Ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte des computergestützten Designs (CAD) war die Veröffentlichung von Pro /ENGINEER, jetzt PTC Creo, im Jahr 1987, mit der die CAD-Branche in die geschichtsbasierte parametrische Modellierung eingeführt wurde. Seitdem wird das parametrische Paradigma in fast jedem gängigen CAD-Programm eingesetzt, einschließlich SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX und Onshape. Wenn Sie in den letzten zwei Jahrzehnten CAD-Modellierung durchgeführt haben, sind Sie wahrscheinlich mit geschichtsbasiertem parametrischem Design vertraut.
Kurz gesagt, bei der parametrischen Konstruktion bauen Ingenieure Stück für Stück eine 3D-Geometrie auf. 2D-Skizzen werden zu 3D-Features, wobei Einschränkungen und Beziehungen entsprechend der Absicht des Designers angewendet werden. Da jedoch jeder Schritt aus vorhergehenden Schritten folgt, kann das parametrische Design eine sorgfältige Planung erfordern.
Trotz der Macht und Beliebtheit der parametrischen Modellierung hat ein anderes CAD-Paradigma seinen eigenen Anteil an Befürwortern: die direkte Modellierung. In der direkten Modellierung ist Geometrie König. Benutzer müssen sich nicht mehr um die Historie ihres Teils kümmern und können stattdessen direkt auf die 3D-Geometrie einwirken. Einige moderne CAD-Systeme verwenden die direkte Modellierung anstelle der verlaufsbasierten parametrischen Modellierung, während andere eine Mischung aus parametrischen und direkten Werkzeugen bieten.
Um die Unterschiede zwischen parametrischer und direkter Modellierung besser zu verstehen, für welche Anwendungsfälle sie sich am besten eignen und wie sie sich weiterentwickeln könnten, sprachen wir mit erfahrenen CAD-Anwendern und Brancheninsidern über ihre Sicht auf die beiden Paradigmen.
Parametrische Modellierung
Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klären, die wir verwenden. Das von Pro / ENGINEER entwickelte Designparadigma wird vielleicht am besten als „geschichtsbasiert“ bezeichnet, da es die lineare Schritt-für-Schritt-Natur des Modells ist, die es wirklich von der direkten Modellierung unterscheidet, die auch als „geschichtsfrei“ bezeichnet werden kann.“
„Geschichtsbasierte CAD-Software beruht darauf, dass der Benutzer ein individuelles Teil mit einer Reihe von Funktionen baut“, schrieb der erfahrene CAD-Anwender Matt Lombard in einem E-Book über die CAD-Software Solid Edge von Siemens. „Die Software merkt sich die Merkmale in der richtigen Reihenfolge, und das Modell muss diese Merkmale bei jedem Schritt perfekt auflösen, um voranzukommen. Sie können sich diese Methode des Modellbaus wie ein Computerprogramm vorstellen. Sie geben dem Computer Anweisungen für jeden Schritt, und er führt diese Schritte für jedes Mal aus, wenn das Modell neu erstellt werden muss.“
Nichtsdestotrotz wird die geschichtsbasierte Modellierung oft als „parametrisch“ bezeichnet, und so werden wir die beiden Begriffe als ähnlich behandeln. Denken Sie nur an diese Einschränkung von Lombard: „Die Leute haben häufig die falsche Vorstellung, dass nur geschichtsbasierte Software parametrisch ist. Parametrisch bedeutet, dass das Modell durch Parameter gesteuert wird, die Abmessungen, Musterinstanzen, Wandstärken, Lochdurchmesser und -tiefen usw. umfassen können.“
Lombards Analogie eines Computerprogramms ist für die parametrische Modellierung geeignet. Genau wie beim Schreiben eines Programms gilt: Je mehr ein Ingenieur darüber nachdenkt, was erreicht werden soll, desto besser ist das Endergebnis. Obwohl ein Modell wie ein Programm im laufenden Betrieb zusammengestellt werden kann, kann es für andere Ingenieure schlampig und schwierig sein, es zu bearbeiten.
