Was versteht man unter Computer-Aided Design (CAD) und einem CAD-System?

In der Produktentwicklung entscheidet sich früh, was ein Produkt später kostet. Studien zur Konstruktionsmethodik beziffern den Anteil auf 60 bis 80 Prozent der Produktkosten, festgelegt in Planung und Konstruktion. Zu diesem Zeitpunkt existiert oft nur ein 3D-Modell. Parallel gilt die Zehnerregel der Fehlerkosten aus dem Qualitätsmanagement. Sie besagt: Mit jeder Wertschöpfungsstufe, in der ein Fehler unentdeckt bleibt, steigen die Behebungskosten um den Faktor zehn. Ein Konstruktionsfehler kostet in der Entwicklung eine Einheit. Beim Kunden kostet er tausend. Genau hier setzt CAD Simulation an. Sie verlagert die Absicherung von Bauteilen und Baugruppen in die Konstruktionsumgebung, lange bevor der erste Prototyp entsteht. Entwicklungsleiter gewinnen damit Entscheidungssicherheit statt Bauchgefühl. Dieser Ratgeber beantwortet die häufigsten Fragen zu simulationsgestütztem Konstruieren, zu Simulationssoftware und zur praktischen Einführung im Team.

CAD Simulation: Die wichtigsten Fragen im Überblick

Was ist CAD Simulation?

CAD Simulation bezeichnet die rechnerische Analyse eines Bauteils oder einer Baugruppe direkt am 3D-Konstruktionsmodell. Die Software berechnet, wie sich das Produkt unter realen Bedingungen verhält. Typische Ergebnisgrößen sind Spannung, Verformung, Temperatur oder Strömungsgeschwindigkeit.

Der entscheidende Unterschied zur klassischen Berechnung liegt im Datenfluss. Die Simulation greift auf dieselbe Geometrie zu, die der Konstrukteur gerade bearbeitet. Ändert sich das Modell, lässt sich die Analyse ohne Datenexport wiederholen. Diese enge Kopplung von CAD und Berechnung macht Simulation zu einem Konstruktionswerkzeug statt zu einem nachgelagerten Prüfschritt.

Wie läuft eine CAD Simulation im Konstruktionsprozess ab?

Eine Simulation folgt immer derselben Abfolge. Zuerst bereiten Sie die Geometrie auf und entfernen Details ohne Einfluss auf das Ergebnis, etwa kleine Verrundungen oder Beschriftungen. Danach weisen Sie dem Modell Werkstoffdaten zu.

Im dritten Schritt definieren Sie die Randbedingungen. Sie legen fest, wo das Bauteil gelagert ist und welche Lasten angreifen. Anschließend vernetzt die Software die Geometrie in finite Elemente. Die Rechnung liefert dann ein Ergebnisfeld, das Sie im Konstruktionsprozess auswerten. Ein Konstrukteur erkennt sofort, ob die maximale Verformung im zulässigen Bereich bleibt.

Der letzte Schritt ist der wichtigste. Sie leiten aus dem Ergebnis eine Konstruktionsänderung ab und rechnen erneut. Simulation entfaltet ihren Nutzen erst in dieser Schleife.

Welche Simulationsarten nutzen Entwicklungsteams?

Vier Disziplinen decken den Großteil der Anwendungsfälle im Maschinenbau und in der Automobilzulieferung ab.

Die Strukturanalyse bewertet Festigkeit und Steifigkeit. Sie beruht auf der Finite-Elemente-Analyse und beantwortet die Frage, ob ein Bauteil hält. Die numerische Strömungsmechanik analysiert Fluide, Druckverluste und Wärmeübertragung. Die thermische Analyse prüft das Verhalten unter Temperatureinfluss, etwa bei Elektronikgehäusen oder Bremsscheiben. Die Mehrkörperdynamik untersucht bewegte Systeme wie Getriebe, Fahrwerke oder Robotergelenke.

Viele Fragestellungen verlangen mehrere Disziplinen gleichzeitig. Multiphysik-Ansätze koppeln zum Beispiel Strömung und Struktur in einer gemeinsamen Rechnung.

Was unterscheidet CAD-integrierte Simulation von Expertenwerkzeugen?

