Was ist Top-Down-Design und warum sollten Sie es verwenden?

Anmerkung der Redaktion: Dieser Beitrag wurde ursprünglich im Februar 2022 veröffentlicht und im September 2023 mit neuen Informationen aktualisiert.

Das Top-Down-Design ist eine Methode, die im CAD-Bereich eingesetzt wird, um die Entwicklung von Produkten mit komplexen Abhängigkeiten und Beziehungen zwischen den Komponenten zu vereinfachen.

Nehmen Sie zum Beispiel einen elektrischen Sportwagen. Als Maschine muss er funktional und praktisch sein. Die Silhouette des Autos ist glatt und stromlinienförmig, um den Luftwiderstand zu verringern und Batteriestrom zu sparen.

Unter diesem Äußeren befindet sich die Batterie, zusammen mit einem Wirrwarr von Kabeln, Computerchips, Sensoren, Bildschirmen und unzähligen anderen Teilen.

Wie funktioniert das Top-Down-Design?

Top-Down-Design ist keine wörtliche Definition der Methode. Sie beschreibt lediglich den Prozess des Entwerfens ausgehend von einer Basisskizze, die sich an der Spitze des Modellbaums befindet, und des anschließenden Hinzufügens von mehr Komplexität. Ihre Skizze kann alle Basiskomponenten enthalten, die notwendig sind, um die Entwurfsabsicht zu vermitteln und eine Plattform für zusätzliche Geometrie zu schaffen.

Das Beste daran ist, dass die Top-Down-Design-Methode auf nahezu jedes komplexe Gerät angewendet werden kann, z. B. auf großformatige Drucker, MRT- und andere medizinische Scanner, kleine Geräte wie Haartrimmer und vieles mehr.

Nehmen Sie unser Beispiel eines elektrischen Sportwagens. Die erste Arbeit ist in der Regel konzeptionell und konzentriert sich auf die allgemeine Form und Funktion des Autos. Dann können verschiedene Teams an den Details und der Bewegung arbeiten, indem sie die Zahnräder und Vorrichtungen hinzufügen, die dem Auto Kraft verleihen und die Kontrolle durch den Fahrer ermöglichen.

Ein Team fügt einen rudimentären Antriebsstrang und andere Strukturträger im Innenraum hinzu, während andere an den Scheinwerfern und Kotflügeln arbeiten. Ein anderes Team entwickelt die Außenhaut, um sicherzustellen, dass die Paneele alle richtig zusammenpassen, während wieder andere Mechanismen und andere Innenkomponenten hinzufügen, die darunter sitzen und daran befestigt werden.

Top-Down vs. Bottom-Up

Eine Alternative ist natürlich das Bottom-Up-Design. Der Name mag auf offensichtliche Unterschiede hinweisen, aber sie sind nuancierter, als Sie vielleicht erwarten.

Wie bereits erwähnt, beginnt der Top-down-Ansatz mit dem Gesamtkonzept des Produkts. Stellen Sie sich das als die übergeordnete Vision dessen vor, was das Produkt sein soll, was es tut und für wen es bestimmt ist.

Die Festlegung dieser Details hilft Ihnen bei der Erstellung des Fahrplans von der ersten Idee in Ihrem Kopf bis hin zu einem Produkt auf dem Markt. Von dort aus beginnt man, alles in kleinere Systeme und Projekte aufzuteilen.

Im Gegensatz dazu beginnt das Bottom-Up-Design mit der Verwendung oder dem Bau von Komponenten, die sich schließlich zu einem größeren, komplexeren Endsystem zusammenfügen. Es ist nützlich, wenn man zwar einige Teile versteht, aber nicht das Gesamtbild.

Diese Projekte beginnen in der Regel mit mehreren kleineren, spezialisierten Teams, die die Flexibilität haben, mehr Zeit und Budget für die Iteration und Validierung von Komponenten aufzuwenden.

Die Rolle des Top-Down-Designs in verschiedenen Branchen

Top-Down-Design-Techniken kommen in einer Vielzahl von Branchen zum Einsatz. Im Ingenieurwesen sind drei der wichtigsten davon Produktdesign und -entwicklung, Informatik sowie Management und Organisation.

Produktdesign und -entwicklung: Ein Bottom-up-Ansatz ist in Ordnung, wenn Sie mehr fertige Komponenten haben, die zusammenpassen. Wenn Ihr Produkt jedoch Komponenten mit maßgeschneiderten Materialien und Geometrien sowie budgetschonende Simulationen erfordert, ist der Top-Down-Ansatz die beste Lösung.

Informatik: Moderne Maschinen können ohne leistungsfähige und zuverlässige Software nicht laufen. Die Zeit, die für das Schreiben von Codemodulen aufgewendet wird, muss mit einem guten Verständnis für den Gesamtzweck der Software und den Beitrag der einzelnen Module zu diesem Zweck verbracht werden. Top-Down-Design stellt sicher, dass dieses Verständnis bereits zu Beginn des Projekts vollständig entwickelt ist, bevor ein einziges Modul geschrieben wird.

Management und Organisation: Die Leitung einer großen Organisation erfordert jeden Tag eine Vielzahl von Entscheidungen. Dies ist ein Fall, in dem eine Kombination von Methoden zu einer lebendigen, loyalen Unternehmenskultur beiträgt. Die Führungskräfte treffen mit ihrem strategischen Weitblick Entscheidungen zum Wohle der langfristigen Ziele des Unternehmens. Das Unternehmen profitiert jedoch auch davon, wenn die Führung offen für Ideen und Rückmeldungen der Mitarbeiter ist.