Roland Schwarz, ein weiterer erfahrener CAD-Anwender, wies darauf hin, dass diese Tatsache der parametrischen Modellierung ein zweischneidiges Schwert sein kann.
„Wenn Sie mit jemandem zusammenarbeiten, der wirklich gut in Parametrik ist und sein Projekt gut, durchdacht und streng strukturiert, ist das fantastisch“, sagte Schwarz. „Aber man kann jemanden haben, der einfach da reinkommt und hackt und ändert und Sachen an den falschen Stellen kopiert hat, und es gibt kein logisches System dafür. Dann wird es chaotisch und ich möchte nur mit einem Export und Import von vorne anfangen.“ (Beim Exportieren und Importieren des Modells wird der Merkmalsverlauf entfernt und in eine sogenannte „dumme Geometrie“ umgewandelt, bei der es sich nur um die Geometrie ohne Entwurfsabsicht handelt).
Die besten parametrischen CAD-Konstrukteure sind so geschickt darin, ihre Projekte zu strukturieren, dass sie manchmal nur durch einen Blick auf eines ihrer Modelle identifiziert werden können, als hätten sie digitale Fingerabdrücke im Verlaufsbaum hinterlassen. Obwohl das Endmodell genau das gleiche ist, gibt es viele Möglichkeiten, dorthin zu gelangen — und einige sind definitiv besser als andere.
„Und mein Weg ist der beste“, scherzte Schwarz. „Das wird jeder gute CAD-Modellierer sagen.“
Die parametrische Modellierung ist äußerst nützlich für Produkte, die von Abmessungen bestimmt werden — denken Sie an Standard-Bürogeräte wie Schreibtische und Regale oder Werkzeuge, deren Größe variieren kann. Mit dem parametrischen Ansatz können Ingenieure schnell und einfach verschiedene Konfigurationen ihrer Designs erstellen.
Aber von wo aus die nicht so strengen Modellierer leben, treten Risse im Paradigma der parametrischen Modellierung auf.
„Manchmal denke ich, dass man sich in der Geschichte verzetteln kann“, sagte Bruce Bartlett, ein weiterer CAD-Veteran. „So sehr die Geschichte Ihnen die Möglichkeit gibt, Dinge schnell zu ändern, ist der Nachteil, wenn Sie nicht verstehen, wie es aufgebaut ist, oder wenn Sie jemanden haben, der Sachen baut, die ein bisschen außer Kontrolle geraten, können Sie mehr Zeit damit verbringen, durch den Geschichtsbaum zu waten, als nur ein paar Gesichter zu greifen und sie zu bewegen.“
Eine weitere Schwäche der parametrischen Modellierung besteht darin, dass mit zunehmender Anzahl der Features auch die zum Aktualisieren Ihres Modells erforderlichen Berechnungen zunehmen.
„Wenn Sie ein Bauteil mit 1.000 Features im Verlaufsbaum haben, geht es sehr schnell, wenn Sie das letzte Feature in diesem Baum bearbeiten“, erklärte Dan Staples, Siemens PLM Vice President Mainstream Engineering. „Aber wenn Sie das erste Feature in diesem Baum bearbeiten, kann es sehr lange dauern, da es alle 1.000 dazwischen berechnen muss, bevor es zum 1.001.“
Ist die parametrische Modellierung mit ihrer Ausgewogenheit von Stärken und Schwächen die beste Option für die CAD-Konstruktion? Staples glaubt das nicht.
