Worin unterscheiden sich die parametrische und die direkte Modellierung?
Ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der computergestützten Modellierung (Computer-aided Design, kurz CAD) wurde 1987 mit der Veröffentlichung von Pro/ENGINEER (inzwischen PTC Creo) erreicht, das die chronologie-basierte parametrische Modellierung in die CAD-Industrie einführte. Seitdem kommt das parametrische Prinzip in fast allen gängigen CAD-Programmen zur Anwendung, darunter SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX und Onshape. Wenn Sie in den letzten zwei Jahrzehnten eine CAD-Modellierung durchgeführt haben, ist es daher sehr wahrscheinlich, dass Sie mit der chronologie-basierten parametrischen Modellierung bereits vertraut sind.
Einfach ausgedrückt erstellen Ingenieure bei der parametrischen Modellierung eine 3D-Geometrie Schritt für Schritt. 2D-Skizzen werden um 3D-Features ergänzt, wobei Begrenzungen und Verhältnisse entsprechend der Absicht des Designers angepasst werden können. Da jedoch jeder Schritt auf dem vorangegangenen Schritt basiert, kann die parametrische Modellierung eine sorgfältige Planung erfordern.
Trotz des Potentials und der Popularität der parametrischen Modellierung schwören viele auf ein anderes CAD-Prinzip: Die direkte Modellierung. Bei der direkten Modellierung steht die Geometrie im Mittelpunkt. Der Anwender muss sich nicht mehr um die Chronologie seines Bauteils kümmern, sondern kann direkt auf die 3D-Geometrie als solches einwirken. Einige moderne CAD-Systeme verwenden die direkte Modellierung anstelle der chronologie-basierten parametrischen Modellierung, während andere eine Mischung aus parametrischen und direkten Werkzeugen bieten.
Um die Unterschiede zwischen parametrischer und direkter Modellierung besser zu verstehen, insbesondere in Bezug auf geeignete Anwendungsfälle und ihr Weiterentwicklungspotential, sprachen wir mit erfahrenen CAD-Anwendern und Brancheninsidern über die beiden Prinzipien.
Parametrische Modellierung
Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klären, die wir verwenden. Das von Pro/ENGINEER entwickelte Design-Paradigma wird vielleicht am treffendsten als „chronologie-basiert“ bezeichnet, denn es ist das lineare Schritt-für-Schritt-Prinzip des Modells, das den großen Unterschied zur direkten Modellierung ausmacht, die man auch als „chronologielos“ bezeichnen könnte.
„Chronologie-basierte CAD-Software setzt auf den Anwender, um ein individuelles Teil mit einer Reihe von Features zu erstellen“, schrieb der erfahrene CAD-Anwender Matt Lombard in einem eBook über die CAD-Software Solid Edge von Siemens. „Die Software merkt sich die Features in der chronologischen Abfolge, und das Modell muss diese Features in genau dieser Reihenfolge aufeinander aufbauen, um es umzusetzen. Sie können sich diese Methode der Modellierung wie ein Computerprogramm vorstellen. Sie geben dem Computer Anweisungen für jeden Schritt, und er führt diese Schritte jedes Mal aus, wenn das Modell neu angelegt werden muss.“
Dennoch wird die chronologie-basierte Modellierung oft als „parametrisch“ bezeichnet; entsprechend werden die beiden Begriffe synchron gehandhabt. Berücksichtigen Sie nur einmal diese Warnung von Lombard: „Es herrscht oft die falsche Vorstellung, dass nur chronologie-basierte Software parametrisch ist. Parametrisch bedeutet, dass das Modell durch Parameter gesteuert wird, die Dimensionen, Musterungen, Wandstärken, Lochdurchmesser und -tiefen etc. umfassen können.“
Lombards Analogie des Computerprogramms ist für die parametrische Modellierung durchaus angemessen. Genau wie beim Schreiben eines Programms, wird das Endergebnis umso besser, je mehr ein Ingenieur darüber nachdenkt, was er zu erreichen versucht. Auch wenn ein Modell – wie auch ein Programm – im Schnelldurchgang entworfen werden kann, kann das Ergebnis in der Folge unsauber und für andere Ingenieure schwer zu bearbeiten sein.
