Software

Open-Source-3D-CAD: Eine echte Alternative?

Open-Source-Softwaresysteme sind in vielen Anwendungsbereichen alternativ zu urheberrechtlich geschützten kommerziellen Systemen zu sehen, da ihre Vorteile nicht nur bei geringen Kosten, sondern auch in größerer Programmsicherheit und hoher Flexibilität liegen. Doch gilt das auch für CAD-Software? Wissenschaftler der Uni Hannover sind dieser Frage nachgegangen.
M. Sc. Maxim Jähner, Abteilungsleiter CA-Techniken Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover
Bild 3: Modellierung des Tiefziehwerkzeugs in HeeksCAD.

Open-Source-Systeme sind hinreichend bekannt, beispielsweise das Programm Gimp zur Bildbearbeitung oder das Betriebssystem Linux. Für die mechanische Konstruktion gibt es ebenfalls eine Vielzahl an Open-Source-CAD-Systemen, bei denen sich jedoch die Frage stellt, inwieweit diese für anspruchsvolle Aufgaben, beispielsweise für die Konstruktion von Umformwerkzeugen, einsetzbar sind. Um diese Frage zu beantworten, wurden in einer am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover durchgeführten Studie Open-Source-3D-CAD-Systeme vor dem Hintergrund ihres Einsatzes im Bereich der Umformtechnik untersucht.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Die am IFUM durchgeführte Studie hatte die Zielsetzung der Evaluierung von Open-Source-3D-CAD-Systemen im Hinblick auf den Einsatz in der Umformtechnik, insbesondere für die Konstruktion von Blechumformwerkzeugen. Hierfür wurde ein einfaches Tiefziehwerkzeug (Bild 1) mit Hilfe der 3D-CAD-Software Pro/Engineer Wildfire 5.0 konstruiert, da diese als vollwertiges und stets weiterentwickeltes System allen Kriterien, die auch an die Open-Source-CAD-Systeme gestellt werden, gerecht wird.
Für diese Studie wurden lediglich die wichtigsten Komponenten eines Tiefziehwerkzeuges (Matrize, Niederhalter und Stempel) modelliert. Weitere Bauteile wie das Werkzeuggestell, die Führungen, die Tragehilfen etc. sind in diesem Modell nicht berücksichtigt worden. Der Schwerpunkt der Studie lag in der Beantwortung folgender Fragen:

Anzeige

Welcher Lizenztyp liegt vor?

Wie groß ist der Installations- und Einrichtungsaufwand des CAD-Systems?

Ist eine featurebasierte Modellierung (etwa Extrusion, Rotation, Verrundung u. a.) möglich?

Erlaubt das CAD-System eine parametrisch-assoziative Modellierung?

Wie einfach gestaltet sich die Konstruktion von CAD-Modellen; ist eine vollständige Modellierung möglich?

Wie gut lässt sich das CAD-System handhaben (grafische Benutzeroberfläche, intuitive Bedienbarkeit)?

Lässt sich das CAD-System durch Programmierung zusätzlicher Module erweitern beziehungsweise verändern?

Welche Schnittstellen werden zu dem CAD-System angeboten?

Zur Klärung dieser Fragen wurde in Pro/Engineer das Modell mit den üblichen Features wie Extrusion, Kantenrundungen oder Bohrungen voll parametrisch konstruiert. Hierfür wurden die Gleichungen der Ziehringrundung und des Ziehspaltes nach [4] angewendet und in das System implementiert. Schließlich fand die Modellierung einer Freiformfläche mit Hilfe eines Splines statt.

Vergleich der Open-Source-CAD-Systeme

Aufgrund der Anforderungen bezüglich der 3D-Modellierung, des Anwendungsbereiches und des Lizenztyps wurden aus einer Vielzahl an verfügbaren CAD-Systemen folgende Programme genauer untersucht: FreeCAD Version 0.11.4474, BRL-CAD Version 7.18.0, HeeksCAD Version 0.18.0 und NaroCAD Version 1.6.0 [5, 6, 7, 8].