„Die Idee, eine Dimension zu bearbeiten, um ein sehr vorhersehbares Ergebnis zu erzielen, das die Absicht des Designers respektiert, ist von Natur aus wertvoll“, sagte er. „Die als History-Based Design bekannte Implementierung, die 1987 von Pro / ENGINEER durchgeführt und in den letzten 25 Jahren von praktisch allen anderen kopiert wurde, ist nicht der effizienteste Weg, um diese Dimension zu bearbeiten.“
Staples befürwortet natürlich die synchrone Technologie von Siemens, ein Paradigma, das wir später diskutieren werden.
Direkte Modellierung
Wie der Name schon sagt, bietet Direct Modeling Designern einen What-you-see-is-what-you-Get-Ansatz zum Erstellen und Bearbeiten ihrer Modelle.
„Es scheint kein Ende von Experten zu geben, die über fein nuancierte Definitionen und Variationen dieses Begriffs streiten, aber im Allgemeinen ist Direct Edit eine CAD-Methode, bei der Sie Flächen des Modells direkt bearbeiten, anstatt indirekt Merkmalsdefinitionen oder Skizzen zu bearbeiten … wie die Geometrie hergestellt wird, spielt keine Rolle und ist ehrlich gesagt nicht so interessant wie die Änderung der Geometrie“, schrieb Lombard.
Bei der direkten Modellierung können Designer ihr Modell drücken und ziehen, um es zu ändern. Ein Vorteil dieser Funktion ist die Leichtigkeit, mit der Designs geändert werden können, was eine schnelle Iteration und Prototyping ermöglicht. Aus diesem Grund hat die direkte Modellierung eine Nische in der Welt des Industriedesigns gefunden, in der flüssige Kurven und kühne Ästhetik eine große Rolle spielen.
„Es gibt Anwendungsfälle wie hochorganisches Design, Bildhauerei, Konzeptdesign, generatives Design und De-Featuring für Analysen, bei denen ein völlig nicht parametrisches Toolset eine ausgezeichnete und manchmal die beste Wahl sein kann“, sagte Dave Corcoran, Mitbegründer von Onshape und Vizepräsident für Forschung und Entwicklung.
Darüber hinaus kann die direkte Modellierung ohne die Abhängigkeiten und die Historie der parametrischen Modellierung einige der Probleme eines schlechten parametrischen Designs beseitigen.
„Ich denke, der eigentliche Test eines CAD-Modellierers ist nicht, was er machen kann, sondern was er ändern kann. Die direkte Modellierung eröffnet definitiv das Feld, was sie ändern können, ohne eine vollständige Störung zu verursachen „, sagte Schwarz.
Die Möglichkeit, ein Modell zu ändern, ohne sich Gedanken darüber machen zu müssen, dass es kaputt geht, kann viel bedeuten, insbesondere für Unternehmen, die den Nutzen ihres CAD-Modells erweitern möchten. Schwarz beschrieb CAD-Modelle als Assets, und wie jedes andere Asset erfordern sie eine Investition, um sie zu sichern.
„Die Erstellung eines CAD-Modells kostet viel Zeit und Geld, und Sie möchten diese schützen, und Sie möchten, dass sie nützlich bleiben. Direkte Modellierung wird diese Investition schützen „, erklärte Schwarz.
Aber die direkte Modellierung hat ihre eigenen Nachteile.
„Die meisten historienfreien Systeme kommen nicht gut mit der Bearbeitung von Dimensionen zurecht und erzielen ein vorhersehbares Ergebnis“, sagte Staples. „Manchmal hört man Leute über ein Push-me-Pull-You-System sprechen, und sie sehen sehr sexy aus, aber wenn es am Ende des Tages zum Stoß kommt, möchte man wirklich in der Lage sein, Dimensionen zu bearbeiten und dimensionale Orte zu erstellen und so weiter.“
Ein weiteres Problem bei der direkten Modellierung ist, dass es für die meisten CAD-Modellierer einfach nicht das ist, was sie gewohnt sind. Nach jahrelanger Erfahrung mit parametrischem Design — und jahrelanger Gewöhnung an seine Mängel — fehlt möglicherweise nur die Motivation, eine Alternative in Betracht zu ziehen.
