Ebben a cikkben a CAD/CAM rövid történetének összefoglalására vállalkozom.
Hangsúlyozom egyrészt, hogy – a terjedelmi korlátokból adódóan – rövid, másrészt elsősorban a dizájn és a gépészet szempontjait veszem alapul, mivel ismereteim felületesek az építészet és az elektromos tervezés felhasználói területén.

A CAD fejlődése

Mindenekelőtt egy tévhitet szeretnék eloszlatni. A CAD megjelenése, fejlődése nagyjából analóg a számítógépekével, azonban a neves gyártóknak féltve őrzött kincsei voltak ezek a fejlesztések. A CAD elsőként a gépészetben, a repülőgép-, hajó- és autógyártásban, illetve a hadiiparban terjedt el. A dizájn és a könnyűipar területén később jelent meg. Az innováció szignifikáns piaci előnyt, hatalmat jelentett. Az élen járó cégek fejlődése felgyorsult, de számos kisebb gyártó még sokáig a hagyományos technológiákat alkalmazta. Mára inkább a hagyományőrző manufaktúrákra jellemző, hogy nem használják ezt a technológiát.
A legenda szerint Malcolm Sayer, a híres Jaguar E-Type tervezője egy logarléccel és egy logartáblázattal tervezte meg az autót a hindu matematika elvei szerint. Igyekeztem alaposan utánanézni: a legenda igaz azonban, de az 1950-es évek végén – kezdetlegesen ugyan, de – a CAD már életképes, működő technológia volt.

A szakaszosan parametrikus polinomokkal leírt görbék alkalmazása hosszú időre nyúlik vissza. A spline-görbéket Schoenberg említette meg először 1946-ban. A CAD megszületését erre az időszakra datálhatjuk. Spline-okat többnyire interpolációra, approximációra és ábrázolásra használnak. Az így nyert görbék és felületek annyira simák, amennyire csak lehetnek, nincsenek rajtuk nagyobb kilengések, és rugalmasabban módosíthatók, mint a polinomok. Egyes típusaik szakaszonként változtathatók úgy, hogy közben a görbe nagyobb része konstans maradjon. A spline név a hajóépítésből ered, ezen a területen az építéshez használt hajlékony vonalzót nevezték spline-nak.

Az első – 1957

Az első 2D CAD-szoftver létrejötte 1957-re datálható, amikor Dr. Patrick J. Hanratty kifejlesztette a PRONTO-t, az első kereskedelmi forgalomban kapható numerikus vezérlésű programozórendszert. 1960-ban Ivan Sutherland létrehozta a Sketchpad-et, amely bemutatta a számítógépes műszaki rajzolás alapelveit és megvalósíthatóságát. 1963-ban került piacra. Az AutoCAD az Interact CAD-en alapult, amelyet 1977-ben vezettek be. 1982-ben bemutatták az AutoCAD első hivatalos verzióját, és 1986-ra a Computer Assisted Design szoftverpiac vezető számítógépes programjává vált.
A CAD-szoftverek népszerűsítése és megújítása az 1960-as években kezdődött, bár az 1940-es évek közepe és az 1950-es évek között már zajlottak különböző fejlesztések. Számítógépeket 1949-ben már használtak az energiarendszerek elemzéséhez, optimalizálásához.
Az 1940-50-es években már beindultak a fejlesztések a szoftverek terén. E fejlesztések közé tartoznak a generált impulzusokkal vezérelt szervomotorok (1949), a beépített műveletekkel működő számítógépek, amelyekkel automatikusan koordinált transzformációkat lehetett végrehajtani a radarral kapcsolatos vektorok kiszámításához (1951). Egy alakzat digitális szerszámgéppel történő megformálásának grafikus matematikai folyamatát is kidolgozták.

