Programmierung von CAx-Systemen

David Straub

Gliederung

1. Einführung
2. Topologie
3. Geometrie
4. Modellierungsstrategien
5. Datenaustausch
6. Simulation
7. Optimierung
8. Fertigung

Modellierungsstrategien I

• Feature-basiertes Modellieren
• Konstruktionsebenen (Workplanes)
• Extrude: 2D-Profil → 3D-Körper
• Revolve: Rotationskörper aus Halbprofil
• Parametrische Modelle: Maße als Variablen

Durchgängiges Beispiel: prismatische und zylindrische Batteriezellen

Feature-basiertes Modellieren

Modell als Abfolge von Features

Feature = eine atomare Modellierungsoperation

Konstruktionsstrategie:

1. Grundform – einfachster Körper als Ausgangsbasis
2. Additive Features – Bosse, Rippen, Zapfen
3. Subtraktive Features – Bohrungen, Nuten, Taschen
4. Finishing – Verrundungen und Fasen zuletzt

Konstruktionsebenen (Workplanes)

box = bd.Box(40, 40, 10)

bd.Plane.XY                                    # Standardebene
bd.Plane.XY.offset(20)                         # verschoben um 20 mm
bd.Plane(box.faces().sort_by(bd.Axis.Z).last)  # ← aus Fläche ableiten
bd.Plane(origin=(0, 0, 15), z_dir=(0, 0, 1))  # beliebig definiert

Plane(face) ist die robuste Wahl: bleibt korrekt, auch wenn sich Parameter ändern.
Plane.XY.offset(10) wäre nach Box(..., height=12) schlicht falsch.

top = bd.Plane(box.faces().sort_by(bd.Axis.Z).last)
box += top * bd.Cylinder(5, 8, align=(bd.Align.CENTER, bd.Align.CENTER, bd.Align.MIN))

Platzieren und Musterfertigung

box = bd.Box(60, 60, 10)
top = bd.Plane(box.faces().sort_by(bd.Axis.Z).last)
a   = (bd.Align.CENTER, bd.Align.CENTER, bd.Align.MIN)  # sitzt AUF der Ebene

box += top * bd.Pos(20, 0) * bd.Cylinder(4, 8, align=a)

# Rechteckraster (3×3 Bohrungen)
box -= [top * loc * bd.Hole(radius=2, depth=10)
        for loc in bd.GridLocations(16, 16, 3, 3)]

# Lochkreis (6 Bohrungen)
box -= [top * loc * bd.Hole(radius=2, depth=10)
        for loc in bd.PolarLocations(radius=20, count=6)]

GridLocations(x_spacing, y_spacing, x_count, y_count) – zentriert um Ebenenursprung

Parametrische Modelle

z_tiefe, z_breite, z_hoehe = 27, 148, 91
t_radius, t_abstand        = 4, 97
a = (bd.Align.CENTER, bd.Align.CENTER, bd.Align.MIN)

zelle = bd.Box(z_tiefe, z_breite, z_hoehe, align=a)
oben  = bd.Plane(zelle.faces().sort_by(bd.Axis.Z).last)
zelle += oben * bd.Pos(0, -t_abstand / 2) * bd.Cylinder(t_radius, 5, align=a)
zelle += oben * bd.Pos(0, +t_abstand / 2) * bd.Cylinder(t_radius, 5, align=a)

→ Nur z_tiefe = 31 ändern → alles passt sich automatisch an ✓

Warum align=a beim Zylinder?
Standard-Zentrierung in Z bettet die Hälfte des Zapfens im Körper ein.
Align.MIN in Z lässt ihn vollständig auf der Ebene sitzen.

Übung 1: Prismatische Batteriezelle

Prismatische LFP-Zellen: Quadergehäuse, zwei Terminals oben.
Maße angelehnt an 100-Ah-Klasse.

Aufgabe 1.1 – Einzelne Zelle

Parameter: z_tiefe=27, z_breite=148, z_hoehe=91, t_radius=4, t_hoehe=5, t_abstand=97 (alle in mm)

1. Modellieren Sie das Gehäuse als quaderförmigen Körper. Die Stapelrichtung liegt in X, der Boden auf Z = 0.
2. Leiten Sie eine Konstruktionsebene von der Oberseite des Gehäuses ab.
3. Platzieren Sie die beiden Terminals auf dieser Ebene – je einer bei Y = ±t_abstand/2.

Denkfrage: Was passiert mit dem Volumen, wenn Sie den Zylinder nicht explizit auf der Fläche ausrichten?

Prüfen: round(zelle.volume) ≈ 364 890 mm³

Aufgabe 1.2 – Modulhalter

Parameter: n_zellen=6, spiel=0.5, wand=4, plattendicke=8 (mm)

1. Berechnen Sie die Plattenabmessungen so, dass zwischen je zwei Zellen und an beiden Rändern eine Wand der Stärke wand bleibt.
2. Erzeugen Sie die Halterplatte.
3. Erzeugen Sie einen rechteckigen Ausschnitt für eine Zelle (mit Spiel auf jeder Seite).
4. Subtrahieren Sie n_zellen Ausschnitte in gleichmäßigen Abständen.

Prüfen: n_zellen = 8 setzen – passt sich das Modell automatisch an?

Aufgabe 1.3 – Baugruppe (Zusatz)

Setzen Sie n_zellen Zellen in den Halter ein – als Baugruppe, nicht als verschmolzener Körper.

• Wann Compound, wann + (Boolesche Union)? Was wäre der Unterschied?