Roland Schwarz, ein weiterer erfahrener CAD-Anwender, wies in einem Gespräch mit uns darauf hin, dass diese grundlegende Tatsache in der parametrischen Modellierung ein zweischneidiges Schwert darstellen kann.
„Wenn man mit jemandem zusammenarbeitet, der wirklich gut in Parametrik ist und sein Projekt auf eine intelligente, durchdachte und stringente Weise strukturiert, ist alles wunderbar“, sagte Schwarz. „Aber wenn man jemanden hat, der einfach ankommt und wahllos herumpfuscht, ohne eine logische und stringente Herangehensweise, z.B. einzelne Segmente an die falschen Stellen kopiert, dann entsteht ein großes Chaos, bei dem man am liebsten wieder bei Null anfangen will mit einem Export und Import.“ (Das Exportieren und Importieren des Modells entfernt seine Feature-Chronologie und verwandelt das Modell in eine so genannte „dumme Geometrie“, sprich: die bloße Geometrie ohne Designfeatures).
Die besten parametrischen CAD-Designer sind so geschickt in der Strukturierung ihrer Projekte, dass man ihre Handschrift manchmal allein durch die Ansicht ihrer Modelle erkennen kann, als hätten sie digitale Fingerabdrücke auf dem History Tree hinterlassen. Es gibt viele verschiedene Wege zu ein und demselben Endmodell – und einige sind definitiv besser als andere.
„Und mein Weg ist der beste“, scherzte Schwarz. „Das wird jeder gute CAD-Modellierer von sich behaupten.“
Die parametrische Modellierung ist sehr nützlich für Produkte, die stark von Dimensionen geprägt sind – denken Sie an Standard-Büromöbel wie Schreibtische und Regale oder Werkzeuge verschiedener Größen. Mit dem parametrischen Ansatz können Ingenieure schnell und einfach verschiedene Konfigurationen ihrer Designs erstellen.
Aber vereinzelt, insbesondere vonseiten der rigoroseren Modellierer, regt sich auch Widerstand gegen das parametrische Paradigma der Modellierung.
„Manchmal denke ich, dass man sich in der Chronologie auch verlieren kann“, sagte uns Bruce Bartlett, ein weiterer CAD-Veteran. „So sehr die Chronologie einem die Möglichkeit gibt, Dinge schnell zu ändern, der Nachteil ist folgender: Wenn du nicht verstehst, wie sie aufgebaut ist, oder wenn du jemanden hast, der Designs erstellt, die dazu tendieren, ein wenig außer Kontrolle zu geraten, kann es vorkommen, dass man mehr Zeit aufwendet, indem man sich durch den History Tree wühlen muss, als wenn man sich einfach nur eine Oberfläche greift und sie bewegt.“
Eine weitere Schwäche der parametrischen Modellierung besteht darin, dass mit zunehmender Anzahl der Features auch das für die Aktualisierung des Modells erforderliche Berechnungsvolumen zunimmt.
„Wenn Sie ein Teil mit 1.000 Features im History Tree haben, geht alles sehr schnell, wenn Sie das letzte Feature in diesem Tree bearbeiten“, erklärt Dan Staples, Vice President of Mainstream Engineering bei Siemens PLM. „Aber wenn Sie das erste Feature in diesem Tree bearbeiten, kann es sehr lange dauern, weil es alle 1.000 dazwischen nachberechnen muss, bevor es Feature Nummer 1001 erreicht.”
Ist die parametrische Modellierung mit ihrer Ausgewogenheit von Stärken und Schwächen die beste Option auf dem Markt für die CAD-Konstruktion? Staples glaubt das nicht.
„Der Gedanke, eine Dimension zu bearbeiten, um ein maximal vorhersehbares Ergebnis zu erzielen, das die Absichten des Designers berücksichtigt, ist von Natur aus sinnvoll“, sagt er. „Die von Pro/ENGINEER 1987 entwickelte und seit 25 Jahren von fast allen anderen Akteuren kopierte Implementierung ist jedoch nicht der effizienteste Weg, diese Aufgabe zu bewältigen.“
Staples befürwortet natürlich die Synchrontechnologie von Siemens – ein Paradigma, das wir noch eingehender diskutieren werden.