CAD-integrierte Simulation richtet sich an Konstrukteure und Designer. Sie arbeitet in der gewohnten Konstruktionsumgebung und liefert schnelle Antworten auf konkrete Auslegungsfragen. CATIA Analysis ist ein Beispiel dafür. Das Toolkit gehört zur CATIA 3D-Modellierungsumgebung und deckt strukturelle, thermische und fluiddynamische Analysen ab. Für SOLIDWORKS-Anwender übernimmt SOLIDWORKS Simulation diese Rolle.

Expertenwerkzeuge wie Abaqus zielen auf Berechnungsingenieure. Sie beherrschen nichtlineares Materialverhalten, komplexe Kontaktprobleme und große Verformungen. Diese Fälle bildet eine CAD-nahe Lösung nicht ab.

Für die Praxis heißt das: Beide Ebenen ergänzen sich. Der Konstrukteur klärt Varianten und Grundauslegung. Der Berechnungsspezialist sichert kritische Nachweise ab.

Wie prüft man ganze Baugruppen statt einzelner Bauteile?

Baugruppen verhalten sich anders als ihre Einzelteile. Entscheidend sind die Zusammenführungen der Komponenten, also Kontakte, Schraub- und Schweißverbindungen. Erst diese Verbindungen bestimmen, wie sich Lasten im System verteilen.

Moderne Simulationswerkzeuge übernehmen Verbindungsinformationen aus dem CAD-Modell. Sie erzeugen daraus automatisch Kontaktbedingungen. Trotzdem lohnt eine Prüfung: Eine falsch definierte Verbindung verfälscht das gesamte Ergebnis.

Bei variantenreichen Produkten kommt ein zweites Thema hinzu. Sie müssen wissen, welche Konfigurationen Sie überhaupt gerechnet haben. Ein PDM- oder PLM-System verknüpft Simulationsmodell, Geometriestand und Ergebnis. Ohne diese Verknüpfung rechnet ein Team nach wenigen Monaten gegen veraltete Stände.

Welche Rolle spielt CAD Simulation in der Automobilkonstruktion?

Ein Beispiel aus der Praxis zeigt den Nutzen. Ein Zulieferer entwickelt eine Halterung für ein Aggregat im Motorraum. Die Halterung muss Vibrationen aushalten und soll gleichzeitig leicht sein.

Das Team modelliert einen ersten Entwurf in 3D und rechnet eine Modalanalyse. Die erste Eigenfrequenz liegt zu nah an der Anregungsfrequenz des Motors. Der Konstrukteur verstärkt daraufhin gezielt zwei Rippen und rechnet erneut. Nach drei Schleifen stimmt das Ergebnis, ohne dass ein physisches Bauteil entstanden ist.

Im zweiten Schritt folgt die Optimierung. Ein Werkzeug wie Tosca ermittelt, an welchen Stellen Material tatsächlich Kraft überträgt. Typische Topologieoptimierungen sparen bei gleicher Steifigkeit zweistellige Prozentwerte an Masse. In der Automobilkonstruktion schlägt jedes eingesparte Kilogramm direkt auf Verbrauch und Reichweite durch.

Wie sichern Sie die Qualität Ihrer Berechnungen?

Eine Simulation liefert immer ein Ergebnis. Ob dieses Ergebnis stimmt, entscheidet die Eingabe. Drei Punkte verdienen besondere Aufmerksamkeit.

Erstens die Werkstoffdaten. Ein Kennwert aus einem Datenblatt beschreibt selten das Verhalten bei hoher Temperatur oder schneller Belastung. Zweitens die Randbedingungen. Eine ideal starre Einspannung existiert in keiner realen Baugruppe und liefert zu steife Ergebnisse. Drittens die Netzqualität. Verfeinern Sie das Netz an kritischen Stellen und prüfen Sie, ob sich das Ergebnis noch ändert. Bleibt es stabil, ist die Rechnung konvergiert.

Validieren Sie Ihr Modell mindestens einmal am realen Versuch. Danach vertrauen Sie den folgenden Berechnungen auf einer belastbaren Grundlage.

Lassen sich Simulationsprozesse automatisieren?

Ja. Wiederkehrende Rechnungen eignen sich sehr gut für Automatisierung. Halterungen, Träger oder Gehäuse folgen meist demselben Ablauf mit wechselnder Geometrie.