Bézier-görbék

A 3D CAD/CAM feltalálását Pierre Bézier francia mérnöknek tulajdonítják. Én ezzel nem értek egyet, mert akkoriban sok más fejlesztés is elindult, de a CAD-ben jelenleg használt spline-görbék alapelve gyakorlatilag a Bézier-görbék elvével analóg. A francia mérnök a felületek tervezésével kapcsolatos matematikai munkái után 1966 és 1968 között kifejlesztette az UNISURF-öt, hogy megkönnyítse az autóipar számára az alkatrészek és szerszámok tervezését.
Ezzel párhuzamosan a francia Citroën autógyártó kifejlesztette SPAC tervezési rendszerét, amely a SADUSCA, egy segédrendszer a karosszéria-felületek meghatározásához és megmunkálásához. A CAD azonban már korábban is használatban lehetett a Boeingnél, a 727-es repülőgép külső felületének tervezéséhez használták, amely 1962-ben került piacra. 1960-ban a Boeingnél dolgozó William Fetter a pilótafülke elemeire vonatkozó rajzai alapján alkotta meg a számítógépes grafika kifejezést. 1962-ben a cég létrehozott egy számítógépes grafikai részleget.
Az 1960-as években a repülőgépipar, az autóipar, az ipari vezérlés és az elektronika technológiai fejlődése előrelépést hozott a háromdimenziós felületszerkesztés, az NC-programozás és a tervelemzés területén. E fejlesztések többsége egymástól független volt, és gyakran csak jó néhány évvel, évtizeddel később jelentek meg globálisan.

A görbék leírása

A görbék leírásával kapcsolatos munkában nagy része volt Paul de Casteljau matematikusnak a Citroëntől, Pierre Béziernek a Renault-tól, Steven Anson Coonsnak az MIT-től, James Fergusonnak a Boeingtől, Carl de Boornak, George David Birkhoffnak és Garibediannak a GM-től az 1960-as években, valamint W. Gordonnak és R. Riesenfeldnek a GM-től az 1970-es években.
Fordulópontot jelentett a Sketchpad rendszer kifejlesztése Ivan Sutherland által, aki később David Evansszel együtt grafikai technológiával foglalkozó céget alapított. A Sketchpad különlegessége az volt, hogy lehetővé tette a számítógéppel történő grafikus interakciót. A terveket fénytoll rajzolással lehet betáplálni a számítógépbe egy katódsugárcsöves (CRT) kijelzőre. A Sketchpad e tulajdonsága a grafikus felhasználói felület prototípusa volt, amely a modern CAD nélkülözhetetlen jellemzője. 1963-ban Sutherland bemutatta doktori értekezését, a Man-Machine Graphical Communication System (Ember és gép grafikus kommunikációs rendszere) című munkáját.

A CAD

A CAD első kereskedelmi alkalmazásai az autó- és repülőgépiparban, valamint az elektronikai iparban működő nagyvállalatoknál jelentek meg. Ennek oka az volt, hogy csak a nagyvállalatok engedhették meg maguknak a szükséges számítások elvégzésére alkalmas, akkoriban nagy teljesítményű számítógépek megvásárlását.
Ahogy a számítógépek egyre megfizethetőbbé váltak, a CAD alkalmazása fokozatosan új területekre terjedt ki. A személyi asztali számítógépekhez készült CAD-szoftverek kifejlesztése adta meg a lendületet ahhoz, hogy az építőipar minden területén szinte általános legyen az alkalmazásuk.

