CAD
CAD steht für „Computer-Aided Design“, also das Konstruieren von Bauteilen und Gebäuden am Computer statt auf dem Zeichenbrett. Die entstehenden Modelle sind exakt vermaßt und lassen sich direkt für Simulationen, Fertigungsmaschinen und 3D-Druck weiterverwenden.
Bevor eine Schraube, ein Fahrradrahmen oder ein Hochhaus gebaut wird, muss jemand es genau planen. Früher geschah das mit Bleistift, Lineal und Zeichenbrett auf Papier. Heute übernimmt das ein Computerprogramm, und dafür steht die Abkürzung CAD: Computer-Aided Design, auf Deutsch computergestütztes Konstruieren. Der Konstrukteur zeichnet dabei nicht einfach Striche, sondern legt Maße fest: diese Bohrung hat 8 Millimeter Durchmesser, diese Wand ist 24 Zentimeter dick. Der Computer merkt sich diese Angaben und rechnet daraus ein vollständiges Modell des Objekts. Aus diesem Modell lassen sich anschließend Zeichnungen, Materiallisten und Steuerbefehle für Maschinen erzeugen.
Warum kaum ein Industrieprodukt ohne CAD entsteht
Der größte Vorteil ist die Änderbarkeit. Auf Papier bedeutete eine veränderte Bohrung, dass man mehrere Zeichnungen neu anfertigen musste. Im CAD-Modell ändert man eine einzige Zahl, und alle abgeleiteten Ansichten passen sich automatisch an. Entwicklungszyklen, die früher Monate dauerten, schrumpfen dadurch auf Wochen.
Dazu kommt die Genauigkeit. Ein CAD-Modell kennt die exakte Geometrie jedes Bauteils. Deshalb lässt sich schon am Bildschirm prüfen, ob zwei Teile kollidieren oder ob eine Leitung durch einen Träger läuft. Solche Fehler im fertigen Bauwerk zu entdecken, kostet dagegen sehr viel Geld.
Wichtig ist außerdem der Anschluss an die Produktion. Aus dem Modell entstehen direkt die Steuerdaten für Fräsmaschinen, Laserschneider oder 3D-Drucker. Zwischen Entwurf und Fertigung liegt also keine Handarbeit mehr, bei der sich Fehler einschleichen könnten. CAD ist damit weniger ein Zeichenwerkzeug als die zentrale Datenquelle eines Produkts.
Vom Skizzenstrich zum bemaßten Volumenmodell
Moderne CAD-Programme arbeiten meist parametrisch. Das heißt: Der Nutzer zeichnet zuerst eine grobe Skizze, etwa ein Rechteck. Danach weist er dieser Skizze Bedingungen zu, sogenannte Parameter. Eine Kante ist 50 Millimeter lang, zwei Linien stehen im rechten Winkel, ein Kreis sitzt genau in der Mitte. Das Programm rechnet die Skizze so lange um, bis alle Bedingungen erfüllt sind.
Aus solchen Skizzen entstehen dann dreidimensionale Körper. Typische Schritte sind das Extrudieren, bei dem eine Fläche in die Höhe gezogen wird, und das Rotieren um eine Achse. Anschließend schneidet man Löcher hinein, rundet Kanten ab oder setzt Gewinde ein. Diese Schritte bleiben als Liste gespeichert, ähnlich wie ein Rezept. Ändert man einen frühen Schritt, wird das ganze Rezept neu ausgeführt.
Verwechseln sollte man CAD nicht mit 3D-Programmen aus Film und Spielen. Dort zählt das Aussehen, ein Modell besteht aus vielen kleinen Dreiecken und darf ungenau sein. Im CAD zählt das Maß: Die Flächen werden mathematisch exakt beschrieben, oft mit sogenannten NURBS-Kurven. Deshalb kann ein Fertigungsroboter ein CAD-Modell verarbeiten, ein Spielmodell aber nicht.
Von der Schulwerkstatt bis zur KI-gestützten Konstruktion
Wer in der Schule mit einem 3D-Drucker arbeitet, benutzt bereits CAD. Kostenlose Programme wie Tinkercad oder FreeCAD laufen auf jedem Rechner. In Unternehmen dominieren dagegen Pakete wie SolidWorks, CATIA oder AutoCAD. Im Bauwesen spricht man von BIM, dem Building Information Modeling, bei dem das Gebäudemodell zusätzlich Angaben zu Kosten, Materialien und Bauabläufen enthält.
In Nachrichten taucht CAD zunehmend im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz auf. Ein Ansatz heißt generatives Design: Der Konstrukteur gibt nur die Anforderungen vor, etwa welche Kräfte ein Halter aushalten muss und wie viel er wiegen darf. Der Computer erzeugt daraufhin hunderte Formvorschläge und bewertet sie. Solche Bauteile sehen oft aus wie Knochen und wären von Hand kaum zeichenbar.
Ein weiteres Thema sind Textbefehle. Erste Werkzeuge erlauben es, ein Bauteil in normaler Sprache zu beschreiben und daraus ein Modell erzeugen zu lassen. Die Ergebnisse sind bislang grob und müssen nachbearbeitet werden. Trotzdem gilt dieser Bereich als wirtschaftlich interessant, weil CAD-Software in Industrie, Architektur und Medizintechnik täglich von Millionen Menschen genutzt wird.