Von CAD zu 3D: Automatisierung von Konstruktionsdateien für Maschinenbau

Wenn es um Engineering und Maschinenkonstruktion geht, hat Computer-Aided Design (CAD) die Branche erheblich verändert. Es verbessert Arbeitsabläufe und bietet praktische Vorteile, die weit über reine Effizienz hinausgehen. CAD ermöglicht es, die Montage komplexer Maschinenteile – etwa Zahnräder – zu visualisieren und die Funktionalität der Entwürfe zu überprüfen, noch bevor physische Prototypen gebaut werden. Dieses Werkzeug rationalisiert Produktionsprozesse und reduziert Fehler, was letztlich die Produktivität in der Fertigung steigert. Infolgedessen hat es neue Möglichkeiten für Geschäftswachstum eröffnet, beispielsweise durch den Einsatz immersiver Technologien.

Durch die Nutzung des Potenzials von 3D-Modellen, die aus CAD-Dateien generiert werden, können Unternehmen vielfältige Anwendungen erschließen – von der Präsentation komplexer Maschinen bis hin zu interaktivem Training für Mitarbeitende. Dieser Artikel befasst sich mit der Automatisierung der Umwandlung von CAD-Dateien in 3D-Modelle und hebt die bestehenden Einschränkungen hervor. Zudem stellt er die strategischen Lösungen von tsukat zur Bewältigung dieser speziellen Herausforderungen im Maschinenbau vor. Durch die Auseinandersetzung mit diesen Hürden lassen sich wertvolle Erkenntnisse gewinnen, die zu mehr Effizienz und Innovation in den Abläufen beitragen können.

Herausforderungen bei der Automatisierung von CAD-Dateien für 3D-Visualisierung

Die Einführung von Computer-Aided Design (CAD) hat die Industrie- und Maschinenbaubranche revolutioniert. CAD bietet zahlreiche Vorteile, darunter verbesserte Bearbeitungsmöglichkeiten, detailliertere Konstruktionen und eine bessere Zusammenarbeit. Zudem hat es zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen geführt und sich als effizientes Werkzeug für Unternehmen etabliert. Mit dem technologischen Fortschritt streben Unternehmen nach weiteren Produktivitätssteigerungen durch Automatisierung – einschließlich der automatisierten Verarbeitung von CAD-Dateien für 3D-Interaktionen.

Um die Vorteile von CAD vollständig auszuschöpfen, müssen die CAD-Entwürfe zunächst in 3D-Modelle für die Visualisierung umgewandelt werden. Dabei spielt ein Prozess namens Tessellation eine entscheidende Rolle. Tessellation zerlegt die komplexen Kurven und Flächen der CAD-Daten in eine Reihe einfacherer Formen, wie Dreiecke (Polygone). Diese Transformation ermöglicht eine einfachere Darstellung und Visualisierung in 3D sowie eine effiziente Verarbeitung auf verschiedenen Geräten.

Nach der Tessellation ist die Optimierung des Modells unerlässlich. Dieser Schritt umfasst Techniken wie Polygonreduktionsalgorithmen und Level-of-Detail-(LOD)-Anpassungen. Dank Tessellation und Modelloptimierung wird die Effizienz des Modells über verschiedene Plattformen und Anwendungen hinweg sichergestellt.

Visualisierung der Umwandlung von CAD- in 3D-Dateien, Bildquelle

Dennoch bleibt die vollständige Automatisierung in diesem Bereich eine Herausforderung

Die erste Schwierigkeit ist der Kompromiss zwischen Leistung und Zugänglichkeit. Originale CAD-Dateien sind groß und erfordern leistungsstarke Geräte, um effektiv verarbeitet zu werden. Hochwertige Lösungen, die jedes Detail erfassen, erzeugen visuell beeindruckende 3D-Modelle, benötigen jedoch teure Supercomputer und spezialisierte Software, was die Zugänglichkeit und Machbarkeit einschränkt. Lösungen, die hingegen für die Echtzeit-Visualisierung auf gängigen Geräten wie Laptops und Tablets entwickelt wurden, müssen häufig Abstriche bei Details und visueller Qualität machen. Ein solcher Ausgleich kann zu weniger präzisen Darstellungen von Maschinen führen und Endnutzer möglicherweise verwirren.

Eine weitere wesentliche Herausforderung ist die Notwendigkeit manueller Eingriffe. Trotz der Fortschritte in der Automatisierung ist menschliche Expertise nach wie vor entscheidend, um fundierte Entscheidungen während der Konvertierung zu treffen. So könnte eine technischer Expert*in Details für ein 3D-Modell vereinfachen, das für ein grundlegendes Training vorgesehen ist, während für komplexe Fertigungssimulationen ein wesentlich detaillierteres Modell erforderlich ist.

