CAD Designs für CNC-Bearbeitung: Überblick

Dieser Artikel erklärt, was CAD ist, was sind die typischen Formate solcher Designs und wie sie in der CNC-Bearbeitung eingesetzt werden

Was ist CAD?

Unter CAD (Computer-aided design) versteht man die computergestützte Modellierung, Veränderung, Analyse, und Optimierung eines Designs. Dies beinhaltet die Erstellung eines Computer-Modells, das durch geometrische und numerische Parameter definiert ist. Diese Modelle werden normalerweise als zwei- oder dreidimensionale Abbildung eines Bauteils oder einer Baugruppe dargestellt. CAD-Systeme erlauben es Designern nicht nur ihre Objekte in unterschiedlichen Darstellungen wie z.B. als algebraische und parametrische Kurven zu betrachten, sondern ermöglichen es ihnen auch diese Objekte durch die Simulation realer Szenarien zu testen. So kann man zum Beispiel eine zuvor in Solidworksgezeichnete Brücke anschließend mit Hilfe der Simulationsfunktionen in Solidworksunter verschiedenen Belastungen testen. Dies lässt sich mit einer Reihe verschiedener Software-Pakete durchführen. Die Ausgabe erfolgt normalerweise in der Form elektronischer Dateien für das 3D-Drucken,  zur Maschinenbearbeitung oder für andere Fertigungsverfahren.

Mit den weitreichenden technologischen Fortschritten im Bereich der Fertigung ist computergestütztes Design zu einem unverzichtbaren Aspekt des Fertigungsprozesses geworden. Mit Hilfe von CAD-Dateien hergestellte Bauteile werden in zahlreichen Industriebereichen eingesetzt, in denen eine hohe Präzision und komplexe Elemente erforderlich sind, z.B. Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Schiffsbau und Architektur.

Der Einsatz zum Design elektronischer Systeme wird als computer-aided drafting (CAD, dt. computergestützte Zeichnungserstellung) oder electronic design automation (EDA, dt. Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme) bezeichnet. Für mechanische Designs eingesetztes CAD nennt man auch mechanical design automation (MDA, dt. mechanische Konstruktionsautomatisierung). Dies beschreibt die Erstellung technischer Designs mit Hilfe eines Softwarepaketes.

Für die mechanische Konstruktion setzen CAD-Softwarepakete eine vektorbasierte Grafik oder Rastergrafik ein, um die Funktionen traditioneller Zeichnung darzustellen. CAD umfasst jedoch noch viel mehr als nur Formen und Figuren. Ähnlich wie bei der manuellen Anfertigung technischer Zeichnungen muss auch das Ergebnis des CAD-Prozesses technische Informationen wie Prozesse, Materialien, Toleranzen und Dimensionen beinhalten.

Was sind typische CAD-Formate und was unterscheidet sie voneinander?

Wie bei den meisten Softwarepaketen und elektronischen Dateien gibt es auch bei CAD-Softwarepaketen eindeutige Formate und Erweiterungen. CAD-Dateien können Designs in 2D oder 3D beinhalten. Heutzutage gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher CAD-Formate. Die gängigsten Formate sind .DWG, .DXF, .DGN, .STL und .STEP.

.DWG

Abgeleitet aus dem Englischen Wort „drawing“ (dt. zeichnen). DWG ist ein binäres Dateienformat, das zur Speicherung von Daten und Metadaten für 2D und 3D-Designs eingesetzt wird. Dieses Format wurde von Autodesk entwickelt und wird von vielen CAD-Paketen nativ unterstützt. DWG-Dateien können auf Windows mit Hilfe des kostenlosen ProgrammsTrueView vonAutodeskbetrachtet werden. Jede Drittanbieter-Anwendung, die das DWG-Format unterstützt, kann ebenfalls DWG-Dateien öffnen.

.DXF

DXF oder auch bekannt als „Drawing exchange format“ ist ein Austauschformat für den Inhalt von CAD-Zeichnungen (DWG). DXF-Dateien sind ähnlich wie .DWG-Dateien, jedoch besitzen sie eine höhere Kompatibilität mit anderen Programmen. Dieses Dateiformat wurde als universelles Format entwickelt, damit andere Programme AutoCAD-Dokumente leicht öffnen können.

.DGN

DGN (design)-Dateien sind Zeichnungen, die mit Hilfe von CAD-Konstruktionspaketen, wie z.B. Intergraph Interactive Graphics Design System and MicroStationangefertigt wurden. Eine DGN-Datei kann als DGN-Standardformat oder als Intergraph Standard File Format (ISFF) gespeichert werden.

.STL

Das STL-Format stammt von CAD-Software für Stereolithografie. Stereolithografie ist eine schnelle 3D-Drucktechnologie für die Entwicklung von Prototypen und Modellen. STL-Dateien beinhalten 3D-Designs, die als Hauptmodell für die Fertigung zahlreicher Prototypen eingesetzt werden.

.STEP

STEP steht für “standard for the exchange of product model data” (dt. Standard für den Austausch von Produktmodelldaten). STEP ist ein CAD-Dateiformat des ISO-Standards und löst die Probleme des Dateienaustauschs zwischen verschiedenen CAD-Programmen. Dieses Dateiformat wird eingesetzt, um Modelle zwischen Nutzern unterschiedlicher CAD-Pakete auszutauschen.

CAD und CNC-Bearbeitung

CNC-Maschinen (Computer Numerically Controlled), sind elektromechanische Geräte, die Werkzeuge entlang einer variierenden Anzahl von Achsen (normalerweise drei oder fünf) mit Hilfe von Anweisungen eines computerbasierten Programms hochpräzise steuern können. CNC-Bearbeitung ist eine der vielen Methoden, die Ingenieure einsetzen können, um Bauteile mit Hilfe von computerdesignten Dateien maschinell anzufertigen. Dieser Ansatz wird auch als subtraktive Fertigung bezeichnet. Eine andere Methode ist das 3D-Drucken, ein additiver Fertigungsprozess.

Bevor es CAD gab, wurden Lochstreifenkarten als Speichermedien für die CNC-Maschinen eingesetzt. Der Code wurde manuell in Lochstreifenkarten eingestanzt und per Hand in die Maschinen gegeben.

CNC-Maschinen greifen auf digitale Anweisungen, den sogenannten G-CODE, zurück. Der G-CODE ist eine programmierte Anweisung und gibt der Maschine vor, wie das Werkzeug im dreidimensionalen Raum bewegt werden muss. G-CODE kann zwar auch manuell geschrieben werden, dies ist jedoch sehr aufwändig und fehleranfällig. G-CODE wird durch CAM geschrieben (computer aided manufacturing).

CAM ist verantwortlich für die Übersetzung des in CAD gezeichneten Modells in eine für die CNC-Maschine verständliche Sprache (G-CODE). Die CNC-Maschine setzt den durch CAM generierten G-CODE anschließend als Anweisung für den Weg ihrer Werkzeuge ein.

Kurz gefasst erstellt CAD die Geometrie des Modells; CAM entwickelt den Werkzeugpfad und CNC setzt den Output des CAM ein, um das Bauteil anzufertigen. Dies ist der Zusammenhang zwischen CAD, CAM und der CNC-Bearbeitung.