon ab, was am Ende erreicht werden soll. Für einen ersten Eindruck ist ein animiertes CAD Modell besser geeignet. 2D Zeichnungen ohne Isometrie erfordern einige Erfahrung und räumliches Vorstellungsvermögen, um einen plastischen Eindruck vom Endprodukt zu gewinnen. Das 3D Modell spricht für sich selbst.

Dennoch gibt es bei beiden Ansätzen spezifische Vor- und Nachteile.

 

2D Zeichnungen - Präzision und Details

Die reine 2D Zeichnung (z.B. Fertigungszeichnungen) steht nicht für sich alleine. Sie ist durch alle Informationen ergänzt, die zur Herstellung eines Bauteils erforderlich sind. Dazu müssen die 2D-Zeichnungen den strengen Normvorgaben der technischen Konstruktion genügen. Diese zu kennen und anzuwenden ist ein Teil der Ausbildung zum Produktdesigner. Die Interpretation einer 2D Zeichnung ist deshalb stets abhängig von der Kompetenz der Facharbeiter. Dafür garantiert eine korrekt erstellte Zeichnung das gewünschte Ergebnis. Typische Elemente einer 2D Zeichnung sind folgende:

 

• Freiformkurven (Splines),
  • interpolierende Kurven (z.B. kubische Splines), verlaufen durch vorher festgelegte Stützpunkte.
  • approximierende Kurven (z.B. B-Splines) werden gemäß bestimmter Regeln angenähert.
• Strecken
• Kreisbögen
• Kriese

2D-Zeichnungen stellen aufgrund ihres geringeren Informationsgehalts heute geringe technische Anforderungen an die PC-Ausstattung. Sketch-Software zur Anfertigung von Skizzen sind schon kostenlos verfügbar. Ein Beispiel dazu ist das Tool "Inkscape". Der Marktführer im 2D-Bereich ist das Programm "AUTOCAD". Es bietet eine umfassende Auswahl an Funktionen, die zur Erstellung von normgerechten Fachzeichnungen erforderlich sind. 

Die 2D-Modellierung kommt im wesentlichen als Basis für die 3D-Modellerstellung und als reine 2D-Zeichnung (Fertigungszeichnung) zum Einsatz.

Vor- und Nachteile der 2D-Modellierung : 

• erfordert weniger Rechenkapazität
• geringerer Einarbeitungsaufwand 
• dient oft als Vorstufe zur 3D-Modellierung (besonders im Karosseriebau)
• enthält weniger Informationen als eine 3D-Modellierung (Bsp. Oloid)
• muss mit zahlreichen Informationen ergänzt werden
• schwieriger sich das Modell bildhaft vorzustellen

 

3D Zeichnungen - Anschauung und Zusammenbau

Ein 2D Zeichenprogramm ist einfach und intuitiv zu erlernen. 3D Konstruktionsprogramme sind hingegen eine wesentlich größere Herausforderung. Grob gesagt, arbeitet man sich bei INVENTOR oder SOLID WORKS von einem 2D Grundkörper zu der gewünschten Form. Die enorme Auswahl an Funktionen kann einen Anfänger dabei schnell überfordern. Außerdem stellen diese leistungsstarken Programme hohe Anforderungen an die Hardware. Ein 3D Modell auf einem Laptop für unter 500 Euro zu bearbeiten kann das Gerät schnell überfordern. Zum Konstruieren von einem 3D CAD Modell gehören stets die Renderzeiten. Diese bereiten das Modell optisch so auf, wie es der Produktdesigner wünscht.

 

3D-Modellarten

3D-Modelle untergliedern sich in Kanten-,Flächen-,Volumen- und Voxelmodelle.

Kantenmodelle werden wie der Name schon sagt, über Kanten representiert. Der wesentliche Vorteile der Kantenmodelle ist somit die geringe Datenverarbeitung, was eine schnelle und Bewegung am Bildschirm ermöglicht. Dafür ist hierbei die bildliche Darstellung nicht eindeutig und die geometrische Beschreibung ist unvollständig. Häufig werden Kantenmodelle für Sketches oder im Anlagenbau verwendet. 

