Programmierung von CAx-Systemen

Wintersemester 2026/27

David Straub

Ziel dieser Lehrveranstaltung

Die Studierenden erwerben ein fundiertes Verständnis der geometrischen Grundlagen der 3D-Modellierung sowie der algorithmischen Erzeugung und Optimierung von CAD-Geometrien.

Sie lernen, parametrische Modelle mithilfe geeigneter Programmiersprachen oder Skriptumgebungen zu erstellen, modellierungsrelevante Abläufe zu automatisieren und bestehende Workflows hinsichtlich Effizienz und Robustheit zu verbessern.

Zudem entwickeln sie Kompetenzen im Zusammenspiel von skriptbasierter Geometrieerzeugung und grafischen CAD-Umgebungen.

Modulhandbuch SoSe 2026, TBM 2.2

Kurz gesagt

Sie lernen, 3D-Bauteile mit Python-Code zu bauen statt mit der Maus – damit Modelle automatisch anpassbar, testbar und optimierbar werden.

Am Ende des Semesters: ein eigenes Batteriemodul, das Sie über Monate parametrisch aufgebaut, gegen die Zellquellung simuliert und auf Energiedichte optimiert haben.

Heute

• Kennenlernen
• Organisatorisches & Prüfung
• Das Begleitbuch
• Motivation: warum Code statt Maus?
• Pause
• Umgebung einrichten
• Versionsverwaltung mit Git
• Erstes Teil: die Modul-Grundplatte

Organisatorisches

Rahmendaten

• Termin: 13:30–16:45 Uhr, Pause 15:00–15:15 Uhr, Raum B254
  • SU und Ü nicht streng getrennt – fließender Wechsel je nach Thema
  • Raum B358 (KCA-Labor) ebenfalls verfügbar
• Hardware: eigenes Laptop oder Laborrechner
• Prüfung: schriftlich, 90 Minuten

Das Praktikum

• Sie bauen ein Batteriemodul aus Pouch-Zellen – dasselbe Teil wächst das ganze Semester
• Jede Einheit endet mit einer Referenzlösung; die nächste startet darauf auf sauberem Stand
• Unbenotet – gepushter Code heißt: ich schaue drauf und helfe gezielt
• Zugang zu Ihrem Projekt-Repository:

Das Begleitbuch

• Nachschlagewerk für alle Kursthemen – mehr Tiefe, als die Sitzungen leisten
• Buch auf Englisch, Kurs und Klausur auf Deutsch – die deutsche Fachterminologie kommt aus den Folien
• Sauberen Python-Code und Ihr eigenes Projekt vertiefen wir im Kurs
• Leseauftrag: jede Sitzung endet mit einem Buchkapitel zur Vorbereitung – heute Kapitel 1

CAD as Code · D. M. Straub, HM · doi.org/10.60948/OPUS-1358

Motivation

Parametrische Modellierung – als Code

Parametrisch heißt: Sie beschreiben ein Rezept – die Form ergibt sich aus Variablen und Beziehungen. Ändert sich ein Parameter, rechnet sich das Modell neu.

In CAD-Programmen lebt das im Feature-Baum und in der Bemaßung. Bei uns wird das Rezept explizit: lesbarer Code.

• Ein Parametersatz → viele Varianten (Produktfamilien)
• Der Code ist die vollständige, nachvollziehbare Bauanleitung

Warum Code statt Maus?

GUI-Modellierung stößt an Grenzen:

• Schritte schwer nachvollziehbar
• Wiederholungen von Hand, fehleranfällig
• jede Variante eine eigene Datei

Mit Code:

• Versionsverwaltung – jede Änderung nachvollziehbar, Teamarbeit über Branches
• Automatisierung – Wiederholaufgaben einmal programmiert, reproduzierbar
• Optimierung – den Rechner die beste Variante finden lassen

Beispiel: alle Varianten auf einmal

# Alle Endplatten-Stärken automatisch durchrechnen:
for plattenstaerke in [4.0, 6.0, 8.0, 10.0]:
    modul = modell(plattenstaerke)
    print(plattenstaerke, "mm →", masse(modul), "g")

Eine Schleife rechnet alle vier Varianten in einem Durchlauf.

Ein Optimierer findet am Ende die leichteste tragfähige Variante selbst – jedes Gramm Struktur senkt die Energiedichte.

Hardware entwickeln wie ein Software-Team

Ein Bauteil als Code zu beschreiben bringt Werkzeuge in die Konstruktion, die die Softwarewelt seit Jahrzehnten nutzt – und die klassisches CAD nicht kennt. Sie zu beherrschen ist ein echter Teil dessen, was Sie mitnehmen:

• Versionsverwaltung (Git) – jeder Stand nachvollziehbar, gezielte Änderungen (heute)
• Automatisiertes Testen – das Modell prüft seine Maße bei jeder Änderung (Einheit 7)
• Continuous Integration – die Prüfung läuft bei jedem Push (Einheit 7)
• Robustheit & Optimierung – Grenzfälle abfangen, beste Variante suchen (Einheiten 9, 11)

Warum Python?

• Allzweck-Sprache aus Informatik 1 – quelloffen, plattformunabhängig, weltweit meistgenutzt
• Großes Ökosystem: die Bausteine für den ganzen CAx-Weg liegen bereit – Numerik (NumPy/SciPy), Vernetzung & FEM (Gmsh, scikit-fem), Tests (pytest)

Was ist CadQuery?

• CadQuery – eine quelloffene Python-Bibliothek für skriptbasiertes, parametrisches CAD
• Baut auf OpenCascade (OCCT) auf: demselben quelloffenen CAD-Kernel – dem Geometrie-Rechenkern –, den auch FreeCAD verwendet
• Erzeugt echte, exakte Geometrie: dieselbe, die CAD-Systeme wie FreeCAD, Fusion oder CATIA per STEP austauschen

Was ein „Kernel“ genau ist, klären wir unterwegs – heute genügt: CadQuery erzeugt die Geometrie, wir schreiben das Rezept dafür.

