Programmierung von CAx-Systemen

David Straub

Gliederung

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

Datenaustausch

• STEP: Industriestandard für CAD-Interoperabilität
• BREP: Natives OpenCASCADE-Format zum Zwischenspeichern

Überblick: Dateiformate

Welches Format wofür?

B-Rep-Formate erhalten exakte Geometrie (Kurven, Flächen) –
Mesh-Formate approximieren sie durch Dreiecke.

STEP

STEP – Standard for the Exchange of Product Model Data

ISO 10303 – universeller Austauschstandard für CAD-Daten

• Exakte Geometrie (Kurven, Flächen, Volumenkörper)
• Produktstruktur: Baugruppen mit Unterkomponenten
• Metadaten: Farben, Labels, Maßeinheiten
• Unterstützt von allen professionellen CAD-Systemen (FreeCAD, Fusion 360, CATIA, …)

Faustregel: STEP verwenden, wenn das Modell in einem anderen CAD-Programm weiterbearbeitet werden soll.

STEP exportieren

from pathlib import Path
from build123d import Cylinder, Color, Shape, export_step

def exportiere_welle(radius: float, laenge: float, pfad: Path) -> bool:
    welle = Cylinder(radius, laenge)
    welle.color = Color("steelblue")
    welle.label = "Welle"
    return export_step(welle, pfad)

exportiere_welle(10, 80, Path("welle.step"))

STEP – Baugruppe exportieren

from pathlib import Path
from build123d import Box, Compound, Color, Location, Align, export_step

def baue_gehaeuse(l: float, b: float, h: float) -> Compound:
    deckel = Box(l, b, 5)
    deckel.color = Color("lightgrey")
    deckel.label = "Deckel"

    korpus = Box(l, b, h, align=(Align.CENTER, Align.CENTER, Align.MIN))
    korpus.color = Color("darkgrey")
    korpus.label = "Korpus"

    baugruppe = Compound(children=[deckel.moved(Location((0, 0, h))), korpus])
    baugruppe.label = "Gehäuse"
    return baugruppe

export_step(baue_gehaeuse(60, 40, 30), Path("gehaeuse.step"))

→ FreeCAD / Fusion 360 öffnet die Baugruppe mit Farben und Bauteilnamen.

STEP importieren

from pathlib import Path
from build123d import Compound, import_step

def lade_baugruppe(pfad: Path) -> Compound:
    return import_step(pfad)

modell: Compound = lade_baugruppe(Path("gehaeuse.step"))

for teil in modell.children:
    print(f"{teil.label}: {teil.bounding_box().size}")

import_step liefert immer ein Compound –
auch wenn die Datei nur einen einzigen Körper enthält.

BREP

BREP – Boundary Representation

OpenCASCADE-natives Format – verlustfrei und schnell

• Speichert exakt die interne Datenstruktur von build123d / OpenCASCADE
• Kein Informationsverlust, keine Konvertierung
• Kein Industriestandard → nur für den Eigenbedarf

Typischer Einsatz:

• Zwischenergebnisse langer Berechnungen speichern (Caching)
• Debugging: Modellzustand zu einem bestimmten Schritt festhalten

BREP vs. STEP

	BREP	STEP
Geometrie	exakt (keine Konvertierung)	exakt (standardisiert)
Kompatibilität	nur OpenCASCADE	universell
Farben / Labels	nein	ja
Geschwindigkeit	sehr schnell	etwas langsamer

STEP ist ebenfalls exakt – aber BREP überspringt die Konvertierung in das STEP-Format vollständig.
Kein Rundungsfehler, keine Toleranzentscheidung, keine Neuinterpretation.

BREP exportieren und importieren

from pathlib import Path
from build123d import Sphere, Shape, export_brep, import_brep

def speichere(form: Shape, pfad: Path) -> bool:
    return export_brep(form, pfad)

def lade(pfad: Path) -> Shape:
    return import_brep(pfad)

speichere(Sphere(25), Path("kugel.brep"))
kugel: Shape = lade(Path("kugel.brep"))

BREP – Caching

from pathlib import Path
from build123d import Box, Cylinder, Location, Shape, export_brep, import_brep

def berechne_lochplatte(n: int) -> Shape:
    platte: Shape = Box(200, 200, 10)
    for i in range(n):
        x, y = (i % 10) * 20 - 90, (i // 10) * 20 - 90
        platte -= Cylinder(4, 12).moved(Location((x, y, 0)))
    return platte
def lade_oder_berechne(cache: Path) -> Shape:
    if cache.exists():
        return import_brep(cache)
    ergebnis: Shape = berechne_lochplatte(n=50)
    export_brep(ergebnis, cache)
    return ergebnis

platte = lade_oder_berechne(Path("lochplatte.brep"))

Zweiter Aufruf: sofort – die Geometrie wird nicht neu berechnet.

Praktikum

Too Tall Toby – Modellierungsaufgaben

Too Tall Toby (TTT) ist eine bekannte Serie von CAD-Speedmodeling-Aufgaben.
Jede Aufgabe zeigt eine technische Zeichnung – das Ziel ist, das Bauteil nachzubauen und die angegebene Masse zu treffen.

Regeln:

• Keine Builder API (with BuildPart()) – nur Algebra-Modus
• Keine Referenzimplementierung anschauen
• Konstanten für alle Maße

Schema

from build123d import ...         # Importe
from ocp_vscode import show

HOEHE = 133.0                     # Konstanten
...

teil = ...                        # Implementierung

show(teil)                        # Visualisierung

dichte = 1020 / 1e6
assert abs(teil.volume * dichte - 57.08) < 1

Aufgabe 1: Paste Sleeve

build123d.readthedocs.io → TTT → Party Pack 01-05

• Material: ABS (ρ = 1,02 g/cm³)
• Ziel: 57,08 g (Toleranz ±1 g)

Aufgabe 1: Hinweise

Nützliche Operationen:

• SlotOverall(length, diameter) – Langloch-Profil (Länge Mitte-Mitte + Durchmesser)
• loft([sketch1, sketch2]) – Übergang zwischen zwei Profilen
• offset(amount=...) – Profil nach außen vergrößern
• Plane.XY.offset(z) – verschobene Arbeitsebene

Vorgehen:

1. Äußere Hülle: Loft von unterem zu oberem Profil
2. Innere Aussparung: Loft subtrahieren
3. Bodenflansch: extrude der Unterseite nach unten

Weitere Aufgaben (falls Zeit)