Die Vorteile des Top-Down-Designs

Kehren wir zum Elektroauto zurück. Wenn Sie ein Auto entwerfen, versuchen Sie, sich die gesamte Anwendung vorzustellen. Neben der Batterie und der bereits erwähnten Elektronik gibt es Sitze für Komfort und Sicherheit, Anzeigen für Informationen und Extras wie integriertes Satellitenradio.

Der Top-Down-Ansatz hilft Ihnen, sich Klarheit über all diese Systeme zu verschaffen, über die Unterschiede zwischen ihnen und darüber, wie das gesamte Fahrzeug in kleinere, leichter zu konstruierende Teile zerlegt werden kann

Selbst wenn mehrere Teams gleichzeitig arbeiten, können Sie die Designabsicht an einer Stelle festhalten. Jedes der spezialisierten Teams kann problemlos zusammenarbeiten, während es selbständig Probleme löst und die Ergebnisse mit dem gesamten Unternehmen teilt.

Die Projektmanager haben außerdem einen tieferen Einblick in jeden einzelnen Schritt, was schnellere und fundiertere Entscheidungen ermöglicht, damit das Projekt vorankommt, die Fristen eingehalten werden und alles mit den strategischen Zielen des Unternehmens übereinstimmt.

Welche verschiedenen Möglichkeiten gibt es, Top-Down-Design in der 3D-CAD-Modellierung einzusetzen?

Heftige Diskussionen über Konzepte sind toll, aber wie wirkt sich das auf Ihre tägliche Arbeit aus? Gut, dass Sie fragen!

Mastermodelle enthalten in der Regel Informationen über die Abmessungen, Oberflächen und das Gesamtlayout von Baugruppen und Teilsystemen. Auf diese Informationen kann von jedem Teil aus zugegriffen werden, wodurch die Kontinuität des gesamten Modells gewährleistet wird.

Die Begriffe Mastermodellierung und Skelette werden manchmal austauschbar verwendet, aber es gibt nuancierte Unterschiede (mehr zu Skeletten weiter unten).

Der Baugruppenkontext ist von entscheidender Bedeutung, wenn Sie verstehen müssen, wie das Teil, an dem Sie gerade arbeiten, in das Ganze passt, und ob Änderungen, die Sie vornehmen, Auswirkungen auf vor- und/oder nachgelagerte Bereiche haben werden. Ein Mastermodell ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Daten, so dass ein einzelnes Teil oder eine Baugruppe problemlos in mehreren Kontexten verwendet werden kann.

Die Konstruktion von Mehrkörperteilen muss nicht mehr vom Top-Down-Design getrennt werden. In Verbindung mit dem Mastermodell bietet Multi-Part eine schnellere Teilekonzeption, einfachere Baugruppen mit Abhängigkeiten und robustere Funktionen für die gemeinsame Nutzung von Daten.

Sparen Sie Zeit mit Skelettmodellen: Wenn Sie mit der Konstruktion beginnen, wie in unserem Autobeispiel, wird die erste grundlegende Skizze als Skelett bezeichnet. Es ist das zentrale Objekt zur Erfassung der Entwurfsabsicht sowie zur Verfolgung von Referenzen und Abhängigkeiten innerhalb des Entwurfs. Skelette können auch einige frühe Bewegungsphasen oder kinetische Funktionen enthalten.

Top-Down-Design bietet Ihnen verschiedene Vorteile:

• Das Skelett speichert die wichtigen geometrischen Konstruktionsinformationen, während Bemaßungen und Berechnungen in technischen Notizbüchern wie PTC Mathcad gespeichert werden.
• Die Daten werden während des gesamten Entwurfs an alle einzelnen Komponenten und ihre Merkmale weitergegeben.
• Die Beziehungen zwischen allen Komponenten und Merkmalen werden ebenfalls automatisch verwaltet. 

Letztlich bedeutet dies eine große Zeit- und Geldersparnis. Ohne Top-Down-Design wird eine kleine Änderung an einem beliebigen Teil eines Modells zu einer großen Aufgabe, da sich diese Änderung auf Dutzende oder Hunderte von anderen Komponenten im Entwurf auswirken kann. Beim Top-Down-Design werden die Daten vom Skelett auf alle Entwurfskomponenten übertragen. Kleine oder große Änderungen an fast jeder Stelle des Entwurfs sind einfacher, da sie automatisch auf die betroffenen Komponenten angewendet werden. Wenn sich die Änderung auf Berechnungen auswirkt, die im zugehörigen PTC Mathcad-Notebook gespeichert sind, werden auch diese aktualisiert.

Sehen Sie selbst, worum es geht

Unabhängig davon, ob Sie an bestehenden Modellen arbeiten oder ganz neu anfangen, gibt es eine Reihe leistungsfähiger Werkzeuge und Techniken, mit denen Sie Ihre Arbeit effizienter gestalten können. Bessere Zusammenarbeit im Team, kürzere Entwicklungszeiten, qualitativ hochwertigere Produkte und weniger Verschwendung - all das kann durch den Ansatz des Top-Down-Designs erreicht werden.