Direkte Modellierung
Wie der Name schon sagt, bietet die direkte Modellierung den Designern eine Herangehensweise nach dem Prinzip „What you see is what you get“ zur Erstellung und Bearbeitung ihrer Modelle.
„Es scheint eine endlose Reihe von Experten zu geben, die über fein nuancierte Definitionen und Variationen dieses Begriffs streiten, aber im Allgemeinen ist die direkte Bearbeitung eine CAD-Methode, bei der man direkt die Oberflächen des Modells manipuliert, anstatt indirekt Feature-Definitionen oder -Skizzen zu bearbeiten…. wie die Geometrie entsteht, ist wirklich irrelevant und, offen gesagt, weniger interessant als die Frage, wie sich die Geometrie verändern lässt“, schreibt Lombard.
Bei der direkten Modellierung können Designer ihr Modell schieben und ziehen, um es zu verändern. Ein Vorteil dieser Funktion ist die Leichtigkeit, mit der Designs geändert werden können, was schnelle Iteration und Prototyping ermöglicht. Aus diesem Grund bedient die direkte Modellierung in der Welt des Industriedesigns eine Nische, in der fließende Kurven und kühne Ästhetik eine große Rolle spielen.
“Es gibt Anwendungsfälle wie hochorganisches Design, plastische Gestaltung, Konzeptdesign, generatives Design und Defeaturing für Analysezwecke, bei denen ein völlig nichtparametrisches Toolset eine ausgezeichnete und manchmal sogar die beste Wahl sein kann“, sagt Dave Corcoran, Mitbegründer von Onshape und Vizepräsident im Bereich Forschung und Entwicklung.
Weiterhin kann die direkte Modellierung ohne die Interdependenzen und die Chronologie der parametrischen Modellierung einige der Probleme von schlechtem parametrischen Design beseitigen.
„Ich denke, der eigentliche Test für eine CAD-Software besteht nicht darin, was sie zustande bringen kann, sondern darin, welche Art von Modifikation sie ermöglicht. Die direkte Modellierung öffnet definitiv eine Reihe neuer Möglichkeiten im Hinblick auf intuitive Modifikation, die nicht das gesamte Modell auf den Kopf stellt“, sagt Schwarz.
Die Möglichkeit, ein Modell ändern zu können, ohne sich Sorgen machen zu müssen, es zu beschädigen, kann eine bedeutende Rolle spielen, besonders für Unternehmen, die die Nutzung ihres CAD-Modells ausweiten möchten. Schwarz bezeichnet CAD-Modelle als Assets, die wie jedes andere Asset eine Investition erfordern, um sie abzusichern.
„Viel Zeit und Geld fließt in die Herstellung eines CAD-Modells, und Sie haben ein Interesse daran, diese Modelle zu schützen, da Sie wollen, dass sie nützlich bleiben. Die direkte Modellierung schützt diese Investition“, erklärte Schwarz.
Aber die direkte Modellierung kann auch ihre ganz eigenen Nachteile haben.
“Die meisten chronologielosen Systeme funktionieren nicht optimal, wenn es um das Erzielen vorhersagbarer Ergebnisse bei Bearbeitung der Dimensionen geht“, sagt Staples. “Manchmal hört man Leute über ein Push-me-pull-you-System reden, und das sieht enorm praktisch aus, aber wenn es am Ende des Tages hart auf hart kommt, will man wirklich in der Lage sein, Dimensionen im Detail zu bearbeiten, dimensionale Räume zu erstellen und so weiter.”
Ein weiteres Problem bei der direkten Modellierung ist, dass die meisten CAD-Modellierer einfach nicht an sie gewohnt sind. Nach jahrelanger Erfahrung mit parametrischem Design – und jahrelanger Gewöhnung an seine Unzulänglichkeiten – mag es an Motivation mangeln, über eine Alternative nachzudenken.