Herkunft: quelloffenes, skriptbares CAD

CadQuery verbindet beide Stränge: code-first wie OpenSCAD, auf dem exakten Kernel (OCCT) wie FreeCAD.

Gliederung

1. Einführung
2. Topologie
3. Grundformen
4. Kurven
5. Freiformgeometrie
6. Profile
7. Codequalität
8. Datenaustausch
9. Robustheit
10. Simulation
11. Optimierung

Pause

Umgebung einrichten

Python

• KCA-Rechner: Download von WinPython 3.13, entpacken ins Benutzerverzeichnis
• Windows: Python Install Manager (nicht Installer!)
• macOS: Python Installer
• Debian/Ubuntu: sudo apt install python3 python3-pip python3-venv

Virtuelle Umgebung

python -m venv cax-env          # Windows
python3 -m venv cax-env         # macOS/Linux

Aktivieren:

cax-env\Scripts\activate        # Windows
source cax-env/bin/activate     # macOS/Linux

Pakete installieren

python -m pip install cadquery==2.8.0 ocp-vscode

Die Version pinnen wir (==2.8.0), damit bei allen dasselbe Verhalten herauskommt.

OCP CAD Viewer in VS Code

• VS Code öffnen, Erweiterungen installieren:
  • Python
  • OCP CAD Viewer
• Interpreter wählen: cax-env\Scripts\python.exe (Windows) bzw. cax-env/bin/python (macOS/Linux)

Test

from cadquery import func as cf
import ocp_vscode

ocp_vscode.show(cf.box(30, 20, 10))

Erscheint ein Quader im Viewer-Panel: Setup erfolgreich.

Versionsverwaltung mit Git

Das Problem ohne Versionsverwaltung

skript_final.py
skript_final2.py
skript_final_neu.py
skript_final_neu_v3_STIMMT.py

Typische Fragen ohne Versionsverwaltung:

• Wie war der Code letzte Woche?
• Welche Version haben wir abgegeben?
• Was genau habe ich seit gestern geändert?

Git löst das: eine Historie aller Änderungen, an einem Ort, nachvollziehbar.

Es ist die erste der Software-Engineering-Methoden dieses Kurses – der Standard, mit dem weltweit entwickelt wird, und ab heute Ihr Arbeitsstand.

Grundkonzepte

Repository = Projektordner mit vollständiger Versionshistorie – bei uns: Ihr Projekt-Repository für das Semester

Commit = Snapshot des Projekts zu einem Zeitpunkt, mit Nachricht

* b3f92a1  Vier Befestigungslöcher ergänzt
* 7e4d5db  Grundplatte verrundet
* 704671c  Erste Version der Grundplatte

Push = Ihre Commits auf den Server hochladen – erst danach sehe ich sie

Ihr Repository holen

git clone <ihre-repo-url>
cd <repo>

Einmalig, jetzt gleich – danach arbeiten Sie nur noch lokal in diesem Ordner.

Grundbefehle

git add w01/                    # Änderungen zum nächsten Commit vormerken
git commit -m "Modul-Grundplatte" # Snapshot mit Nachricht erstellen
git push                        # Commits hochladen

• Ihr Projekt-Repository ist ab jetzt Ihr Arbeitsstand – jede Sitzung endet mit einem Push
• Referenzlösungen kommen ebenfalls per Git zu Ihnen (git pull)
• Mehr Tiefe (.gitignore, Branches, Merge Requests) im Selbststudium: X1 Versionsverwaltung

Erstes Teil: die Modul-Grundplatte

Grundkörper: box

from cadquery import func as cf

grundplatte = cf.box(170, 110, 6)

• Erzeugt einen Quader mit den angegebenen Maßen in mm
• In x/y um den Ursprung zentriert; steht auf der xy-Ebene (z = 0 … 6)

Kanten auswählen und verrunden

grundplatte = grundplatte.fillet(6, grundplatte.edges("|Z"))

• edges("|Z") wählt alle Kanten parallel zur Z-Achse (die vier senkrechten)
• fillet(radius, kanten) verrundet genau diese

Warum genau diese Kanten? Dazu mehr in der nächsten Einheit (Topologie).

Grundkörper: cylinder, Positionierung

loch = cf.cylinder(d=5, h=10).moved(cf.Location((75, 45, -2)))
grundplatte = grundplatte - loch

• Location(x, y, z) definiert eine Position im Raum (in mm)
• moved(...) verschiebt eine Kopie – das Original bleibt unverändert
• - erzeugt eine boolesche Differenz
• Der Bohrer (h = 10) ragt oben und unten über die 6 mm dicke Platte hinaus – ein Schnitt genau auf einer Fläche macht später Ärger

Aufgabe: vier Befestigungslöcher

Ergänzen Sie die Grundplatte um vier Bohrungen (d = 5 mm) in den Ecken, mit Abstand zum Rand – auf ihr steht später der Zellstapel.

grundplatte.exportStep("w01/grundplatte.step")

Committen und pushen Sie w01/ – das ist Ihr erster Beitrag zum Semesterprojekt.

Abschluss

Leseauftrag & Ausblick

• Leseauftrag: Buch Kapitel 1–2
• Wer mehr will: ein eigenes Wunschteil aus Box, Zylinder und Bohrungen bauen und pushen
• Nächste Woche: Topologie – Aufbau der heute gebauten Grundplatte im Detail: Flächen, Kanten, Ecken, ihre Hierarchie
• Bis dahin: w01/ committet und gepusht; bei Setup-Problemen vor W2 melden