A ’60-as 70-es évek

Az 1960-70-es évek további jelentős eseményei közé tartozik a United Computing, az Intergraph, az IBM és az Intergraph IGDS CAD-rendszerek létrejötte 1974-ben, amely 1984-ben a Bentley Systems MicroStationhöz vezetett, valamint az 1969-es Applicon és a japán Seiko és Zuken gyártók kereskedelmi CAD-rendszerei az 1970-es években.
A CAD fejlődésének egyik kulcsfontosságú eseménye a Manufacturing and Consulting Services Inc. (MCS) 1971-es megalapítása volt Patrick J. Hanratty által, aki megírta az Automated Drafting and Machining (ADAM) rendszert, de ami még fontosabb, kódot szállított olyan vállalatoknak, mint a McDonnell Douglas (Unigraphics), a Computervision (CADDS), a Calma, a Gerber, az Autotrol és a Control Data.
Az 1970-es években a CAD még jellemzően a kézzel készített rajzokhoz hasonló tervrajzok előállítására korlátozódott. A programozás és a hardverek fejlődése – leginkább a szilárdtest-modellezésben, az 1980-as években – tette lehetővé a számítógépek sokoldalúbb alkalmazását a tervezői munkában.

A ’80-as évek

1981-ben a legfontosabb termékek a PADL-2-n alapuló szilárdtest-modellező csomagok voltak, a Romulus (ShapeData) és az Uni-Solid (Unigraphics), valamint a CATIA (Dassault Systèmes) felületmodellező. Az Autodesket 1982-ben alapította John Walker, amelynek eredményeként létrejött az AutoCAD, kezdetben kétdimenziós rendszerként. 1987-ben a következő mérföldkő a Pro/ENGINEER kiadása volt, amely a feature alapú modellezési módszerek szélesebb körű használatát és a feature-ök paramétereinek összekapcsolását jelentette, ez tette lehetővé a parametrikus modellezés bevezetését.

A ’90-es évek

A CAD fejlődésében szintén fontos szerepet játszottak az 1980-as évek végén és az 1990-es évek elején a B-rep (Boundary representation) szilárdtest-modellező kernelek (geometriai és topológiai szempontból konzisztens 3D-objektumok manipulálására szolgáló motorok), a Parasolid (ShapeData) és az ACIS (Spatial Technology Inc.) fejlesztése. Ezeket a fejlesztéseket Ian Braid munkája inspirálta. Ez később olyan középkategóriás csomagok megjelenéséhez vezetett, mint a SolidWorks és a TriSpective 1995-ben, a Solid Edge 1996-ban és az Autodesk Inventor 1999-ben. 1992–1998 között a Robert McNeel & Associates az openNURBS Kernel-re alapozva kifejlesztette a Rhinoceros 3D nevű alkalmazást. Oroszországban az 1990-es évektől egy független geometriai modellező kernel fejlődik.
Az ingyenes és nyílt forráskódú CAD-szoftverek elérhetősége, valamint a fejlett 3D-s CAD-szoftverek magas költségei visszatarthatják a CAD-szoftverek piacának növekedését. Az ingyenes és nyílt forráskódú CAD-szoftvercsomagok közé tartozik a FreeCAD, az amerikai hadsereg számára kifejlesztett BRL-CAD, a QCAD Community Edition, a LibreCAD és mások.

A következő felsorolásban a ma kereskedelmi forgalomban elérhető CAD/CAM szoftvereket gyűjtöm össze. Ezek közt találhatók előfizetéses, szabad felhasználású szoftverek, modellező, CNC-pályaszerkesztő, térnyomtató, renderelő programok is.
Az anyagi szempontok is lényegesek, némely programok bérlését csak nagy cégek engedhetik meg maguknak. A lényeg a gondolkodásmód elsajátítása, az egyik programról a másikra való átállás már nem okoz különösebb problémát, de vannak eltérő logikai rendszerű programok is.
A jelenlegi piacot nehéz pontosan felmérni, mert sok új fejlesztés jelenik meg, egyes termékek összeolvadnak, esetleg megszűnnek, bizonyos termékek pedig nem kapnak megfelelő publicitást.

