• Henry Neumann

Der Weg von CAD-Daten zur Produktvisualisierung – Möglichkeiten und Hürden im Workflow

Aktualisiert: Jan 28



Viele Produkte, die im industriellen Maßstab produziert werden, haben ihren Ursprung in einer CAD-Anwendung. CAD-Daten sind Konstruktionsdaten, die aber auch immer öfter ihren Weg ins Marketing finden und in der Produkt-Visualisierung eingesetzt werden.


In diesem Artikel erfahren Sie zunächst mehr über die Grundlagen sowie den Unterschied von CAD-Daten und Mesh-basierten 3D Daten (Drahtgittermodell). Außerdem beleuchte ich für Sie den Workflow rund um die Verwendung von CAD-Daten im 3D Visualisierungsprozess. Im weiteren Verlauf gehe ich näher auf den Nutzen der 3D Daten ein und Sie lernen neue Einsatzmöglichkeiten von 3D Daten im Online-Bereich kennen.


Abb. 1: Hier sehen Sie eine CAD-Zeichnung, die auf Basis von Linien und Kurven eine dreidimensionale Form beschreibt.

Warum sind CAD-Daten eine gute Grundlage für Produkt-Renderings?


Um dieser Frage auf den Grund gehen zu können, müssen wir uns zunächst anschauen, was CAD-Daten sind.


In Abb. 1 sehen Sie, wie eine CAD-Anwendung eine Form mithilfe von Linien und Kurven beschreibt. Diese Darstellungsart konzentriert sich auf das Wesentliche: die effiziente mathematische Beschreibung der Körperform. Wäre diese Form ein Produkt, könnte diese zum Beispiel ohne Weiteres mithilfe dieser Daten in einem 3D Drucker gedruckt werden. Im Bereich der Produkt-Visualisierung im Marketing können wir jedoch nicht direkt mit den CAD-Daten arbeiten.


Im Gegensatz zu 3D Daten auf Mesh-Basis enthalten CAD-Daten keine sogenannten UV-Maps. Für 3D Objekte mit realistischen Materialien sind UV-Maps allerdings unerlässlich. Um CAD-Daten für Renderings verwenden zu können, ist also erst eine Umwandlung der CAD-Daten notwendig.


Mithilfe eines Algorithmus können wir die CAD-Daten in ein Mesh umwandeln, das jetzt über eine UV-Map verfügt. Damit werden wir in die Lage versetzt, das 3D Modell für ein realistisches Rendering aufzubereiten.


An dieser Stelle soll nicht unerwähnt bleiben, dass CAD-Daten in gewissen Fällen auch direkt für eine 3D Umsetzung genutzt werden können. Im weiteren Verlauf dieses Artikels gehe ich auf die Vor- und Nachteile dieses Workflows noch einmal genauer ein.


Aus CAD wird ein sauberes Drahtgittermodell (Mesh)


Abb. 2: Hier sehen Sie eine 3D Kugel, die aus einer CAD-Anwendung heraus exportiert und in ein Mesh umgerechnet wurde.

Eine gute Nachricht vorab: Das Umwandeln und die Nachbearbeitung von strukturierten CAD-Daten ist in vielen Fällen deutlich wirtschaftlicher als ein Produkt von Grund auf neu in einer 3D Applikation zu modellieren. Damit bietet dieser Workflow einen echten Zeit- und damit Kostenvorteil für Sie, wenn Sie schon über CAD-Daten verfügen.


In Abb. 2 sehen Sie das Umwandlungsergebnis von einer 3D CAD-Kugel in ein Mesh. Die gesamte Oberfläche der Kugel wurde durch einen Algorithmus in kleine Quadrate aufgeteilt. Daraus entsteht ein dreidimensionales Mesh, das die CAD-Form nachbildet.


CAD-Konstruktionen können sehr komplizierte Formen erzeugen, die durch eine Umwandlung hochkomplexe Meshes ergeben. Der Algorithmus für die Umwandlung schafft es hierbei nicht immer, die CAD-Form mit einem gleichmäßigen Mesh nachzubilden.


