8.1. Computer-aided design

8.1.1 Definition, Möglichkeiten und Funktionsweise

Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit der Geschichte von CAD-Systemen und den Möglichkeiten, die in solch einem System stecken (CAD = computer-aided design. Deutsch: rechnerunterstütztes Konstruieren oder Zeichnen am Bildschirm). Nach der Einführung der ersten Personal Computer in den 1980er-Jahren installierten die Entwicklungsabteilungen der Verpackungsindustrie auch die ersten CAD-Systeme. Diese benötigten damals noch eine spezielle Hardware und waren mit der EDV von Verwaltung oder Produktion nicht kompatibel. Der Durchbruch und der Einzug in die meisten Entwicklungsabteilungen gelang in den 1990er-Jahren, als es möglich wurde, mit CAD-Programmen auf den inzwischen leistungsfähigeren Standard-PCs zu arbeiten.


Abb. 8.1: Beispiel einer CAD-Arbeitsfläche (Quelle: Eigene Darstellung)

Es gibt eine große Anzahl von CAD-Programmen für die verschiedensten Branchen. Das erste und wohl bekannteste System ist sicher AutoCAD. AutoCAD ist ein vektororientiertes Zeichenprogramm. Es kam Ende 1982 auf den Markt und hat inzwischen viele Updates hinter sich. Inzwischen gibt es ein breites Angebot verschiedener Hersteller von CAD-Programmen speziell für den Verpackungsbereich. Durch die Verwendung dieser CAD-Programme ist es heute möglich, Konstruktionen am Bildschirm zweidimensional (2D) wie auch dreidimensional (3D) zu entwickeln und darzustellen. CAD-Programme ermöglichen am Bildschirm auch Drehungen in drei Dimensionen. So kann das entwickelte Objekt aus jedem gewünschten Winkel betrachtet werden. CAD-Programme gibt es inzwischen für alle gängigen Betriebssysteme wie Windows, Mac OS X oder Linux. In der Regel ist dazu keine spezielle Hardware erforderlich. Die Bedienung erfolgt über eine Tastatur, durch Auswahlmenüs mittels Maus oder ein Grafiktablett (externe Menüauswahl). Für besondere Aufgaben (zum Abtasten von unregelmäßigen Konturen) kann auch ein Digitiser angeschlossen werden (Digitiser = Tablett zur Erfassung unregelmäßiger Punkte auf einer Vorlage). Die Tools (Werkzeuge) eines CAD-Programms sind branchenabhängig. Auch die Arbeitsweise ist sehr unterschiedlich. Anfangs wurde über Koordinatenangaben ohne grafische Unterstützung gearbeitet. Dann folgte das linienorientierte Arbeiten wie am Reißbrett. Heute ar-beitet man mehr flächen- oder körperorientiert. Bedingt durch die Vernetzung von CAD, ERP und DTP sowie die hohen Qualitätsansprüche moderner Abpackautomaten sind die Voraussetzungen und Anforderungen bei der Erstellung von Verpackungen gestiegen.

ERP = Enterprise-Resource-Planning. Das steht für die Vernetzung aller Geschäfts- und Produktionsprozesse, die für die Durchführung eines Auftrages notwendig sind, über eine gemeinsame Software. Software-Anbieter sind hier zum Beispiel SAP, Oracle und Sage. DTP = Desktop-Publishing. Frei übersetzt steht das für grafisches Gestalten am Bildschirm mithilfe einer Software.
Da bei der Konstruktion von Verpackungen neben den Konstruktionsdaten automatisch weitere Daten anfallen, werden diese den nachfolgenden Abteilungen wie Kalkulation oder Einkauf zur Verfügung gestellt. Beispiel einer typischen Arbeitskarte aus der Verpackungsentwicklung:


Abb. 8.2: Arbeitskarte mit allen wichtigen Angaben zu einer neu konstruierten Verpackung. Alle Daten aus der Verpackungskonstruktion werden in einer Arbeitskarte zusammengefasst. Diese dient als Arbeitsgrundlage für andere Abteilun-gen in den Unternehmen. (Quelle: Eigene Darstellung)

Bei durchgängigen System-Vernetzungen geben ausgereifte Standards gewisse Parameter für Kalkulationsformeln im Hintergrund automatisch weiter. Dazu gehören zum Beispiel Leimverbrauch, Packmaße, Werkzeugkosten und vieles mehr. Um Insellösungen und unnötige Mehrarbeit durch Doppeleingaben von Daten zu vermeiden, ist die Anbindung von CAD-Systemen an ERP-Systeme (Enterprise-Resource-Planning) eine logische Weiterführung dieses Prozesses.