Lösungen für effiziente 3D-Visualisierung

Wie sich zeigt, ist die perfekte Automatisierung bei der Integration von Computer-Aided Design (CAD)-Dateien auf verschiedenen Geräten eine große Herausforderung. Dennoch gibt es praktische Lösungen: Modelloptimierung und Content-Streaming. Diese Ansätze schaffen ein Gleichgewicht zwischen visueller Treue, Funktionalität und Benutzerinteraktion und erhöhen die Nutzbarkeit von CAD-Dateien auf unterschiedlichen Plattformen.

Die Modelloptimierung erfordert eine Kombination aus teilweiser Automatisierung und manuellen Anpassungen, wie etwa Polygonkonvertierung, Anwendung von Texturen und Shadern sowie das Einrichten der Interaktivität. Diese Methode bietet Vorteile wie Mobilität, gesteigerte Nutzerinteraktion und den Erhalt der visuellen Qualität. Nutzer*innen können das Modell manipulieren, heranzoomen und drehen, wobei sowohl die visuelle Detailtreue als auch eine effiziente Dateigröße berücksichtigt werden. Dieser Ansatz eignet sich besonders für Web- und lokale Anwendungen, bei denen ein Gleichgewicht zwischen Ästhetik und effizienter Bereitstellung entscheidend ist.

Allerdings wirkt sich die Komplexität der ursprünglichen CAD-Daten stark auf den Aufwand für die Optimierung aus. Diese Abhängigkeit beruht nicht nur auf der Qualität der CAD-Daten, sondern auch auf den verwendeten Algorithmen für den Konvertierungsprozess. Es ist zu beachten, dass die Optimierung komplexer Modelle zu einem leichten Rückgang der visuellen Qualität führen kann. Bei solch komplexen Konstruktionen wird Metadaten entscheidend. Diese beinhalten alle wesentlichen Details zu einem Modell, wie Spezifikationen und Versionshistorie. Diese Informationen sind notwendig, um präzise Aktualisierungen und Änderungen vorzunehmen. Zudem ermöglichen sie die einfache Nachverfolgung von Änderungen über die Zeit und helfen, die Integrität des Modells zu bewahren – insbesondere dann, wenn mehrere Überarbeitungen im Spiel sind.

Die Modelloptimierung bietet einen vielseitigen Ansatz dank ihrer Flexibilität und Kompatibilität mit leistungsstarken lokalen Systemen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Erstellung komplexer visueller Darstellungen und Simulationen für unterschiedliche Betriebsszenarien. Die Anwendungen reichen von Web-Vorschauen für schnelle Bewertungen bis hin zu umfassenden Projektprüfungen auf PCs.

Visualisierung der Interaktion von 3D-Dateielementen

Content-Streaming als Alternative

Eine alternative Methode ist das Content-Streaming, wie etwa die Pixel-Streaming-Technologie von Epic Games. Dabei wird eine Anwendung mitsamt ihrer Umgebung auf einer dedizierten Cloud-Workstation ausgeführt, die in der Lage ist, CAD-Dateien oder hochwertig automatisch konvertierte Modelle zu verarbeiten. Das System streamt die Ausgabe direkt auf das Endgerät der Nutzer*innen und ermöglicht dadurch mobile Zugänglichkeit, interaktive Optionen und eine hochwertige visuelle Darstellung. Diese Technik eignet sich besonders gut für mobile Geräte und VR-Devices. Die automatische Konvertierung und Aktualisierung von CAD-Dateien erfolgt auf einem Remote-Server, was eine sichere und schnelle Verarbeitung gewährleistet.

Darüber hinaus bietet Content-Streaming eine höhere Skalierbarkeit. Cloud-Ressourcen stellen einen erheblichen Vorteil für kollaborative Designprojekte und Anforderungen an die Echtzeitvisualisierung dar. Solche Systeme können mehrere Nutzer*innen gleichzeitig bedienen, wodurch der Zugriff auf komplexe CAD-Modelle erleichtert wird.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile. Vor allem können die Kosten für Cloud-Computing-Ressourcen hoch sein. Zudem ist eine stabile Internetverbindung unabdingbar. Ohne sie kann es zu Verzögerungen beim Streaming kommen, was das gesamte Erlebnis beeinträchtigt.

Visualisierung von 3D-Dateien in einer VR-Experience, Bildquelle

Maßgeschneiderte Lösung für Optimierung und Updates

Das Aktualisieren von CAD-Dateien für die 3D-Visualisierung erfordert einen robusten Prozess. Aus diesem Grund haben wir uns auf die Entwicklung eines maßgeschneiderten automatisierten Systems von tsukat konzentriert, das CAD-Elemente in 3D-Modellen aktualisiert und es Kundinnen ermöglicht, effizient jedes beliebige Teil innerhalb eines Modells zu ersetzen. Diese Fähigkeit gewährleistet sowohl die Genauigkeit des aktualisierten Modells als auch einen reibungslosen Workflow. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die 3D-Szene dafür nicht neu aufgebaut werden muss.