„Ich glaube nicht, dass die parametrische Modellierung in absehbarer Zeit verschwinden wird“, sagt Schwarz. „Es gibt eine sehr große Community von Nutzern da draußen, die solide Kenntnisse in ihr haben und sie schätzen, oder zumindest fühlen sie sich in ihr wohl und ihnen steht nicht der Sinn danach, etwas zu ändern. Ich denke, die direkte Modellierung ist ein großer Schritt nach vorn. Gleichzeitig aber glaube ich, dass es erst einer Kultur bedarf, die sich um sie herum entwickeln muss, innerhalb der sie sich mehr und mehr durchsetzt und die ein detailliertes Verständnis davon entwickelt, wie sie am besten genutzt wird – vor allem, wenn es darum geht, ein Modellierungsprojekt über den Lebenszyklus eines Produkts oder sogar über seinen ursprünglichen Entwicklungszyklus hinweg zu managen, ohne dabei mehr Schaden als Nutzen zu sein.“
Die Grenzen zwischen den Design-Paradigmen verschwimmen zunehmend
Die meisten gängigen CAD-Systeme bieten eine Mischung aus parametrischen und direkten Funktionen, wobei die Leistungsfähigkeit dieser Funktionen variieren kann.
„Onshape ist eine parametrische Modellierungssoftware, aber es verfügt dennoch über einige oberflächliche Elemente der Direktmodellierung“, erklärt Bruce Bartlett, ein Onshape-Benutzer. „Es ist direkte Modellierung, aber doch immer noch parametrisch. Manchmal wünschte ich, es wäre eine reine direkte Modellierungssoftware, und man könnte Oberflächen einfach ohne Berücksichtigung der Chronologie bewegen.“
Worauf Bartlett sich bezieht, ist, dass diese Tools zwar wie direkte Editierwerkzeuge funktionieren, aber dennoch Features im History Tree erzeugen. Da die echte direkte Modellierung chronologielos ist, ist dieser Ansatz nur quasi-direkt. Wie Onshape bietet auch SOLIDWORKS direkte Bearbeitungstools, die für bestimmte Aufgaben nützlich sein können, aber letztendlich doch Features im History Tree hinterlegen und die potentiellen Probleme des parametrischen Designs beibehalten.
Andere CAD-Programme implementieren diese Hybridwerkzeuge auf unterschiedliche Weise. Autodesk’s Fusion 360 zum Beispiel erlaubt es dem Anwender, entweder im parametrischen oder im direkten Modellierungsmodus zu arbeiten. Im Direktmodus wird Ihre Designchronologie überhaupt nicht aufgezeichnet. Benutzer können auch jedes Feature in eine direkte Modellierungsfunktion umwandeln, während der Rest des parametrischen History Trees intakt bleibt.
Siemens verfolgt einen anderen Ansatz mit seinen CAD-Softwares NX und Solid Edge und nennt diesen „synchrone Technologie“. Die synchrone Technologie erhebt den Anspruch, die besten parametrischen und direkten Modellierungsfeatures in einer einzigen Umgebung zu vereinen.
„Mit der synchronen Technologie kann ich entweder Oberflächen von Hand bewegen oder ich kann Oberflächen bewegen, indem ich die Dimensionen bearbeite“, erklärt Staples. „Und wir haben die einzigartige Technologie, um all das zusammenzubringen, und dabei das zugrundeliegende Designkonzept zu wahren, aber ohne die lästigen History Trees und Neuberechnungen.“
Staples ist der Ansicht, dass die Synchrontechnologie einen Schritt weiter geht als die hybride Werkzeugpalette der anderen CAD-Programme und einige Probleme der Systeme umgeht, die die direkte Modellierung als Feature im History Tree implementieren.
„Stellen Sie sich einen einfachen Fall vor, einen Block mit einem Loch darin.“ Das Loch hat einen Durchmesser von einem halben Zoll. Sie haben auf diesem Modell fünf Jahre lang modelliert, und es hat 1.000 Features, und am Ende möchte Ihr Chef diesen halben Zoll Durchmesser zu 0.4 Zoll ändern. Und Sie denken ‚Okay, ich werde das nur direkt bearbeiten‘, was Feature Nr. 1001 zum Modell hinzufügt. Sie überschreiben das Modell also einfach und ändern das Loch auf 0,4 Zoll.