Die Strukturierung und Aufbereitung von CAD-Daten sowie die Nachbearbeitung der konvertierten 3D Daten ist daher immer ratsam, um hochwertige 3D Inhalte zu erzeugen. Nicht aufbereitete CAD-Daten ergeben im Rendering Fehler wie zum Beispiel verzerrte Texturen und Materialien oder flackernde Artefakte auf Flächen und Kanten.



Möglichkeiten des 3D Meshes gegenüber CAD-Daten

Abb. 3: Diesem Rendering liegt ein 3D Modell, wie in Abb. 2 zu sehen, zugrunde. Dieses wurde mithilfe eines PBR-Materials (Physically-Based-Rendering-Material) so manipuliert, dass daraus eine aufwändige Oberflächenstruktur entstehen konnte.

Das 3D Modell auf Mesh-Basis kann mit beliebig vielen Informationen belegt werden und somit realistische Materialeigenschaften oder Formen simulieren.


Außerdem kann die Oberfläche der Kugel nun so manipuliert werden, dass alleine über das Material-Set-up räumliche Oberflächenstrukturen erzeugt werden. Ein Beispiel für ein solches Material sehen Sie in Abb. 3. Das 3D Modell dieses Renderings entspricht dem von Abb. 2. Es wurde anhand einer aufwendigen Material- und Texturkombination in diesen Zustand versetzt. Erst durch die Konvertierung der CAD-Daten ist dies möglich, da nun mithilfe der vorhandenen UV-Maps jeder Punkt auf der Kugeloberfläche zielgenau angesteuert und modifiziert werden kann.



Durch die Umwandlung der CAD-Daten

  • wird sichergestellt, dass effiziente und spezialisierte Werkzeuge zur Produktvisualisierung wie zum Beispiel Blender, Maya, 3DS MAX oder Cinama 4D eingesetzt werden können.

  • können beliebig viele Materialkombinationen mit der Objektoberfläche oder dem Objektvolumen verknüpft werden, wodurch realitätsnahe Renderings ermöglicht werden.

  • ist die Kombination von 3D-Produkt und Szenerie möglich. In vielen Fällen werden 3D-Szenen auch mit 3D Stock-Modellen angereichert, um ein Rendering lebendiger wirken zu lassen. Zu 99 % liegen diese Modelle als 3D Mesh im OBJ- oder FBX-Format und nicht in einem CAD-Format vor.

  • wird die Grundlage dafür geschaffen, dass die 3D-Daten in einem standardisierten und optimierten Format flexibel in den Workflows von AR-, VR-, Desktop-, Web- oder Mobil-Anwendungen eingesetzt werden können.


CAD-Daten direkt für eine Visualisierung nutzen

Abb. 4: Hier sehen Sie ein Rendering einer Kugel, das direkt in einer CAD-Anwendung mit einem gebürsteten Kupfermaterial versehen wurde, ohne es zuvor in ein 3D Format zu konvertieren.

Wie eingangs bereits erwähnt, möchte ich an dieser Stelle noch einmal auf die Möglichkeit eingehen, CAD-Daten ohne Umweg für ein Rendering-Projekt zu verwenden.


Es gibt in vielen CAD-Tools wie unter anderem Fusion 360 auch Visualisierungsmöglichkeiten. Die Besonderheit ist hier, dass die Konvertierung in ein Mesh entfällt. Dieser interessante Workflow ist aus meiner Sicht aber sehr begrenzt.


Zunächst gibt es die Einschränkung, dass nur gleichmäßige Muster und generierte Materialien mit glatter Oberfläche wie zum Beispiel Metall oder Kunststoff verwendet werden können. Materialeigenschaften, die sich auf die Oberflächenstruktur auswirken, werden jedoch noch nicht unterstützt. Des Weiteren ist der Workflow für die Materialvergabe und Anpassung im Vergleich zu 3D Tools noch recht umständlich. Dennoch lassen sich auch hier unter Umständen realistische Renderings generieren, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Es bleibt abzuwarten, ob und wie die Symbiose beider Welten weiter vorangebracht wird.