Ein erster Schritt sind Vorlagen. Sie hinterlegen Netzparameter, Werkstoffe, Lasten und Auswertungen einmalig und wenden sie auf neue Bauteile an. Das spart Zeit und vermeidet Eingabefehler.

Weiter geht Isight. Die Software verbindet einzelne Schritte zu durchgängigen Simulationsprozessen. Sie variiert Parameter systematisch, startet Rechnungen im Batch und wertet die Ergebnisse aus. So untersucht ein Team über Nacht hunderte Varianten statt drei.

Welche Software eignet sich für simulationsgestütztes Konstruieren?

Die Auswahl richtet sich nach Ihrem CAD-System, Ihren Fragestellungen und dem Kenntnisstand im Team. Prüfen Sie zuerst die Kompatibilität mit Ihrer bestehenden Konstruktions- und PDM-Landschaft.

Für konstruktionsnahe Analysen eignen sich CATIA Analysis und SOLIDWORKS Simulation. Für anspruchsvolle Nachweise stehen Abaqus, für Strömungssimulationen XFlow und für Mehrkörpersysteme Simpack zur Verfügung. Einen Überblick über das gesamte Portfolio finden Sie auf unserer Seite zur Advanced-Simulation-Software.

Wer Konstruktion und Simulation auf einer Datenbasis zusammenführen will, betrachtet die 3DEXPERIENCE Plattform. Sie verbindet Modellierung, Berechnung und Produktdatenmanagement in einer Umgebung.

Wie steigen Teams in die CAD Simulation ein?

Starten Sie klein und mit einem klaren Anwendungsfall. Wählen Sie ein Bauteil, das Ihr Team regelmäßig auslegt und heute über Erfahrungswerte dimensioniert. Rechnen Sie diesen Fall nach und vergleichen Sie das Ergebnis mit der Praxis.

Bauen Sie parallel Kompetenz auf. Ein Konstrukteur benötigt kein Vollzeitstudium in Numerik, aber ein solides Verständnis der Grenzen seiner Werkzeuge. Schulungen zu Simulationswerkzeugen zahlen sich hier schnell aus.

Für Spitzenlasten oder Spezialthemen lohnt externe Unterstützung. Unsere Simulation-Services übernehmen komplette Analysen oder begleiten Ihr Team beim Kompetenzaufbau.

Fazit: Simulation gehört an den Anfang der Produktentwicklung

Wer Fehler erst im Prototypen findet, zahlt nach der Zehnerregel ein Vielfaches. CAD Simulation verschiebt die Absicherung dorthin, wo Änderungen noch günstig sind. Sie reduziert die Anzahl physischer Prototypen, verkürzt Entwicklungszyklen und liefert belastbare Argumente für Konstruktionsentscheidungen.

TECHNIA begleitet Entwicklungsteams seit über 30 Jahren bei genau dieser Aufgabe. Wir liefern nicht nur Lizenzen für CATIA Analysis, Abaqus, Tosca oder Simpack. Unsere Ingenieure kennen die Prozesse in Automobilzulieferung, Maschinenbau und Luftfahrt aus eigener Projektarbeit. Wir bewerten gemeinsam mit Ihnen, welche Simulationswerkzeuge zu Ihren Produkten und zu Ihrer bestehenden CAD- und PDM-Umgebung passen. Als zertifizierter Dassault Systèmes Partner verbinden wir Software, Schulung und Beratung zu einem durchgängigen Ansatz. So kommen Sie vom ersten Pilotprojekt zu einem etablierten simulationsgestützten Konstruktionsprozess.

Sprechen Sie mit unseren Simulationsexperten über Ihren konkreten Anwendungsfall.

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Quellen

Springer Nature, Kapitel zur Produktentwicklung (Anteil festgelegter Produktkosten in frühen Phasen); DIN 55350-11 sowie Fachliteratur zum Qualitätsmanagement (Zehnerregel der Fehlerkosten); TECHNIA Produktdokumentation zu CATIA Analysis, Abaqus, Tosca, XFlow, Simpack und Isight.