Flächenmodelle entstehen durch Extrusion oder Rotation von Konturen. Wesentlicher Nachteil dieser Modellart ist der Informationsverlust über Innen- und Außenkanten des Bauteils. Dennoch kommen Flächenmodelle für Fahrzeugkarosserien oder im Industriedesign zum Einsatz.

Volumenmodelle nehmen den größten Anteil an verwendeten 3D-Modellarten ein. Sie finden in allen Bereichen des Maschinenbaus Anwendung und verfügen über den größten Anteil an Informationen. Volumenmodelle bestehen aus topologisch geschlossenen Flächenverbänden und entstehen durch boolsche Operationen bzw. auf Basis von Flächenmodellen. Ein wesentlicher Vorteil der Volumenmodelle ist, dass in Ihnen auch physikalische Informationen hinterlegt werden können. 

Voxelmodelle werden über "Voxels" definiert. Verinfachterweise lassen sich Voxels als 3-Dimensionale Pixel vorstellen, die keine Beziehung untereinander besitzen. Ein Objekt in einem Voxelmodell wird durch eine definierte Anzahl an Voxels erstellt. Diese Modelle finden vorallem in der Medizintechnik Anwendung z.B. in Computertomographen, Kernspintomographen oder Magnetresonanztomographen.

 

Für die Erstellung eines animierten, fotorealistischen Modells kann ein leistungsstarker Rechner eine ganze Nacht beschäftigt sein. Die Komplexität des erstellten CAD Modells ist indes nur durch die Leistungsfähigkeit des Rechners begrenzt. Das macht auf entsprechend großen Computern die Erstellung von kompletten Maschinen inklusive aller Details möglich.

Dennoch ist ein Trend feststellbar. Das Argument "2D ist schneller" gilt heute fast nicht mehr. Wer ein 3D-fähiges Programm gut beherrscht und über geeignete Hardware verfügt, der benötigt bei einfachen Bauteilen eine vergleichbare Zeit für die Erstellung des CAD Modells, als ein 2D Konstrukteur. Das Ausleiten in eine verwendbare Fachzeichnung geschieht auf Knopfdruck.

Erfreulicherweise sind die Zugangshürden zu leistungsstarken Programmen heute praktisch nicht mehr vorhanden. Was vor wenigen Jahren noch tausende Euros gekostet hat, ist heute kostenlos verfügbar. Sowohl im 2D wie im 3D Bereich laden Freeware-Angebote wie INKSCAPE oder FREECAD zum Experimentieren, Zeichnen und Konstruieren ein. Damit lassen sich die handwerklichen Grundlagen erlernen, bevor in teures Equipment und leistungsstarke Software investiert wird. Wenn Sie sich für Konstruktion interessieren, dann nutzen Sie diese Angebote. Für jedes Freeware-Programm bietet Youtube eine Fülle an Tutorials an. Damit kommen Sie schnell zu interessanten Ergebnissen.

 

Vor- und Nachteile einer 3D-Modellierung : 

• Vollständigere Produktmodelle
• Viele Unterlagen sind aus 3D-Modellen direkt ableitbar
• schnelles erkennen von fertigungstechnischen Problemen
• Möglichkeit der Einbeziehung neuer Technologien zur Prototypenherstellung
• Meist ist 3D-Modell Vorraussetzung für weitere Unterstützungssysteme
• Effizienzsteigerung durch den Einsatz von Parametrik, Features und Wissensbasen
• erfordert teure Hardware
• höherer Datenverarbeitungsaufwand als bei 2D-Modellierung

 

2D versus 3D - beides wird gebraucht

Sowohl die 2D- als auch die 3D-CAD-Modellierung besitzen Ihre Vor- und Nachteile. Im Zuge der Digitalisierung und der damit einhergehenden Verbesserungen unserer Datenverarbeitungsysteme kosten aufwändige 3D-Modellierungen immer weniger Zeit und überzeugen durch Ihren Informationsgehalt und die Möglichkeit über nachgestellte Simulationen, den Anteil an Fehlern enorm zu reduzieren. Dafür ist die Handhabung dieser Modelle deutlich anspruchsvoller und eine Erstellung ist meist aufwändiger als eine 2D-Modellierung des gleichen Bauteils. Beide Ansätze haben deshalb ihre Berechtigung und werden sie auch in Zukunft behalten. Es kommt eben darauf an, was man erreichen möchte.