Passen Ihre Projektanforderungen mit den Möglichkeiten der CAD-Anwendung im Bereich der Visualisierung zusammen, kann dies also auch heute schon ein interessanter Workflow sein. So zum Beispiel für 3D Projekte, die durch die Einschränkungen keinen Qualitätsverlust erleiden oder Projekte, die einen eher informierenden Charakter haben wie beispielsweise in Nutzerhandbüchern, Anleitungen und Grafiken zur Funktionsbeschreibung von Komponenten.


Je komplexer die CAD-Konstruktion ist, desto unwahrscheinlicher ist jedoch eine hochwertige Visualisierung direkt in der CAD-Anwendung realisierbar, da die Effizienz-Kurve im Workflow mit ansteigender Bauteilkomplexität exponentiell abnimmt.



Neue Einsatzmöglichkeiten von 3D Daten im Online-Bereich


3D Daten können von Tag zu Tag in immer mehr Bereichen eingesetzt werden. Neben dem bekannten Feld der Produktvisualisierung für das Marketing, der Dokumentation oder Präsentationen entstehen auch neue Einsatzfelder.


So hat Google Ende 2019 interaktive 3D Anzeigenformate für das hauseigene Werbenetzwerk vorgestellt, die bisher ungeahnte Präsentationsmöglichkeiten für Produkte in online Anzeigen eröffnen.


Sogenannte Augmented-Reality-Funktionalitäten werden im Online-Handel schon sehr bald zu den Standardfunktionen zählen. Shop-Besucher können mit der AR-Technologie Produkte mithilfe der Smartphone-Kamera direkt in ihrer Umgebung auf dem Display anzeigen lassen. So lässt es sich für einen Kunden einfach überprüfen, ob ein neues Möbelstück, die neue Solaranlage auf dem Dach oder das neue E-Bike den eigenen Vorstellungen entspricht.



Fazit


Wie Sie sehen, sind CAD-Daten eine wertvolle Ressource für Ihr Marketing und den Vertrieb – ob als Grundlage für einen 3D Workflow mit Umwandlung in 3D Daten oder direkt zur Visualisierung in der CAD-Anwendung. Es lohnt sich gerade im Hinblick auf die Zukunft zu überprüfen, ob Ihre Produkte einen 3D Mehrwert für Ihre Kunden bieten können, um bevorstehende Entwicklungen im Bereich 3D Visualisierung voll auszunutzen.



Begriffserklärungen

  • Augmented Reality (AR) Unter Augmented Reality (erweiterte Realität) versteht man eine Technologie, die es ermöglicht, digitale Informationen wie zum Beispiel 3D Inhalte, Bilder usw. mit der realen Welt zu verschmelzen. Die AR-Technologie kann über eine sogenannte Datenbrille, aber auch einfach mithilfe eines Smartphones, genutzt werden. Das von der Smartphone-Kamera aufgenommene Video wird in Echtzeit und räumlich korrekt mit den hinterlegten Informationen angereichert, sodass der Eindruck entsteht, dass das dargestellte 3D Objekt sich wirklich im von der Kamera abgebildeten Raum befindet.

  • CAD CAD steht für computer-aided design und bedeutet so viel wie rechnergestütztes Konstruieren. Nahezu alle Produkte, die im industriellen Maßstab produziert werden, haben ihren Ursprung in einer CAD-Anwendung. Neben Konsumgütern werden aber auch Gebäude oder Maschinen mithilfe von CAD-Anwendungen geplant und entwickelt. Zu den bekanntesten CAD-Anwendungen zählen: AutoCAD von Autodesk, Catia und SolidWorks von Dassault Systemes, Creo von PTC, Inventor von Autodesk, Solid Edge und NX von der Siemens AG.

  • UV-Map Der Oberfläche eines 3D Körpers werden mithilfe der UV-Map eindeutige Koordinaten („u“ und „v“) zugewiesen. Verbindet man all diese Koordinaten, ergibt sich daraus ein 3D Polygonnetz (3D Objekt).

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