„Ich glaube nicht, dass die parametrische Modellierung in absehbarer Zeit verschwinden wird“, sagte Schwarz. „Es gibt eine sehr große Anzahl von Benutzern, die gut darin sind und es mögen, oder zumindest sind sie damit vertraut und gehen nirgendwo hin. Ich denke, die direkte Modellierung ist ein großer Schritt nach vorne. Gleichzeitig denke ich, dass es eine Kultur gibt, die sich darum herum entwickeln muss — wo es mehr akzeptiert und besser verstanden wird, wie man es am besten benutzt — vor allem in Bezug auf die Verwaltung eines Modellierungsprojekts über die Lebensdauer eines Produkts oder sogar die Lebensdauer seiner anfänglichen Entwicklung, ohne dass es zu einem größeren Problem als zu einer Lösung wird.“
Verwischen der Grenze zwischen Entwurfsparadigmen
Die meisten gängigen CAD-Systeme bieten eine Mischung aus parametrischen und direkten Werkzeugen, obwohl die Fähigkeiten dieser Werkzeuge variieren können.
“ Onshape ist ein parametrischer Modellierer, aber es hat ein bisschen direkte Modellierung darüber gebaut „, erklärte Bruce Bartlett, ein Onshape-Benutzer. „Es ist direkte Modellierung, aber es ist immer noch parametrisch. Manchmal wünschte ich, es könnte nur ein reiner direkter Modellierer sein, und wir könnten einfach Gesichter ohne Geschichte bewegen.“
Bartlett bezieht sich darauf, dass diese Werkzeuge zwar wie direkte Bearbeitungswerkzeuge wirken, aber dennoch Funktionen im Verlaufsbaum erstellen. Da echte direkte Modellierung historienfrei ist, ist dieser Ansatz nur quasi-direkt. Wie Onshape bietet SOLIDWORKS auch Direktbearbeitungswerkzeuge, die für Benutzer für bestimmte Aufgaben nützlich sein können, aber letztendlich Funktionen im Verlaufsbaum belassen und die potenziellen Probleme des parametrischen Designs beibehalten.
Andere CAD-Programme implementieren die Hybridwerkzeuge auf unterschiedliche Weise. Autodesk Fusion 360 zum Beispiel ermöglicht es Benutzern, entweder im parametrischen oder im direkten Modellierungsmodus zu arbeiten. Im direkten Modus wird Ihre Designhistorie überhaupt nicht aufgezeichnet. Benutzer können auch jedes Feature in ein direktes Modellierungsfeature konvertieren, während der Rest des parametrischen Verlaufsbaums intakt bleibt.
Siemens verfolgt mit seiner CAD-Software NX und Solid Edge einen anderen Ansatz, den es Synchronous Technology nennt. Synchrone Technologie behauptet, das Beste aus parametrischen und direkten Modellierungsfunktionen in einer einzigen Umgebung zu vereinen.
„Mit der synchronen Technologie kann ich Flächen entweder von Hand oder durch Bearbeiten von Bemaßungen verschieben“, erklärte Staples. „Und wir haben die einzigartige Technologie, um all dies herauszufinden und dabei die gesamte Designabsicht zu bewahren, jedoch ohne das Gepäck eines Verlaufsbaums oder einer Neuberechnung.“
Staples ist der Ansicht, dass die synchrone Technologie einen Schritt weiter geht als die hybride Werkzeugmischung der anderen CAD-Programme und einige Probleme umgeht, die in Systemen auftreten können, die die direkte Modellierung als Feature im Verlaufsbaum implementieren.
„Denken Sie an einen einfachen Fall, einen Block mit einem Loch darin. Das Loch hat einen halben Zoll Durchmesser. Sie modellieren seit fünf Jahren daran, und es hat 1.000 Funktionen, und am Ende möchte Ihr Chef diesen halben Zoll Durchmesser auf 0,4 Zoll ändern. Und du denkst ‚Okay, ich werde das nur direkt bearbeiten‘, was eine 1.001 st-Funktion hinzufügt. Dies ist eine Überschreibung, die das Loch auf 0,4 Zoll ändert.