Extrude & Revolve

build123d: Compound-Typen mit fester Dimension

Polyline / Line / Arc → Wire → make_face() → Sketch → extrude() / revolve() → Part

Alle drei sind Unterklassen von Compound – benannte Container für Geometrie einer Dimension.
Curve ist hauptsächlich im Builder-Modus relevant; im Functional API arbeitet man direkt mit Wire.

extrude() – Profil zu Körper

bd.extrude(profil: bd.Sketch, amount: float) -> bd.Part

Das Profil muss eine geschlossene Fläche (Sketch) sein – kein Wire, keine Curve.

wandstaerke, breite, hoehe, laenge = 1.5, 27, 91, 148

aussen = bd.Polyline((0, 0), (breite, 0), (breite, hoehe), (0, hoehe), (0, 0))
innen  = bd.Polyline(
    (wandstaerke,        wandstaerke),
    (breite-wandstaerke, wandstaerke),
    (breite-wandstaerke, hoehe-wandstaerke),
    (wandstaerke,        hoehe-wandstaerke),
    (wandstaerke,        wandstaerke),
)
gehaeuse = bd.extrude(bd.make_face(aussen), laenge) - bd.extrude(bd.make_face(innen), laenge)

→ Dünnwandiges Zellengehäuse (27 × 91 mm Querschnitt, Wandstärke 1,5 mm)

revolve() – Rotationskörper

bd.revolve(profil, axis=bd.Axis.Z, revolution_arc=360) -> bd.Part

Das Profil muss vollständig auf einer Seite der Rotationsachse liegen.

profil = bd.Plane.XZ * bd.make_face(bd.Polyline(
    (8, 0), (20, 0), (20, 5), (8, 5), (8, 0)
))
scheibe = bd.revolve(profil, axis=bd.Axis.Z)               # 360° → Ringscheibe
bogen   = bd.revolve(profil, axis=bd.Axis.Z, revolution_arc=270)  # ¾-Körper

Halbprofil-Schema:

• x in 2D → radialer Abstand von der Achse
• y in 2D → Höhe entlang der Achse
• Profil in XY definieren → Plane.XZ * transformiert in XZ-Ebene

Warum make_face()?

revolve() erwartet eine Fläche – keine Kurve, keinen Draht.

Polyline / Line / Arc   →   Wire (offene oder geschlossene Kurve)

                ↓  make_face()

             Sketch (Fläche, die revolve() einlesen kann)

Geschlossene Kurve → Fläche → Rotationskörper: das ist die feste Abfolge.

make_face() – Kurve zu Fläche

# Polyline muss geschlossen sein (letzter Punkt = erster Punkt)
profil = bd.make_face(
    bd.Polyline((0, 0), (30, 0), (30, 50), (0, 50), (0, 0))
)

Beliebige Kurventypen kombinieren:

kurve = (
    bd.Line((0, 0), (30, 0))
    + bd.RadiusArc((30, 0), (30, 40), 60)
    + bd.Line((30, 40), (0, 40))
    + bd.Line((0, 40), (0, 0))
)
profil = bd.make_face(kurve)

Übung 2: Zylindrische Batteriezelle (18650)

18650: ∅ 18 mm, Höhe 65 mm – meistverwendeter zylindrischer Zellentyp (Tesla, BMW, Laptops, E-Bikes)

Nachfolger 2170, 4680: nur Parameter anpassen, Code identisch.

Aufgabe 2.1 – Halbprofil und Revolve

Parameter: r_aussen=9.0, h_zelle=65.0, r_terminal=2.5, h_terminal=1.0 (mm)

1. Skizzieren Sie den Querschnitt der Zelle auf Papier: voller Außenradius über die Höhe, oben ein kleiner Terminal-Nub mit engerem Radius.
2. Übersetzen Sie diesen Querschnitt in eine geschlossene Polyline (x = Radius, y = Höhe).
3. Erzeugen Sie daraus ein Profil in der XZ-Ebene und drehen Sie es um die Z-Achse.

Prüfen: Wie viele Flächen hat zelle_rund? Welche geom_type-Werte kommen vor?

Variation: Ändern Sie auf 2170-Maße – was muss angepasst werden?

Aufgabe 2.2 – Crimping-Nut (Zusatz)

Zylindrische Zellen haben am oberen Rand eine umlaufende Einschnürung (Crimping), die Deckel und Dose verbindet. Sie ist ca. 0,5 mm tief und 2 mm hoch.

Subtrahieren Sie diese Nut mit demselben Ansatz wie die Zelle selbst: Profil → revolve → -=.

Prüfen: Welchen geom_type haben die neuen Flächen an der Nut?

Aufgabe 2.3 – Zylindrisches Modul (Zusatz)

Zylindrische Zellen im Sechseckraster (dichteste Packung):

# HexLocations(radius, x_count, y_count)
# Mindestabstand zwischen Zellmitten = 2 * radius
locs_hex = bd.HexLocations(r_aussen + 1, 3, 3)
modul    = bd.Part() + [loc * zelle_rund for loc in locs_hex]

1. Wie viele Körper zählt len(modul.solids())?
2. Auf 5×5 vergrößern – welche Parameter ändern sich?
3. Vergleich mit GridLocations: welche Anordnung ist kompakter?

Zusammenfassung

Kernkonzepte dieser Einheit

Konstruktionsebenen

• Plane(face) → robust, parametrisch – bevorzugen
• align=(…, Align.MIN) → Objekt sitzt auf der Fläche, nicht halb darin

Extrude / Feature-basiert

• GridLocations, PolarLocations → Musterfertigung in einer Zeile
• Maße als Variablen → ein Parameter ändern = Modell aktualisiert sich

Revolve

• Halbprofil in XY → Plane.XZ * → make_face → revolve(…, axis=Axis.Z)
• geom_type der Flächen verrät, welche Geometrie OCCT intern speichert