Guide Grafikkarten in CAD nachbauen

TheGermanEngineer

BIOS-Overclocker(in)
Hallo zusammen,

@PCGH_Thilo ist persönlich an mich herangetreten und hat mich gefragt, ob ich nicht mal einen Artikel darüber schreiben möchte, wie ich Hardware in CAD nachbaue und rendere, im speziellen bei Grafikkarten, weil man hier im Forum von mir an diversen Stellen zwar hin und wieder das Endergebnis in Form eines Renderbilds gesehen hat, aber nie den Prozess nachvollziehen konnte.
Also möchte ich dem nachkommen und schreibe diesen vermutlich etwas länger werdenden Guide. Es soll aber kein Schritt-für-Schritt-Guide für Fusion 360 sein, und schon gar nicht einer für beliebige CAD-Software. Viel mehr soll es die einzelnen Schritte aufschlüsseln und einen Einblick geben.

Einführung​

Wie lange ich für ein Stück Hardware oder eine Grafikkarte brauche, hängt von verschiedenen Punkten ab, meist aber rund 4-8 Stunden, wenn ich konzentriert bei der Sache bleibe. Um schnell und effektiv arbeiten zu können, sollten folgende Dinge vorhanden sein, bzw. haben einen Einfluss:
  • hochauflösender Bilder
  • Produktspezifikationen, insbesondere Maße
  • Komplexität des Vorbilds, z.B. Details, Oberflächen
  • bereits fertige Modelle von Basisplatine und IO-Bracket
Die ersten beiden Punkte können entfallen, wenn man die Hardware physisch vor Ort hat und selbst nachmessen kann, letzterer erfordert alternativ das Anfertigen ebensolcher Modelle anhand der offiziellen PCIe-Spezifikationen, aus denen man sich die relevanten Seiten heraussuchen muss.

Auch der spätere Sinn und Zweck hat Einfluss auf den Zeitbedarf. Soll es nur ein Renderbild werden, reichen auch eine einfacher gestaltete Platine und IO-Bracket, und die Abmessungen müssten nicht so präzise sein, sofern die Proportionen stimmen. Dafür darf ruhig etwas zusätzliche Zeit in optische Details investiert werden. Soll es aber z.B. zur Konstruktion eines Gehäuses dienen, wie ich es hier zum ersten Mal und hier zum zweiten Mal getan habe, sind die Abmessungen besonders wichtig, während optische Details auch ausgelassen werden können, sofern die äußere Form stimmt.

Software​

Wie oben erwähnt verwende ich Fusion 360 von Autodesk für meine Projekte. Es ist eine teils cloudbasierte CAD-Software, was einige Vor- und Nachteile mit sich bringt. Man hat so seine Projekte jederzeit verfügbar, auf jedem Rechner, muss dafür aber eben auch online sein, spätestens zum Synchronisieren. Der Wechsel auf eine andere Software ist meist auch nicht so einfach, weil sich die Workflows je nach Software doch teils recht stark unterscheiden und man beim Einarbeiten wieder vor einer steilen Lernkurve steht.
Dazu gesellt sich Krita, die freie Grafik- und Zeichensoftware von KDE, also sowas ähnliches wie Photoshop. Damit extrahiere ich mir noch nötige Abmessungen aus Produktbildern und erstelle Sticker und Schriftzüge, die später auf das Modell kommen.

Vorbereitung​

Für diesen "Guide" möchte ich die Entstehung eines meiner Lieblingswerke aufschlüsseln, dem Modell der ASUS GeForce RTX 3070 Noctua Edition. Entstanden ist diese Modell in der Woche zwischen dem ersten Leak der finalen Produktbilder und der tatsächlichen Veröffentlichung, genauer gesagt einen Tag nach dem ersten Leak. Das sorgte für folgende Ausgangssituation:
  • drei Bilder (Draufsicht auf Lüfter, IO-Bereich, sowie isometrische Ansicht vom Schriftzug "ASUS x Noctua") in mäßiger Auflösung
  • keine genaueren Spezifikationen vom Hersteller
  • aber vorbereitete Modelle von Platine und IO-Bracket
  • und als Bonus auch fertige Modelle von den NF-A12x25, die in dieser Karte zum Einsatz kommen
Keine ideale Ausgangssituation, aber immerhin kenne ich die exakten Maße der Lüfter, sodass sich aus den Bildern das meiste gut schließen ließ. Bei Grafikkarten ist eine grundlegende Entscheidung die Gestaltung der Kühlfinnen. Wenn sie ein essentielles Designelement sind, wie auch bei den Ampere-Founders-Editions, sollten sie auch entsprechend ausgearbeitet sein, vor allem bei Render-Projekten, wie auch bei diesem. Immerhin konnte ich den Finstack hier relativ einfach umsetzen. Ich habe auch die erwähnten Founders-Editions der 3070, 3080 und 3090 nachgebaut, die gebogenen Kühlfinnen haben verdammt viel Zeit in Anspruch genommen. Bei den Navi-2x-Referenz-Modellen von AMD konnte ich mir das zum Glück sparen.

