Tietokoneavusteinen suunnittelu

Tietokoneavusteinen suunnittelu eli CAD () on tietokoneen käyttöä apuvälineenä etenkin insinöörien ja arkkitehtien harjoittamassa suunnittelutyössä.

CAD viittaa ohjelmistoon ja aikoinaan myös laitteistoon digitaalisten mallien tekoon fyysisistä kappaleista.
CAD on kehittynyt ratkaisemaan käsin piirtämisen epäkäytännöllisyyttä. Varhainen CAD-piirtäminen oli kaksiulotteista, joka oli digitaalinen vastine sinikopiolle. CAD ratkaisi monia tehokkuusongelmia sallien toistuvien kohtien kopioinnin, automatisointia ja virheiden välttämisen sekä korjaamisen helpommin. Tarve syöttää malleja suoraan CNC-järjestelmille toi tarpeen kolmiulotteiselle mallinnukselle. Varhainen kolmiulotteinen mallinnus käytti rautalankamalleja, mutta hienojakoisemmat suunnitelmat toivat tarpeen matemaattisesti kuvatuille pinnoille kuten NURBS-standardille.

Historia 

CAD juontaa juurensa Yhdysvaltain ilmavoimien SAGE-tutkajärjestelmään 1950-luvulla, joka käytti kuvaputkinäyttöjä tietokoneen käsittelemän tutkatiedon ja muun tiedon näyttämiseen. Valopistoolilla operaattori pystyi tunnistamaan kohteen ja valitsemaan sopivan puolustusaseen kuten lentokoneen tai ohjuksen. Järjestelmän kehityksestä seurasi myös useita teknologiayrityksiä.

Ivan Sutherlandin Sketchpad-ohjelma mainitaan usein ensimmäisenä interaktiivisena graafisena järjestelmänä suunnitteluun ja hahmotteluun. Sketchpad kehitettiin vuosien 1960–1963 välillä ja oli aiheena Sutherlandin väitöstyössä MIT:ssä. Sketchpadia on sanottu ensimmäiseksi tunnistettavaksi CAD-järjestelmäksi.

IBM:n kehittämä DAC-1 (Design Automated by Computer) valmistui General Motorsille vuonna 1964. DAC-1 käytti IBM 7090 -suurtietokonetta erikoistuneella grafiikkakonsolilla ja valokynää, jolla käyttäjät pystyivät piirtämään, pyörittämään ja manipuloimaan kuvia.

Applicon (perustettu vuonna 1969 nimellä Analytics, Inc) aloitti 1970-luvulla kehittämällä järjestelmän mikropiirien suunnitteluun, jossa käytettiin IBM 1130 -tietokonetta ja Computekin valmistamaa päätettä. Tämän jälkeen Applicon siirtyi PDP-11-tietokoneiden käyttöön ja kehitti Applicon Graphics System (AGS) -järjestelmää. Applicon myi tietokonetta oman grafiikan käsittelyyn tarkoitetun laitteiston kanssa. Näyttölaitteet käyttivät "tallennusputki"-tekniikkaa () ennen vuotta 1978, jolloin yhtiö tarjosi rasterinäyttöä vaihtoehdoksi.

1960-luvulla Lockheed aloitti CADAM-järjestelmän, joka kaupallistettiin 1970-luvulla. CADAM kehitettiin IBM S/360:lle, jolle IBM julkaisi 2250 Model I näyttöpäätteen. 2250:ssä oli sisäänrakennettuna grafiikkaohjain ja se piirsi vektoreita. CADAMin kehityksen aikana useimmat CAD-järjestelmät käyttivät Tektronixin "tallennusputki"-tekniikkaa, joka pystyi korkeaan kuvatarkkuuteen, mutta näytön pyyhkiminen ei onnistunut ja vain rajalliset valikko-ominaisuudet olivat mahdollisia. IBM:n vektorinäytöt olivat kalliimpia, mutta tukivat valikoivaa pyyhkimistä ja kuvia pystyi siirtelemään sekä niillä pystyi nopeasti vaihtamaan valikkotietoa. IBM:n ja Lockheedin mukaan valokynä oli parempi ratkaisu kuin erillinen piirtopöytäohjaus. Hubble-avaruusteleskooppi ja Lockheed F-117 Nighthawk ovat suunniteltu CADAM:illa.