Die Funktionsweise eines CAD-Systems orientiert sich an Koordinaten und verwendet dazu Vektorgrafiken – diese sind aus Linien zusammengesetzt, die bestimmte Punkte in einem Koordinatensystem miteinander verbinden. Vektorgrafiken benötigen nur wenig Speicherplatz. Durch ihren logischen Aufbau sind diese Koordinatensystem miteinander verbinden. Vektorgrafiken benötigen nur wenig Speicherplatz. Durch ihren logischen Aufbau sind diese Daten leicht zu konvertieren, um damit CNC-gesteuerte Peripheriegeräte wie Drucker oder Plotter anzusteuern.

Um das Koordinatensystem im CAD und seine Wirkungsweise zu verstehen, betrachten wir nun die Achsen bei einer 2D-Konstruktion. Diese Achsen heißen „x“ = Horizontal- und „y“= Vertikal. Bei einer 3D-Konstruktion bezeichnen „x“ und „y“ die Grundfläche (Länge x Breite) und „z“ als weitere Achse die Höhe (Vertikale) eines zu konstruierenden Objektes. Die 2D-Konstruktion erfolgt in der waagerechten x- und der senkrechten y-Achse. Die 3D-Konstruktion benötigt zu-sätzlich die z-Achse. Die x- und die y-Achse beschreiben hier die Grundfläche eines Verpa-ckungsobjektes, die z-Achse zeigt dessen Höhe an. Koordinatenangaben beginnen immer mit der x-Achse, dann folgen y- und z-Achse.


Abb. 8.3: ein Koordinatenkreuz (Quelle: Eigene Darstellung)

Bei der freien Konstruktion befindet sich der O-Punkt immer an der Kreuzung der x- und y-Achsen. Bei der Koordinatenangabe unterscheidet man zwischen „direkt“ und „indirekt“.

Beispiel 1 (siehe Abb. 8.5): Es soll eine Linie diagonal vom O-Punkt 20 mm nach links und 20 mm nach unten gezeichnet werden. Dazu ist im Menü die Funktion „direkt“ auszuwählen und folgende Koordinate einzugeben:

-20 ; -20

Das Trennungszeichen kann je nach CAD-System auch ein anderes sein – zum Beispiel ein Komma oder auch ein Leerzeichen. Nach Abschluss der Eingabe stellt das Programm die Linie automatisch in den sichtbaren Bereich des Bildschirms. Soll ein Linienbeginn außerhalb des O-Punktes beginnen, benötigt man die Funktion „indirekt“.

Beispiel 2 (siehe Abb. 8.5): Es soll eine Linie „indirekt“ 20 mm rechts- und 20 mm oberhalb des O-Punktes beginnen. Dazu muss der Konstrukteur im Menü die Funktion „indirekt“ auswählen und folgende Koordinaten eingeben:

20 ; 20

Wie man sieht, kann dabei auf das Vorzeichen „+“ verzichtet werden. Das System hat nun unsere eingegebene „indirekte“ Position als aktuellen Nullpunkt angenommen, von dem aus nun weiter konstruiert werden kann.


Abb. 8.4: Koordinatenkreuz mit direkter und indirekter Position (Quelle: Eigene Darstellung)

Die aufgeführten einfachen Beispiele sollen nur grundlegend erläutern, wie CAD funktioniert. In der Regel wird der Konstrukteur heute auf Standards zurückgreifen oder einzelne Module aus einer Datenbank nutzen, um eine Verpackung zu entwerfen.

Programme können heute Standard-Verpackungen aus dem ECMA- oder FEFCO-Katalogen allein durch die Angabe der Code-Nummer, der Größe und des Materials automatisch konstruieren. Module sind eine Untergruppe der Standards und beziehen sich auf einzelne Elemente, die man zusammenstellen kann (Laschen, Fenster, Verschlüsse). Grundsätzlich besteht ein Standard aus Einzelmodulen.

ECMA = European Carton Makers Association; FEFCO = Fédération Européenne des Fabricants de Carton On-dule (Europäische Vereinigung der Wellpapphersteller). Diese Organisationen haben bestimmte Codes für Verpackungen entwickelt. Jede Code-Nummer steht für eine bestimmte Bauform. Siehe Buch 1.

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