„Es scheint, als hätten Sie Ihr Problem gelöst.“ Aber was Sie tatsächlich bewirkt haben, ist, die Komplexität des History Trees zu erhöhen und das zugrundeliegende Designkonzept zu beschädigen. Wenn jemand ein Jahr später dieses Teil wiederverwendet, wird er das erste Feature im Tree bearbeiten. Das führt zu einer Neuberechnung und die wiederum dazu, dass die Änderung in einem folgenden Teil des Trees überschrieben wird. Diese Vorstellung, dass das Hinzufügen weiterer Features zum Tree ein Problem wirklich lösen kann, ist kurzsichtig. Es löst ein sehr kurzfristiges Problem, fügt jedoch viele weitere Probleme im weiteren Entwicklungsprozess hinzu.“
Während einige CAD-Anwender Vorbehalte gegen die kühnen Behauptungen in Bezug auf Synchrontechnologie haben, loben diejenigen, die sie in der Praxis nutzen, sie geradezu frenetisch. Bedeutet das, dass die Frage der parametrischen vs. der direkten Modellierung strittig ist und die Synchrontechnologie der Weg in die Zukunft ist? Das kommt darauf an, wen man fragt.
„Es gibt keinen einzigen Modellierungsansatz, der für alle Situationen optimal ist. Tools, die zu allgemein sind und versuchen, zu viele verschiedene Anwendungsfälle in einem einzigen Toolset zu lösen, sind in der Regel schwer zu bedienen und zu kompliziert“, sagt Dave Corcoran von Onshape.
Einige Solid Edge-Anwender berichteten von Schwierigkeiten bei der Verwendung der Synchrontechnologie in bestimmten Szenarien, wie der komplexen Oberflächenmodellierung- ein Nachteil, den Staples einräumt. „Wenn Sie ästhetisch sehr ansprechende Teile modellieren möchten, die viel oberflächenbasierte Designarbeit erfordern, ist die Synchrontechnologie auf ihrem derzeitigen Entwicklungsstand nicht gut geeignet“, sagt er.
Man könnte sich auch fragen, warum die Synchrontechnologie – wenn sie so vorteilhaft ist, wie ihre Befürworter behaupten – kein weiter verbreitetes Prinzip ist. Staples glaubt, der Grund dafür sei, dass Siemens der technologischen Kurve genau diesen Schritt voraus ist, zum großen Teil aufgrund des hauseigenen Parasolid-Systems und der SAT-Solving -SDK D-Cubed. Aber womöglich gibt es einen noch einfacheren Grund, den er folgendermaßen auf den Punkt bringt: „Ingenieure sind keine Menschen, die Änderungen lieben.“ Chronologie-basierte parametrische Modellierung ist nach wie vor das dominierende Paradigma in der CAD-Welt und funktioniert trotz einiger Nachteile sehr gut.
„Zum jetzigen Stand funktioniert SOLIDWORKS für 98 Prozent (oder mehr) der üblichen und gängigen Anwendungen“, sagt Schwarz.
Mit der Zeit jedoch, wenn neue Generationen von Ingenieuren die Welt der CAD-Modellierung betreten, werden die alten chronologie-basierten Methoden womöglich eher einer Art synchronen Technologie weichen, und die Unterscheidung zwischen parametrischer und direkter Modellierung wird möglicherweise nicht mehr relevant sein.
“Ich denke, mit der Zeit werden die Grenzen verschwimmen, und es werden lediglich unterschiedliche Optionen in einem allgemeinen Werkzeugkasten sein“, sagte Schwarz.
Bis dahin finden Sie hier ohne Vollständigkeitsanspruch eine Auflistung einiger der bekanntesten CAD-Programme und welches Design-Paradigma sie befolgen:
Parametrische Modellierung* | Direkte Modellierung | Synchrone Technologie |
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Parametrische Modellierung*
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Direkte Modellierung
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Synchrone Technologie
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Alle diese Lösungen beinhalten auch einige Aspekte der direkten Modellierung.
Natürlich gibt es bei der Auswahl einer CAD-Plattform noch mehr Dinge zu beachten, und ihr jeweiliges Design-Paradigma ist nur eines der relevanten Kriterien. Simulationsfähigkeiten, CAM, Collaboration Tools, Benutzerfreundlichkeit, Wartungsoptionen und der Umfang der Cloud-Konnektivität sind nur einige weitere Aspekte, die es zu beachten gilt, unabhängig davon, welches Design-Paradigma Sie bevorzugen.