Dassault kiinnostui 1960-luvulla tietotekniikan käytöstä suunnittelussa ja oli ensimmäisiä Lockheedin CADAMin lisensoineita 1970-luvulla. 1970-luvun lopulla Dassault aloitti kolmiulotteiseen suunniteluun tarkoitetun sovelluksen kehityksen. Yhtiö kehitetti ohjelman nimeltä CATI, joka myöhemmin nimettiin uudelleen CATIA. CATIA kaupallistettiin ja tytäryhtiö Dassault Systèmes perustettiin vuonna 1981 kehittämään ja myymään ohjelmistoa.

Computervision oli 1970-luvulla ja suuren osa 1980-luvusta yksi merkittävimmistä yrityksistä CAD-teollisuudessa. 1970-luvulla useat asiat yhdistyivät, jotka tekivät kaupallisesta CAD-järjestelmästä elinkelpoisen liiketoiminnan: minitietokoneiden hinnat, "tallennusputki"-tekniikkaan perustuvat näytöt ja digitaaliset plotterit olivat saatavilla, sekä monet keskeiset ohjelmistotekniikat kaksiulotteiselle ja kolmiulotteiselle grafiikalle oli julkaistu teknisissä artikkeleissa. Computervision ja Calma olivat merkittäviä toimittajia elektroniikkateollisuuden käyttötarpeisiin piirilevysuunnitteluun ja mikropiirisuunnitteluun käytettävien järjestelmien toimittamisessa.

Autodeskin perustajiin kuuluva Mike Riddle kohtasi yliopiston jälkeen  arvoisen Computervision-järjestelmän ja arveli sen käyttötavan perusteella, että mikrotietokonepohjaisella järjestelmällä voisi tehdä saman kuin mihin sitä käytettiin. Riddle aloitti vuonna 1977 Interact-nimisen ohjelman kehityksen. Autodesk perustettiin vuonna 1982 ja AutoCADia esiteltiin COMDEX-messuilla marraskuussa 1982 nimellä AutoCAD-80. Ohjelmaa esiteltiin myös muiden näytteilleasettajien tiloissa ja palkittiin näyttelyn parhaana.

Bentley Systemsin perustaja Keith Bentley työskenteli DuPontille ja kehitti PseudoStation-ohjelman. PseudoStationin myynti alkoi vuonna 1984, jonka jälkeen MicroStation kehitettiin IBM PC/AT-tietokoneille.

SolidWorks syntyi kun Jon Hirschtick lähti Computervisionilta 1990-luvun alussa ja aloitti uuden yrityksen. Yrityksen tavoitteena oli kehittää edullinen kiinteiden kappaleiden mallintamiseen suunnattu ohjelmisto. Dassault Systèmes osti yrityksen vuonna 1997.