Lizenz

Das Kriterium ‚Lizenz‘ (Hinweise zu Definitionen und Unterschieden finden sich in der Info im untenstehenden Kasten) erfüllen alle vier untersuchten Programme vollständig. FreeCAD ist unter den Lizenzen GPL Version 2 und LGPL Version 2 veröffentlicht. Das Programm BRL-CAD Version 7.18.0 ist in Binär- und Quellcode als Open-Source-Software unter dem Lizenztyp LGPL Version 2.1 verfügbar. Der Quellcode von HeeksCAD wird unter der ‚New-BSD‘-Lizenz geführt. Bei dem System NaroCAD kommt als Lizenztyp für den Quellcode die GPL zum Einsatz. Die freie Verfügbarkeit und Nutzung des Programmcodes ist somit bei allen hier betrachteten Systemen gewährleistet.

Einrichtung

Das Kriterium ‚Einrichtung‘ wird ebenfalls von allen untersuchten Programmen vollständig erfüllt. Für die Systeme FreeCAD, BRL-CAD und HeeksCAD ist eine einfache Installationsroutine für gängige Betriebssysteme wie Windows und Linux vorhanden. Das Programm NaroCAD lässt sich aufgrund der verwendeten Programmiersprache C# ausschließlich auf dem Betriebssystem Windows installieren. Hierfür steht jedoch eine einfache Installationsroutine zur Verfügung.

Featurebasierte Modellierung

Auch das Kriterium ‚Featurebasierte Modellierung‘ wird von fast allen untersuchten Systemen erfüllt. Bei dem Programm FreeCAD werden die Objekte und Funktionen des Open-Cascade-Technology-Kernels [9] zur Volumenerzeugung genutzt. Dadurch wird gewährleistet, dass dem Konstrukteur die wichtigsten Features wie Extrusion, Bohrung, Rundung u. a. zur Verfügung stehen. In BRL-CAD sind eine Reihe von Grundformen (primitive shapes) vordefiniert, die durch einen entsprechenden Typennamen aufgerufen und in Programmfunktionen genutzt werden können. Eine typische Featuremodellierung ist allerdings in diesem System nicht möglich. Der Konstrukteur muss mit Hilfe boolescher Operationen die gewünschte Geometrie erzeugen. HeeksCAD sowie NaroCAD nutzen den Open-Cascade-Technology-Solid-Modeler und verfügen somit über zahlreiche Features.

Parametrische Modellierung

Bei dem Kriterium ‚Parametrische Modellierung‘ schneiden alle in dieser Studie untersuchten Programme mangelhaft ab. In der untersuchten Version von FreeCAD ist die Funktionalität der assoziativen Beziehung zwischen Bemaßungen nicht implementiert, ebenso nicht im Programm BRL-CAD. Einfache Bemaßungen können dagegen in der für diese Studie eingesetzten Version von HeeksCAD in jeder Bezugsebene an Skizzen und Körpern angetragen werden. Eine assoziative Verbindung mehrerer Parameter ist jedoch nicht vorgesehen. In NaroCAD ist wiederum eine rudimentäre Bemaßungsfunktion implementiert, wobei der auf diese Weise ermittelte Wert nicht als Parameter im Modell verfügbar ist. Die mangelhaft ausgeprägte Parametrik in dieser Software ist besonders ernüchternd, da die Projekthomepage mit einem parametrischen CAD-System wirbt.

