Programmierung von CAx-Systemen

David Straub

Gliederung

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

Profile

• Loft: ein Körper zwischen zwei Profilen
• Sweep: ein Profil entlang eines Pfades
• Boolean, Fillet/Chamfer: Körper kombinieren und finishen

Durchgängiges Beispiel: der Kühlkanal der Cold Plate – aus den Profilen von Einheit 5 wird ein Körper, dann wandert der Kanal durch die Platte

Rückblick: zwei Kanalprofile

Letzte Woche gebaut: Einlass- und Auslass-Querschnitt als geschlossene Splines.

Bislang sind das nur Kurven in der Ebene. Heute:

• aus den zwei Profilen wird ein verjüngter Kanal (Loft)
• ein konstantes Profil wandert als Serpentine durch die Platte (Sweep)
• der Kanal wird aus der Cold Plate ausgeschnitten (Boolean)

Theorie A: Loft

Loft: ein Körper zwischen Profilen

from cadquery import func as cf

kanal = cf.loft([w_einlass, w_auslass], cap=True)

• loft interpoliert eine Fläche zwischen den Querschnitten
• Eingang: Wires oder Faces in verschiedenen Ebenen
• cap=True schließt die Enden → ein Solid

Shell oder Solid?

Der Standard ist cap=False – aus Wires kommt ohne Zutun eine Hülle zurück, kein Volumen.

Faustregel: Face rein → Solid raus. Wer mit Wires arbeitet, setzt cap=True.

Ruled vs. smooth

cf.loft([w1, w2, w3], ruled=True)    # Regelflächen
cf.loft([w1, w2, w3], ruled=False)   # glatt (Standard)

• ruled=True: gerade Verbindungslinien, Knick an jedem Profil ($C^0$) – rechts die sichtbare Kante am mittleren Querschnitt
• ruled=False: tangentenstetiger Übergang ($C^2$), eine glatte BSPLINE-Fläche (Einheit 5)

Der cap-Stolperstein: gültig, aber falsch

solid = cf.loft([w1, w2], cap=True)    # Volumen 15932 mm³
shell = cf.loft([w1, w2], cap=False)   # Volumen  3794 mm³ (!)
print(solid.isValid(), shell.isValid())  # True True

• Ohne cap bleibt eine offene Shell – isValid() meldet trotzdem True
• Sie meldet als „Volumen“ ihre Oberfläche: Volume() und Area() liefern dieselbe Zahl

isValid() heißt gültig, sagt aber nichts über richtig. Der verlässliche Test ist len(Solids()) == 1.

Praktikum A: verjüngter Kühlkanal (Loft)

Aufgabe 1: Die zwei Profile loften

Verbinden Sie Ihre beiden Profile aus Einheit 5 zu einem Körper – den Auslass 40 mm über dem Einlass.

1. Erzeugen Sie den Kanal und prüfen Sie Volumen und Flächenzahl.
2. Vergleichen Sie ruled=True und ruled=False – wo sitzt der Knick?

Hinweise: .translate((0, 0, 40)) hebt den Auslass an, cf.loft([...], cap=True), .Volume(), .Faces()

Aufgabe 2: Die cap-Falle selbst sehen

Bauen Sie denselben Loft noch einmal mit cap=False.

1. Was meldet isValid()? Was das Volumen?
2. Wie viele Faces hat die Shell, wie viele der Solid mit cap=True?
3. Diskussion: Woran würden Sie im Code merken, dass hier etwas nicht stimmt?

Hinweise: .isValid(), .Volume(), .Faces(), .Solids()

Theorie B: Sweep, Boolean, Fillet

Sweep: ein Profil entlang eines Pfades

profil = cf.face(cf.circle(3)).moved(pfad.locationAt(0.0))
kanal  = cf.sweep(profil, pfad)

• sweep zieht ein konstantes Profil entlang einer Pfadkurve
• pfad.locationAt(0.0) liefert das Koordinatensystem am Pfadstart – dort quer zur Tangente
• Ein Face als Profil liefert einen Solid – dieselbe Regel wie beim Loft

Wenn der Pfad in der Profilebene liegt

Der Pfad muss die Profilebene durchstoßen. Schräg genügt: 45° liefert einen sauberen Körper, nur mit schiefwinkligem Querschnitt. Läuft der Pfad dagegen in der Ebene, entartet der Sweep – isValid() ist True, Solids() hat ein Element, Volume() ist 0.

Ecken im Pfad: transition

cf.sweep(profil, pfad, transition="round")

• transformed (Standard): Gehrungsschnitt
• right: scharf rechtwinklig
• round: abgerundet

Am 90°-Knick durchdringt sich der Querschnitt beim Standard selbst und schnürt die Röhre zu. Das Volumen wird negativ – isValid() bleibt True. Bei engen Serpentinen ist round die sichere Wahl.

Boolean und Fillet

+, -, & sind Union, Cut und Intersect – im Einsatz seit Einheit 1:

cold_plate = plate - kanal          # Kanal aus der Platte schneiden
cold_plate = cold_plate.fillet(3.0, cold_plate.edges("|Z"))

Finishing (Fillet/Chamfer) kommt zuletzt – der Grund aus Einheit 3: Selektoren fragen den aktuellen Stand ab.

Praktikum B: Serpentinen-Kanal in der Cold Plate

Aufgabe 3: Ein gerader Kanal

Die Cold Plate ist 120 × 80 × 12 mm. Ziehen Sie zunächst einen runden Kanal (⌀ 6 mm) geradlinig durch ihre Mittelebene, von Rand zu Rand.

1. Erzeugen Sie ihn; prüfen Sie isValid(), len(Solids()) und Volume().
2. Nehmen Sie einmal ein Profil in der XY-Ebene ohne Ausrichtung am Pfadstart. Was melden die drei Prüfungen jetzt?

Hinweise: cf.circle + cf.face für das Profil, pfad.locationAt(0.0) richtet es aus, cf.sweep(profil, pfad)

Aufgabe 4: Die Serpentine

Ersetzen Sie den geraden Pfad durch die Serpentine rechts: zwei Spuren, eine Kehre.

1. Bauen Sie den Pfad als Spline und sweepen Sie erneut.
2. Vergleichen Sie transition="round" mit dem Standard.

Hinweise: cf.spline(*punkte), Punkte entlang der Spuren und um die Kehre verteilen

Aufgabe 5: Ausschneiden und verrunden

Schneiden Sie den Kanal aus der Cold Plate heraus.

1. Volumen vor und nach dem Schnitt – ist die Differenz plausibel?
2. Verrunden Sie die vier äußeren senkrechten Kanten.

Hinweise: cf.box(120, 80, 12), -, .fillet(r, ...edges("|Z")), .Volume(); die Kanalenden müssen über den Plattenrand hinausragen – ein Schnitt exakt auf der Randfläche hinterlässt Artefakte

Aufgabe 6 (Zusatz): Ein- und Auslass anschließen

Setzen Sie an die beiden Kanalenden je eine senkrechte Bohrung (Anschluss für den Kühlmittel-Schlauch).

Hinweise: pfad.locationAt(1.0) liefert das Koordinatensystem am Pfadende – daraus die Ebene für die Bohrung, wie in Einheit 3

Abschluss

Leseauftrag & Ausblick

• Leseauftrag: Buch Kapitel 7
• Wer mehr will: einen Multisection-Sweep bauen (Profil variiert entlang des Pfads) – Sweep und Loft in einer Operation
• Nächste Woche: Codequalität – Type Hints und Unittests für den Modul-Code: Massenbudget, Zell-Passung, CI auf Ihrem Repo
• Bis dahin: w06/ committet und gepusht