Tietokonelaskennan ja -grafiikan tehokäyttöä

Tietokoneavusteinen suunnittelu sisältää muun muassa numeerista laskentaa, teknistä piirtämistä, kolmiulotteista mallinnusta ja tietokonesimulointia:
 Numeerinen laskenta liittyy matemaattisiin kaavoihin, esimerkiksi rakennuksen rakennusosia rasittavien voimasuureiden laskentaan. Saatua tulosta käytetään hyödyksi rakennesuunnitelmissa. Numeerista laskentaa on harrastettu koko tietokoneiden olemassaolon ajan.
 2D-piirtäminen oli vaihe jossa tarvittavat suunnitelmapiirustukset tuotettiin tietokoneella. Samalla saatiin piirustuksiin uusia ominaisuuksia, esimerkiksi symbolien nopea lisäys ja pinta-alan automaattinen laskenta. Ensimmäiset kaupalliset CAD-piirtämiseen soveltuvat graafisen näytön sisältävät tietokoneet ja ohjelmistot tulivat markkinoille 1960-luvun alkupuolella. Tietokoneavusteinen 2D-piirtäminen yleistyi 1980-luvulla ja 1990-luvulla se teollistuneissa maissa syrjäytti käsin tehtävät tekniset piirustukset. 2000-luvulla 2D-piirtäminen on syrjäytymässä kolmiulotteisten mallien avulla tapahtuvan suunnittelun yleistyessä. "CAD"-termi mielletään nykyisin usein nimenomaan 2D-piirtämiseen liittyväksi.
 3D-mallit kehitettiin CAD-suunnitteluun 1970-luvulla, mutta yleistyi vasta 1980-luvulla tehdyn kiinteän kappaleen mallinnuksen kehityksen myötä. Suunniteltavasta kappaleesta tai ilmiöstä valmistetaan ohjelmallinen (matemaattinen) malli, jota voidaan näytöllä tarkastella eri kuvakulmista. 
 Simulointi tapahtuu esimerkiksi 3D-mallien avulla. Simulointiin on 1990-luvulta lähtien kehitetty runsaasti erilaisia sovelluksia. Simuloimalla voidaan tarkastella esimerkiksi lentokoneen ohjaamon hallintalaitteiden toimintaa, molekyylibiologiaa ja kemiallisia reaktioita, ydinräjähdyksiä, rakennuksen ilmastointijärjestelmän ilmankiertoa tai tulipalon leviämistä suunnitellussa rakennuksessa. Simulointia voidaan tehdä myös numeerisesti, se ei aina vaadi 3D-mallia.

Tietokoneella tehtävän suunnittelutyön monimutkaistuessa, esimerkiksi simulointien yhteydessä puhutaan usein tietokoneavusteisesta tekniikasta (CAE, ) erotuksena vanhemmasta, piirtämiseen liitetystä CAD-termistä.

CNC-valmistus ja CAM-koneistus
Tietokoneavusteisen suunnittelun tuloksia on käytetty valmistustekniikan laitteiden numeeriseen ohjaukseen jo 1950-luvulta asti. Tällöin valmistustieto koneelle saadaan ilman välissä olevaa piirustusten tulkintavaihetta, suoraan tiedostoina. Esimerkiksi auton pellit saadaan leikattua teräsrullalta tarkasti oikean kokoisina tiedostojen perusteella. Menetelmästä käytetään lyhennettä CNC (), laitteesta nimitystä NC-kone.

Järjestelmän ohjausta varten on 1980-luvulta lähtien kehitetty erityisiä tietokoneavusteisen valmistuksen CAM-ohjelmia – (). Ruiskupuristusmuoviosien, valuosien ja koneistettavien osien valmistuksessa CAD-CAM -tekniikka on yleinen menetelmä.

Uusia käyttökohteita on kolmiulotteinen tulostus.

Ohjelmistoja

Suunnitteluohjelmistoja
 ArchiCAD
 AutoCAD
 Alibre Design
 CADS
 EPLAN
 Foran
 FreeCAD
 Tribon
 NUPAS
 CATIA
 I-DEAS
 Inventor
 IronCAD
 MasterCAM
 MicroStation 
 Microsoft Visio 
 Novapoint
 NX
 Pro/ENGINEER
 Revit
 Solid Edge
 SolidWorks
 SurfCAM
 Trimble SketchUp
 eMachineShop

Suomessa kehitetyt
 CADS
 JCAD
 Novapoint Virtual Map
 Tekla Structures
 Vertex
 CADMATIC

Katso myös
 Arkkitehtuurin informaatiotekniikka
 Mallintaminen
 Koneenpiirustus
 Tekninen piirtäminen

Lähteet

Aiheesta muualla 

 The Engineering Design Revolution 

Seulonnan keskeiset artikkelit