ActCAD Software, Agisoft Metashape, Altium Designer, Altium 365, Altair Inspire, Ansys SpaceClaim, ArCADia BIM, ARES, Archicad, AutoCAD, Autodesk Advance Steel, Autodesk AEC Collection, Autodesk Fusion 360, Autodesk Inventor, Autodesk Revit, AUTOFLUID, AVEVA E3D, Avica Cloud, Bentley OpenFlows WaterCAD, Bentley OpenPlant Modeler, Bentley STAAD, BioDigital, BobCAD-CAM V33, BRL-CAD, CadActive Piping, Cadasio, CADMATIC Draw, CADMATIC Electrical, CADMATIC 3D Plant Design, Cadmatic Marine Design, Cadmio, CADSIM Plus, CAD6studio, Caneco, CFturbo, Chemdoodle, Civil, CMS IntelliCAD, CATIA, Coheris CorelCAD, CRM Merch, Construsoft Window, CONNECT3D, CREACOMPO, Creo, Cupix, DriveWorks, DWG FastView, Dynamo BIM, DIALux, Dock Designer, DraftSight, eluCad, Esko Studio, EZ-MILL Pro, FEM Design, Femtet, FLIGHT Suite, by Nano Dimension, FotoJet, FreeCAD, Geomodeller, GeoStudio, GrabCAD Software, GstarCAD, Intel Quartus Prime Software Suite, JTS IntelliCAD, Luxion Keyshot, Kinetix Air, Kodon, LibreCAD, LibreCAD, LightningCAD, Lightwave3D, LusoCAD, Mantis Vision Advanced Echo, Mastercam, Mixer, MSC Apex, NanoCAD, nTopology, Onshape, PCBflow, Planner 5D, Poser, PrintSyst, progeCAD 2010 Professional, OnScale Solve, OpenRoads Designer, Optitex, OrCAD, Orbital Stack, PTC Mathcad, QCAD, Railing Designer, RFEM 6, Rhinoceros 3D, RISA-3D, RSTAB 9, RWIND 2, SBS Automated Utility Design, SEE Electrical, SBS Substation Design Suite, SelfCad, Sketchpad, Siemens Valor, Shapr3D, SmartSketch, Smap3D Steel, Solid Edge, solidThinking SOLIDWORKS, suite, Tacton Design Automation, TcpTUNNEL CAD, TD Professional, TestFit, TUKA3D, TurboCAD, UNISURF, Ultimaker Cura Enterprise, vectorcam, VEERUM, Vention Manufacturing Automation Platform, Vertex Connect, Vertex G4Plant, VisTABLE, V-Ray, XR Suite, Zuken E3.series, ZWCAD, ZW3D, 2020 Spaces, 3D Juump Ace, 3DF Zephyr, 4MCAD

A CAD-szoftverek az értékesítés területén három részre oszlottak. Örök áron megvásárolható, havi, éves bérletben megvásárolható és szabad felhasználású szoftverek. Ezen belül egyéni felhasználású, intra (zárt belső hálózatok) vagy internet alapú hálózati és felhő alapú szoftverek is léteznek.

Reményeim szerint ezzel a felsorolással segíteni tudom a leendő, pályakezdő, tanuló tervezőket, mérnököket, mivel sok esetben nagy problémát okoz, vagy alapvetően meg is határozza a szakmai fejlődés útját, hogy milyen szoftvert kezd valaki elsajátítani. A választásnak nyilván anyagi indokai is lehetnek, de a kitűzött célok, az adott iparág is nagymértékben meghatározza a döntést. Magyarországon találkoztam több esetben azzal, hogy polygon alapú felület-modellező szoftvereket használtak tárgytervezésre. Bízom benne, hogy itthon is gyorsan terjednek a parametrikus szilárdtest-modellező szoftverek, mivel a tervezési feladatokra maradéktalanul alkalmasak.

A cikkben szereplő koncepciók, modellek, X-ray-, folyamat- és metszeti ábrák, renderek CAD dizájnja: Bán Miklós

Bán Miklós
CAD dizájner

Főcím kép:
Radience kerék: centerlock, tárcsafék; formatervezés, CAD-modellezés, render: Bán Miklós, 2020