1.Softwaregesteuerte Modellvorbereitung

CAD-Dateien werden im NURB-Format (Non-Uniform Rational B-Spline) erstellt, das sich besonders für die Modellierung komplexer und detaillierter Krümmungen eignet. Beim Export können diese Dateien in ein Dreiecksnetz-Format umgewandelt werden, um die Kompatibilität über verschiedene Plattformen hinweg zu erleichtern. Für eine erfolgreiche Verarbeitung muss die Datei im NURB-(Solid)-Format vorliegen, die richtigen Metadaten enthalten und klaren Namenskonventionen folgen. Der nächste Schritt besteht darin, mithilfe von Software dieses neue Element in das 3D-Visualisierungsmodell einzubinden. Verarbeitungseinstellungen der Datei:

• Level of Detail (LOD) Anpassungen: Einer der ersten Schritte beim Ersetzen des Modells. Dabei wird festgelegt, welche Teile des Modells mit hoher Detailtreue dargestellt werden sollen. Ein höheres LOD erfasst mehr Details, erfordert aber auch mehr Rechenleistung, während ein niedrigeres LOD die Leistung schont, jedoch kleinere Komponenten weniger präzise darstellt.
• Sichtbarkeitseinstellungen: Das Festlegen der Sichtbarkeit ist entscheidend, um Rechenressourcen zu optimieren und kritische Aspekte zu priorisieren. Beispiel: Wenn ein Kunde eine PC-Maus in einem Modell betrachten möchte, ist es besser, die internen Komponenten der Maus auszublenden. Diese selektive Sichtbarkeit sorgt dafür, dass das Modell schlank und effizient bleibt, indem es sich auf das Außendesign konzentriert und unnötige Berechnungen vermeidet.
• UV-Mapping: Steigert die Realitätsnähe des Modells, indem es das 3D-Modell auf eine 2D-Fläche abwickelt und so die präzise Projektion von Texturen auf das Modell ermöglicht.

2.Versionskontrolle und automatische Updates

Unsere Lösung nutzt Versionskontrolle, um den Montageprozess kontinuierlich zu überwachen und automatisch die neuesten Updates anzuwenden. Diese Funktion macht manuelle Aktualisierungsanfragen überflüssig, da Änderungen an den CAD-Spezifikationen einzelner Komponenten sofort erkannt werden. Sobald eine Änderung festgestellt wird, aktualisieren sich die entsprechenden 3D-Modelle automatisch und sind somit stets auf dem neuesten Stand.

3.Automatisierte Optimierung und intelligentes Datenmanagement

Nach Abschluss der ersten Verarbeitung optimiert die Software die aktualisierte CAD-Datei automatisch anhand vordefinierter Einstellungen, die auf die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Maschine zugeschnitten sind. Zudem führt unser System eine detaillierte Metadatenanalyse durch und extrahiert dabei wichtige Informationen wie eindeutige ID-Codes, Modellbeschreibungen und Verbindungsstellen für verschiedene Teile. Diese Daten unterstützen intelligente Suchvorgänge innerhalb unserer Datenbank und gewährleisten so ein präzises Matching sowie Updates der richtigen Modelle.

4.Modell-Update- und Integrationsprozess

Am Ende des Optimierungsprozesses führt unser System eine automatisierte Update-Sequenz aus, bei der die ältere Dateiversion durch die neueste Version in der Datenbank ersetzt wird. Dieser Prozess stellt sicher, dass alle Projektinstanzen, die diese Datei verwenden, sofort aktualisiert werden. Unser System garantiert außerdem, dass die aktuellen Funktionen  und Eigenschaften des Modells erhalten bleiben, während die Updates eingespielt werden. Die Aktualisierungen werden nahtlos in das neue Modell integriert und optimiert, um unvorhergesehene Änderungen im Verhalten zu vermeiden.

Als Ergebnis erhält der Kunde das finale aktualisierte Modell mit allen angeforderten Verbesserungen und Optimierungen. Dieser automatisierte Workflow minimiert menschliche Fehler und beschleunigt die Produktionszyklen erheblich.

Visualisierung des Endergebnisses nach der Aktualisierung der CAD-Datei

Fazit

Seit 2017 nutzen die erfahrenen Ingenieur*innen von tsukat verschiedene Ansätze, um CAD-Dateien für immersive 3D-Präsentationen und interaktive Lernerlebnisse zu optimieren. Wir verstehen die Herausforderungen der CAD-Automatisierung sowohl aus technischer als auch aus geschäftlicher Perspektive. Deshalb sind unsere maßgeschneiderten Lösungen darauf ausgelegt, diese spezifischen Hürden zu überwinden und die Wirksamkeit sowie den Erfolg Ihrer Projekte zu steigern.

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