Form, Fit und Function (FFF) beschreibt das Grundprinzip, nach dem Toleranzen in der Konstruktion bewertet werden. Form bezeichnet die geometrische Gestalt eines Bauteils. Fit beschreibt, wie es sich in eine Baugruppe einfügt. Function definiert, welche Aufgabe es im Betrieb erfüllen muss. GD&T übersetzt genau diese drei Kriterien in messbare, normgerechte Vorgaben.

Ein konkretes Beispiel aus dem Automobilzuliefererumfeld: Ein Dichtelement in einem Hydraulikventil muss eine bestimmte Form einhalten, um überhaupt gefertigt werden zu können. Es muss in das Gehäuse passen, ohne zu klemmen oder zu spielen. Und es muss im Betrieb unter wechselndem Druck zuverlässig abdichten. Wer nur ein Nennmaß mit allgemeiner ISO-Toleranz einträgt, beschreibt keines dieser drei Kriterien vollständig. GD&T zwingt den Konstrukteur, alle drei Dimensionen explizit zu adressieren. Das Ergebnis sind Zeichnungen und 3D-Modelle, die die Designabsicht eindeutig kommunizieren, ohne Interpretationsspielraum zu lassen.

Für Entwicklungsleiter bedeutet das einen messbaren Vorteil: Bauteile, deren Toleranzen nach dem FFF-Prinzip mit GD&T spezifiziert sind, verursachen weniger Rückfragen in der Fertigung und weniger Beanstandungen in der Qualitätsprüfung. TECHNIA unterstützt Sie dabei, dieses Prinzip systematisch in Ihre CAD-Umgebung und Ihre Entwicklungsprozesse zu integrieren.

Das Produktdesign wurde in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten durch CAD bereits stark beschleunigt. Heute muss der Eindruck entstehen, dass zuletzt ein wahrer Turbo hinzugeschaltet wurde. Die Gründe dafür sind offensichtlich: Zum einen verlangen die globalen Herausforderungen wie der Klimawandel zeitnah neue und innovative Lösungen, vor allem in der Energieerzeugung und -versorgung, beim Wohnen und in der Mobilität. Zum anderen hat sich der Endverbraucher daran gewöhnt, in immer kürzeren Abständen neue, bessere Produkte angeboten zu bekommen – sei das das E-Bike oder das Smartphone. Entwickler und Konstrukteure sind auf der Zeitschiene also mehr denn je gefragt. Um die entscheidenden Kriterien Funktionalität und Ästhetik zu verbinden – und eine wirtschaftliche Fertigung zu gewährleisten – werden sie künftig noch stärker vernetzt in Teams arbeiten. CAD ist dafür Ursache und Lösung in einem.

Ungeheure Datenmengen

Eine weitere Herausforderung: CAD-Systeme produzieren eine enorme Menge an Daten. Bei Millionen von Komponenten, Baugruppen und Zeichnungen können Unternehmen schnell den Überblick verlieren. Fatale Fehler sind die mögliche Folge. Gefragt ist also ein intelligentes und sicheres CAD-Datenmanagement.

Produktdaten-Qualität (PDQ)

Die Anforderungen an die Produktdaten-Qualität sind nicht zu unterschätzen. Hier kann ein CAD-Qualitätsprüfprogramm hilfreich sein.

Nein, alle CAD-Modelle werden in ihrem ursprünglichen Datenformat auf der 3DEXPERIENCE Plattform gespeichert. Das bedeutet, Sie können vergangene und zukünftige Konstruktionen ohne Konvertierung verwalten und etablierte Prozesse und Methoden weiterhin nutzen.

Nein, ein Webbrowser und der Zugriff auf die 3DEXPERIENCE-Plattform sind im Allgemeinen ausreichend, um die Daten anzuzeigen und zu analysieren. Die ursprüngliche CAD-Software muss nicht einmal auf Ihrem Computer installiert sein. Das bedeutet, dass alle Benutzer mit den erforderlichen Zugriffsrechten jederzeit und überall in Echtzeit auf die neuesten Daten zugreifen können. Zusätzlich zur Anzeige der 3D-Geometrie im integrierten Multi-CAD-Viewer „3DPlay“ kann der „Product Structure Explorer“ verwendet werden, um Baugruppenstrukturen zu untersuchen, und der „Product Structure Editor“ kann sogar verwendet werden, um diese zu erstellen und zu bearbeiten.