Konstruktion des CAD-Modells

Bei der Konstruktion des CAD-Modells schneiden die untersuchten Programme befriedigend bis mangelhaft ab. FreeCAD ist nur für einfache Modellierungsaufgaben geeignet. Die fehlende Parametrik macht eine schnelle Änderung des Modells zeitaufwändig und nicht trivial lösbar. Bei allen untersuchten CAD-Systemen ist das Baugruppenmanagement nur rudimentär ausgebildet. Beispielsweise werden mehrere Einzelteile innerhalb einer Konstruktionsdatei in Gruppen zusammengefasst. Bei dem Programm BRL-CAD ist kein freies Skizzieren mit anschließender Extrusion möglich. Zum Erzeugen von Volumenkörpern muss auf primitive Grundformen als formgebendes Werkzeug zurückgegriffen werden. Ebenfalls ist keine Freiformflächengestaltung vorgesehen, da keine Splines definiert werden können. HeeksCAD bietet ebenfalls keine Möglichkeit zur Erstellung von Splines, daher konnte die Freiformfläche am Matrizengrund nicht modelliert werden. In NaroCAD war es ebenfalls nicht möglich ein vollständiges CAD-Modell des Umformwerkzeuges zu konstruieren. Beispielsweise konnte der Matrizenausschnitt aus einem Polygonzug in Kombination mit Splinekurven nicht erzeugt werden. Weiterhin konnten keine Beziehungen zwischen den Bauteilen definiert werden. Folglich war eine Baugruppenkonstruktion nicht durchführbar.

Handhabbarkeit

In dem Punkt ‚Handhabbarkeit‘ schneiden die evaluierten Programme gut bis befriedigend ab. FreeCAD besitzt eine übersichtliche grafische Oberfläche und verfügt neben Pulldown-Menüs über seitlich angeordnete Werkzeugleisten für die verschiedenen Module. Im Programm BRL-CAD nutzt der Geometrieeditor ein duales Bedienkonzept: Alle Eingaben können über die Kommandozeile, viele auch im grafischen Menü getätigt werden. Die grafische Benutzeroberfläche des Systems HeeksCAD basiert auf den Bibliotheken des WxWidgets-Softwarepaketes [10] und besitzt eine Menüleiste sowie eine individuell konfigurierbare Symbolleiste für Schnellwahlfunktionen. Bei dem Programm NaroCAD ist die grafische Benutzeroberfläche in mehrere Anzeigebereiche unterteilt, wobei im oberen Feld die Multifunktionsleiste (Ribbon-Menü) liegt. Somit sind alle Funktionen gut erreichbar.

Programmierbarkeit

In dem Bewertungspunkt ‚Programmierbarkeit‘ schneiden die Systeme gut bis befriedigend ab. FreeCAD wurde mit der Programmiersprache Python umgesetzt, innerhalb des Programms ist der genutzte Quellcode in einer Python-Konsole abrufbar und somit zur weiteren Programmierung und Skripterstellung verfügbar. BRL-CAD ist in der Programmiersprache C geschrieben. Die entsprechenden Quelldateien sind online frei verfügbar. In HeeksCAD ist keine Makroprogrammierung zur Vereinfachung von häufig benötigen Funktionen und zur Beschleunigung von Standardaufgaben vorgesehen, eine Schnittstelle zur Einbindung von Plug-ins ist implementiert. Der Programmcode von NaroCAD, geschrieben in C++ und C#, steht unter [8] zur freien Verfügung. Eine Makroprogrammierung ist nicht vorgesehen.

Schnittstellen

Bei den Schnittstellen schneiden die untersuchten Programme gut bis befriedigend ab. In FreeCAD existieren sowohl Import- wie auch Exportfunktionen, die gängige Austauschformate wie STEP oder IGES unterstützen. Für das Programmpaket von BRL-CAD existieren Konvertierungswerkzeuge (Plug-ins) für diverse Formate wie DXF, IGES, STL u. a., die in der Standardinstallation jedoch nicht verfügbar sind. In HeeksCAD werden ebenfalls zahlreiche Formate unterstützt. Bei NaroCAD steht zur Speicherung der Benutzerdaten das programmeigene Dateiformat NAROXML zur Verfügung, das auf die Syntax von XML zurückgreift. Weiterhin kann auch das STEP-Format benutzt werden.