„Es scheint, als hättest du dein Problem gelöst. Aber was Sie wirklich getan haben, ist die Komplexität des Verlaufsbaums erhöht und die Entwurfsabsicht ungültig gemacht. Wenn nun jemand ein Jahr später zu diesem Teil zurückkehrt, wird er das erste Feature im Baum bearbeiten, und es wird neu berechnet und später im Baum überschrieben. Diese Vorstellung, dass das Hinzufügen weiterer Funktionen zum Baum ein Problem löst … löst ein sehr kurzfristiges Problem, fügt Ihrem Entwicklungsprozess jedoch später viele weitere Probleme hinzu.“
Während einige CAD-Benutzer Vorbehalte gegen die Ansprüche der synchronen Technologie haben, singen diejenigen, die sie verwenden, praktisch ihr Lob. Bedeutet dies, dass die Frage der parametrischen vs. direkten Modellierung strittig ist und die synchrone Technologie der richtige Weg ist? Das hängt davon ab, wen Sie fragen.
„Es gibt keinen Produktansatz, der für alle Situationen optimal ist. Tools, die zu verallgemeinert sind und versuchen, zu viele Anwendungsfälle in einem Toolset zu lösen, sind in der Regel schwer zu bedienen und zu kompliziert „, sagte Dave Corcoran von Onshape.
Einige Solid Edge-Benutzer haben Schwierigkeiten bei der Verwendung der synchronen Technologie in bestimmten Szenarien gemeldet, z. B. bei der komplexen Oberflächenmodellierung, eine Einschränkung, die Staples zugibt. „Wenn Sie sehr ästhetisch ansprechende Teile herstellen, die viel oberflächenbasiertes Design erfordern, ist Synchron in seinem aktuellen Zustand nicht gut dafür geeignet“, sagte er.
Man könnte sich auch fragen, warum die synchrone Technologie, wenn sie so vorteilhaft ist, wie ihre Befürworter behaupten, kein weiter verbreitetes Paradigma ist. Staples glaubt, dass der Grund dafür ist, dass Siemens der technologischen Kurve gerade so weit voraus ist, was zum großen Teil auf den Besitz des Parasolid-Kernels und des D-Cubed Constraint Solving SDK zurückzuführen ist. Aber vielleicht gibt es einen einfacheren Grund, den er schön zusammengefasst hat: „Ingenieure sind keine Menschen, die gerne viel verändern.“ Die geschichtsbasierte parametrische Modellierung ist immer noch das dominierende Paradigma in der CAD-Welt und funktioniert trotz ihrer Nachteile einwandfrei.
„An diesem Punkt in der Geschichte arbeitet SOLIDWORKS für 98 Prozent oder besser von dem, was irgendjemand da draußen tut“, sagte Schwarz.
Im Laufe der Zeit, wenn jedoch neue Generationen von Ingenieuren in die Welt der CAD-Modellierung eintreten, werden die alten geschichtsbasierten Methoden möglicherweise eher der synchronen Technologie weichen, und die Unterscheidung zwischen parametrischer und direkter Modellierung ist möglicherweise nicht mehr relevant.
„Ich denke, mit der Zeit wird die Linie verschwimmen und es werden nur verschiedene Seiten des Werkzeugkastens sein“, sagte Schwarz .
In der Zwischenzeit finden Sie hier eine nicht erschöpfende Liste einiger der bekanntesten CAD-Programme und des Designparadigmas, an das sie sich halten:
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Parametrische Modellierung* |
Direkte Modellierung |
Synchrone Technologie |
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* Alle diese Plattformen beinhalten auch einige Aspekte der direkten Modellierung.