Die 3DEXPERIENCE Multi-CAD-Integration ist sowohl für Android als auch für iOS verfügbar.

Im Wesentlichen benötigen Sie lediglich einen Webbrowser und Zugriff auf die 3DEXPERIENCE-Plattform. Die Apps CATIA 3DCompose und ENOVIA 3DNavigate bieten umfangreiche Funktionen zum Messen, Erstellen von Schnitten, Erstellen von Markierungen und Filtern der Modellanzeige.

Um CAD zu lernen, wird die Teilnahme an Schulungen für spezifische Software wie CATIA, SOLIDWORKS oder NX empfohlen. Diese Kurse bieten strukturierte Lerninhalte und praktische Übungen, um fundiertes Wissen über die Funktionen und Arbeitsabläufe dieser CAD-Programme zu erlangen. Online-Ressourcen wie Tutorials und Schulungsvideos können ebenfalls genutzt werden, um das Verständnis zu vertiefen und die Fähigkeiten weiter zu verbessern.

Bleistift, Lineal und Zeichenbrett sind heute praktisch museumsreif – zumindest aus Sicht der Konstrukteure. CAD-Lösungen haben ihre Arbeit revolutioniert. Was viele nicht wissen: Diese revolutionäre Innovation begann vor über 60 Jahren. Ihre Ursprünge sind primär mit dem Namen Ivan Sutherland verbunden. Anfang der 1960er-Jahre entwickelte der Amerikaner das Programm „Sketchpad“ zum schnellen und einfachen Erstellen von Skizzen im Rahmen seiner Doktorarbeit am renommierten MIT.

Angesichts der großen Bandbreite an Marken, Funktionen, Rollen und Anwendungen variieren die Preise für CAD-Software stark. Im Groben sollten Sie mit mehreren tausend Euro pro Lizenz rechnen. Einige Hersteller bieten jedoch erschwingliche Einstiegsmodelle für Start-ups und Hobbyanwender an. Einige große Anbieter stellen auch Online-Angebote oder Angebote CATIA oder für SOLIDWORKS zur Verfügung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Objekte darzustellen. Die gängigsten sind Kantenmodelle (auch Drahtgittermodelle genannt), Flächenmodelle und Volumenmodelle. Wie der Name schon sagt, ist das Drahtgittermodell ein Skelett aus Punkten, Linien und Kurven ohne Volumen- oder Oberflächeninformationen. Es zeigt lediglich die Verbindungen zwischen definierten Punkten. Es ist eine einfache dreidimensionale Darstellung. Sein Vorteil ist, dass es vergleichsweise wenig Rechenleistung und Zeit benötigt.

Basis für das Flächenmodell

Das Drahtgittermodell dient als Basis für das Flächenmodell. Hier erscheinen die sichtbaren Oberflächen als miteinander verbundene, farbige Polygone. Es ist eine sehr realistische Darstellung, aber das Objekt ist nur als „Hülle“ vorhanden. Dies unterscheidet es vom Volumenmodell, das die Ergänzung zum Flächenmodell darstellt. Das Erscheinungsbild ist ebenso realistisch, aber es beinhaltet auch Eigenschaften wie Volumen, Gewicht usw. Dadurch kann das Volumenmodell als Prototyp dienen.

Ursprung und Kern der CAD-Software ist die Erstellung von technischen Zeichnungen bzw. Darstellungen als Grundlage für Entwicklung, Produktion und Optimierung. Im Falle von 2D-CAD wird aus geraden Linien, Kreisen usw. ein sogenanntes vektororientiertes Objekt erstellt. Um dies vollständig zu betrachten, sind Vorder-, Ober- und Seitenansicht erforderlich.

Alle drei Raumrichtungen:
Die 3D-Modellierung ermöglicht eine realistische Darstellung in Verbindung mit einem besseren räumlichen Verständnis. Das generierte Modell kann in allen drei Raumrichtungen betrachtet werden. Verschiedene Operationen, wie Drehen, Skalieren oder Verjüngen, sind mit wenigen Klicks möglich. Da diese Operationen teilweise sehr hohe Rechenleistung erfordern, wird für die Nutzung dieser Art von Software Hardware empfohlen, die speziell für die Konstruktion entwickelt wurde.