Fazit

Das Ergebnis des Vergleichs der Open-Source-CAD-Systeme ist in Bild 5 dargestellt. Abschließend ist festzustellen, dass zum gegenwärtigen Zeitpunkt keines der Programme für den produktiven Einsatz im Bereich der mechanischen Konstruktion und insbesondere in der Umformtechnik empfohlen werden kann. Besonders ernüchternd war die Tatsache, dass mit keinem der untersuchten CAD-Systeme eine vollständige Konstruktion des Tiefziehwerkzeuges möglich war. Dies kann zusammenfassend auf folgende Probleme der Open-Source-CAD-Programme zurückgeführt werden:

Eine Freiformflächengestaltung mit Hilfe von Splines ist bislang nicht möglich.

Es fehlen unterstützende Konstruktionswerkzeuge für Standardaufgaben.

Eine parametrisch-assoziative Modellierung ist nicht möglich.

Nur ein kleiner Entwicklerkreis ist für die gesamte Programmentwicklung zuständig.

Es stehen nur stark begrenzte Ressourcen zur Entwicklung der Systeme zur Verfügung.

Die Erkenntnisse aus der Untersuchung und ein Abgleich der Bewertungskriterien ergeben, dass das Open-Source-CAD-System FreeCAD im Vergleich zu den drei anderen CAD-Programmen in Zukunft zu favorisieren ist, da hinter dem aktuellen Programmstand ein vielversprechendes Konzept steht und die Planungen zur zukünftigen Erweiterung auch CAM- und FEM-Module vorsehen. Es bleibt wünschenswert, dass weitere Fortschritte mittel- und langfristig zu produktiv einsetzbaren Open-Source-CAD-Systemen führen werden.

Leibniz Universität Hannover, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) Tel. 0511/7622451 http://www.ifum.uni-hannover.de E-Mail: mjaehner@ifum.uni-hannover.de

Quellen:
[1] Smith, B. L. (2002): The Future of Software: Enabling the Marketplace to Decide, in: Hahn, R. W. (Ed.): Government Policy towards Open Source Software, AEI-Bookings Joint Center for Regulatory Studies, Washington, D.C., USA, S. 69-85.

  1. Source Initiative: The Open Source Definition, Online im Internet: URL: http://opensource.org/docs/osd, Stand 11/2011.
  2. R. M.: Die Definition Freier Software, Online im Internet: http:// http://www.gnu.org/philosophy/free- http://sw.de.html, Stand 11/2011
  3. E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik, 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2010
  4. unter sourceforge. net, Online im Internet: http://sour http://ceforge.net/apps/mediawiki/free- cad/index.php?title=Main_Page, Stand 11/2011
  5. online im Internet: http://brlcad.org/, Stand 11/2011
  6. online im Internet: http://heeks.net/, Stand 11/2011
  7. online im Internet: http://narocad.com/, Stand 11/2011
  8. online im Internet: http://www.opencascade.org/, Stand 11/2011
  9. Projekt, Online im Internet: http://www.wxwidgets.org/, wStand 11/2011
Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Open-Source Board

Nicht nur für Profis

RS Components hat die exclusive Lieferfähigkeit des neuen Starter Kits für Uno, das bekannte Arduino Open-Source Board für die Entwicklung elektronischer Prototypen, angekündigt. Arduino Uno ist verhältnismäßig preisgünstig und ein geeignetes Tool...

mehr...

Datenanalyse

„Die Zukunft des ECM-Marktes“

Ob das Büro der Zukunft gänzlich papierlos sein wird, dazu gibt es eine Vielzahl von Studien und Meinungen. Die Dvelop AG, spezialisiert auf Software zur Optimierung dokumentenbasierter Geschäfts- und Entscheidungsprozesse – auch Enterprise...

mehr...

Produktionssysteme

Open Source PLM in der Cloud

Aras, ein Anbieter einer Open Source PLM-Lösung, stellt seine PLM Cloud-Strategie vor: Mit der neuen Strategie will Aras eine marktführende Position als Anbieter unternehmensweit nutzbarer PLM-Technologien für die Cloud einnehmen.

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite