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

Datenaustausch

• Formate: STEP, BREP, STL – wofür welches
• Assembly: Teile getrennt halten – Namen, Farben, Baum
• BOM: Stückliste direkt aus der Baugruppe
• Release-Pipeline: ein Skript erzeugt alle Liefer-Artefakte

Durchgängiges Beispiel: die Wochenteile werden eine Baugruppe – exportiert und mit Stückliste

Rückblick: lauter Einzelteile

Sieben Wochen: Grundplatte, Zellen, Endplatten, Zuganker, Cold Plate.

Bisher haben Sie Teile mit + zu einem Körper verschmolzen. Für den Austausch muss mehr mit:

• welches Teil eine Kaufzelle ist und welches Eigenfertigung
• Stückliste, Farben und Namen

Heute: Teile getrennt zusammenhalten – als Baugruppe.

Theorie A: Formate und Assembly

Dateiformate: wofür welches

B-Rep hält exakte Kurven und Flächen; Mesh nähert sie durch Dreiecke an.

STEP – der Industriestandard

ISO 10303 – universeller Austausch für CAD-Daten:

• Exakte Geometrie (Kurven, Flächen, Volumen)
• Produktstruktur: Baugruppe mit Unterkomponenten
• Metadaten: Farben, Namen, Einheiten

Alle professionellen Systeme lesen STEP (FreeCAD, Fusion 360, CATIA, NX). Faustregel: STEP, wenn das Modell woanders weiterbearbeitet wird.

Assembly: Teile getrennt halten

Ein + verschmilzt Körper zu einem. Eine Baugruppe hält sie getrennt – jedes Teil mit Name, Farbe und Platz im Baum:

import cadquery as cq
from cadquery import func as cf

cq.Assembly und cq.Color liegen im Top-Level cadquery, nicht in cadquery.func – es ist eine Struktur-Ebene über den Shapes, keine neue Geometrie-Operation.

Baugruppe bauen

def modul(p: ModulParam) -> cq.Assembly:
    assy = cq.Assembly(name="pouch_modul")
    assy.add(grundplatte, name="grundplatte", color=cq.Color("gray"))
    zelle = zelle_bauen(p)
    for i in range(p.n_zellen):
        loc = cf.Location((0, 0, 10 + i * (p.zell_t + p.spacer)))
        assy.add(zelle, name=f"zelle_{i}", color=cq.Color("steelblue"), loc=loc)
    return assy

• add(shape, name=, color=, loc=) hängt ein Teil in den Baum
• Die Zellen kommen per Schleife über Locations – dasselbe Muster wie beim Stapel

Verschachteln: Modul → Pack

Ein Kind einer Baugruppe darf selbst eine Baugruppe sein – der Baum ist wörtlich gemeint:

def pack(p: ModulParam, n_module: int = 2) -> cq.Assembly:
    packung = cq.Assembly(name="pack")
    for i in range(n_module):
        packung.add(modul(p), name=f"modul_{i}", loc=cf.Location((0, i * 130, 0)))
    return packung

print([c.name for c in pack(ModulParam()).children])   # ['modul_0', 'modul_1']

Die Lage komponiert den Baum hinab: jedes Modul wird einmal platziert, seine Zellen bleiben relativ dazu.

Praktikum A: das Modul als Baugruppe

Aufgabe 1: Baugruppe aus den Wochenteilen

Bauen Sie modul(p) als Baugruppe mit allen Teilen der letzten Wochen: Grundplatte, 12 Zellen, 2 Endplatten, 4 Zuganker, Cold Plate.

1. Jedes Teil mit sprechendem Namen und eigener Farbe.
2. len(assy.children) – stimmt die Teilezahl?

Hinweise: cq.Assembly(name=...), .add(shape, name=, color=cq.Color(...), loc=), die Zellen per Schleife über cf.Location

Aufgabe 2: STEP exportieren

Exportieren Sie die Baugruppe nach w08/pouch_modul.step und öffnen Sie die Datei in FreeCAD.

1. Sind Namen und Farben erhalten?
2. Erscheint der Baum mit allen Teilen?

Hinweise: assy.export(pfad); FreeCAD ist frei installierbar (freecad.org) – zum Prüfen, nicht zum Modellieren

Theorie B: BOM, Caching, Release

BOM: Stückliste aus der Baugruppe

Die Baugruppe ist die Stückliste – man muss sie nur auszählen. Counter zählt gleiche Werte:

from collections import Counter

# Namen heißen "zelle_0", "zelle_1", … – der Teil vor dem "_" ist der Typ:
typen = [c.name.split("_")[0] for c in assy.children]
bom = Counter(typen)              # {"zelle": 12, "endplatte": 2, ...}

for typ, anzahl in bom.items():
    print(f"{anzahl}x  {typ}")

1x  grundplatte
12x  zelle
2x  endplatte
4x  zuganker
1x  coldplate

"zelle_3".split("_") ergibt ["zelle", "3"], [0] nimmt das erste Stück. Die Stückliste entsteht aus dem Modell – sie kann nicht veralten.

BREP: schnell und verlustfrei – für sich selbst

koerper.exportBrep("stapel.brep")
wieder = cf.Shape.importBrep("stapel.brep")

• BREP ist das rohe Dateiformat des Kernels; B-Rep die Darstellung darin (Kanten + Flächen)
• Speichert diese Struktur direkt – keine Konvertierung, kein Rundungsfehler
• Kein Industriestandard → nur für den Eigenbedarf: teure Zwischenergebnisse zwischenspeichern

STL: das Netz für Druck und FEM

assy.export("modul.stl", tolerance=0.1)

• assy.export erkennt am Suffix, welches Format – .step wie .stl
• Dreiecksnetz – die exakte Geometrie geht dabei verloren
• Ziel für 3D-Druck und FEM-Vernetzung; wie fein, entscheidet sich beim Simulieren

Release-Pipeline: alles aus einem Aufruf

Ein Skript erzeugt reproduzierbar alle Liefer-Artefakte – jede Zeile ein Aufruf, den Sie schon kennen:

def release(p: ModulParam, ordner: str) -> None:
    assy = modul(p)
    assy.export(f"{ordner}/modul.step")     # Austausch
    assy.export(f"{ordner}/modul.stl")      # Druck
    schreibe_bom(assy, f"{ordner}/bom.csv") # Stückliste (aus Aufgabe 3)

Aus einem Parametersatz fällt ein vollständiges, konsistentes Paket – der nächste Schritt nach der CI aus Einheit 7.

Praktikum B: Stückliste und Release

Aufgabe 3: BOM erzeugen

Schreiben Sie schreibe_bom(assy, pfad) – die Funktion, die Aufgabe 4 wieder aufgreift.

1. Zählen Sie die Teile Ihrer Baugruppe mit Counter aus.
2. Ergänzen Sie je Teil Material und Masse (Dichte × Volumen) – schreiben Sie die BOM als CSV.

Hinweise: import csv, dann csv.writer(open(pfad, "w", newline="")) und .writerow([...]) je Zeile; Dichten in einem dict je Materialname

Aufgabe 4: Release-Funktion

Fassen Sie STEP, STL und Ihre BOM aus Aufgabe 3 zu einer Funktion release(p, ordner) zusammen. Der eigentliche Test ist die Reproduzierbarkeit:

1. Rufen Sie release für zwei ModulParam-Varianten auf (n_zellen=12 und 16) in getrennte Ordner.
2. Vergleichen Sie die zwei bom.csv: unterscheidet sich nur die Zellzahl, oder auch anderes?
3. Löschen Sie einen Ordner und erzeugen Sie ihn neu – sind die Dateien identisch?

Aufgabe 5 (Zusatz): Platzierung lösen statt rechnen

Lassen Sie die Zell-Höhe vom Solver bestimmen: Grundplatte und eine Zelle mit Platzhalter-Position in eine Baugruppe legen, die Zell-Unterseite mit der Plattenoberseite verknüpfen, lösen.

Hinweise: flaeche = platte.faces(">Z"), dann .constrain("platte", flaeche, "zelle", zelle.faces("<Z"), "Plane"), .solve(); die Lage danach über next(c for c in paar.children if c.name == "zelle").loc

Abschluss

Leseauftrag & Ausblick

• Leseauftrag: Buch Kapitel 9
• Wer mehr will: die Baugruppe zu einem pack() aus mehreren Modulen verschachteln und exportieren
• Nächste Woche: Robustheit – wenn Parameter das Modell sprengen: stille Kernel-Fehler, isValid() vs. richtig, Validierung vor dem Bauen
• Bis dahin: w08/ (Baugruppe + STEP + BOM) committet und gepusht