Grundlagen​

In Fusion 360 wird der gesamte Konstruktionsverlauf mit aufgezeichnet, und ich denke das wird auch in vielen anderen CAD-Softwares so sein. Das ist für mich jetzt von Vorteil, weil ich so von den jeweiligen Schritten Screenshots machen kann.
Den Anfang macht immer die Grundplatine mit 1.57 mm Dicke. Die Platine habe ich vor längerer Zeit anhand der PCI Express Card Electromechanical Specification angefertigt, und spare mir somit Zeit. Dazu kommt die IO-Bracket, die ich anhand der gleichen Spezifikation angefertigt habe und mit ihrer Hilfe an der Platine richtig ausrichte. Für das Anfertigen der folgenden Skizzen füge ich mir die beiden Draufsichten als Ansichtsbereiche ein.
pcb_bracket.png pcb_bracket_views.png

Grundkörper​

Weiter geht es mit der Kühlerabdeckung, die um Grunde die äußere Form bestimmt, sowie dem Finstack, sofern ich den umsetzen möchte. Wie ich dabei vorgehe, kann von Karte zu Karte sehr unterschiedlich sein. Die Oberfläche ist hier relativ flach, daher bietet sich hier die naheliegendste Variante an, indem ich die Form von oben, also mit Sicht auf die Lüfter, nachzeichne und in die dritte Dimension extrudiere (Transformationen von zweidimensionalen Skizzen nennt man Extrusions). Für den Moment lege ich diesen Körper beiseite und es geht weiter mit dem Finstack. Dazu erzeuge ich aus einem Profil eine einzelne Finne und vervielfältige sie über eine Pfadanordnung, wie ich sie brauche. Zum Schluss ziehe ich noch ein paar Heatpipes durch den Finstack, um sie zu einem Körper zu verbinden. Das entspricht so natürlich nicht ganz dem Vorbild, reicht aber für den Zweck vollkommen aus, und viel bessere Bilder vom Finstack hat es zu der Zeit ohnehin noch nicht gegeben.
shroud_base.png finstack_first.png finstack_path_arrangement.png

Exkurs: Lüfter​

An dieser Stelle modelliere ich für gewöhnlich die Lüfter. Da ich diese hier ebenfalls importieren kann, entfällt dieser Schritt. Dennoch möchte ich auf meinen aktuellen Best-Practise eingehen. Auf den Rahmen gehe ich nicht weiter ein. Der ist trivial und ist nur bei Gehäuselüftern relevant, bei Grafikkarten normalerweise nicht. Um die Lüfternabe lege ich ein einzelnes Lüfterblatt an. Dieses winkle ich um etwa 15° an, verschiebe es etwas nach oben und vervielfältige es um die Lüfternabe im Winkelabstand von Anzahl Lüfterblätter / 360°. Zwar sind Lüfterblätter eigentlich gebogen und haben häufig eine Oberflächenstruktur, für das Große und Ganze reicht das aber.
fan_base.png fan_blades.png

Ausarbeitung der Details​

Die Lüfter werden also auf dem Finstack platziert und die Kühlerabdeckung von vorhin entsprechend nach oben geschoben. Die Seiten der Abdeckung werden modelliert und nach unten gezogen. Dazu kommen an dieser Stelle eine passende Farbe und die ersten beiden Sticker.
shround_with_fans.png shroud_complete.png
Die Oberseite wird mit weiteren Details aus Extrusionen versehen, die ggf. mit Fasen abgeschrägt werden. Die Backplate ist relativ einfach gemacht. Da es keine Bilder von der Backplate zu diesem Zeitpunkt gab, habe ich hier improvisiert und eine einfache Backplate mit der Noctua-Eule angefertigt. Einen Ausschnitt für den Stromanschluss gibt es auch, wenngleich ich davon kein Modell oder Platzhalter verbaue.
shroud_top_details.png backplate.png
Zum Schluss kommt die Seite, welche man später im Gehäuse am besten sehen wird. Der obere Teil ist wieder als Extrusion gestaltet, der hellere, innere Teil ist mit einer Nut abgesetzt. Dazu kommen wieder zwei Schriftzüge bzw. Sticker. Während die Logos von ASUS und Noctua jeweils von deren Webseite stammen, ist der Geforce-Schriftzug allein in Krita entstanden. Zum Glück gibt es eine Schriftart mit genau diesem Namen, um dies adäquat umzusetzen.
shroud_side_detail.png

Rendering​

Zum Rendern platziere ich die Grafikkarte häufig in einer neuen Konstruktion, um sie hier nach Belieben auszurichten. Für Grafikkarten bietet sich zum Beispiel eine angeschrägte Position an, bei der sie auf den Spitzen der IO-Bracket steht und der PCIe-Slot nach unten zeigt. Im eigenen Renderer von Fusion 360 können grundlegende Einstellungen vorgenommen werden wie Umgebung, Helligkeit, Reflektionen, Kameraeinstellungen und auch Tiefenschärfe. Für meine Zwecke hat das immer ausgereicht, wie auch das angehängte finale Bild zeigt. Je nach Einstellungen und Auflösung dauert das dann zwischen 10 und 30 Minuten, weil hier mit echtem Pathtracing gearbeitet wird. Mein Rechner ist schon etwas älter, daher braucht mein i7-6700K schon seine Zeit dafür. Währenddessen kann man dann andere Dinge erledigen. Wenn Materialien verwendet werden, die selbst Licht emittieren, kann der Export bei gleicher Qualität noch mal bedeutend länger dauern. RGB-DRAMs habe ich daher noch nicht als Render umgesetzt.
render_port.png ASUS_NOCTUA_3070_VIEW_CINEMATIC.png
Prinzipiell ist auch ein Export nach Blender oder anderen Softwares möglich. Mit Blender kompatible Formate wie .fbx oder .obj können im Autodesk-Hub exportiert werden, was jedoch einige Zeit dauert, weil es nicht lokal auf dem Rechner passiert. Weil man somit von den Autodesk-Servern abhängig ist, was je nach Tageszeit zwischen 10 und 60 Minuten dauern kann, war es nie wirklich attraktiv für mich auf Blender zu wechseln. Dafür ist der Fusion-Renderer einfach um Längen komfortabler und auch einfacher zu bedienen, und die Endergebnisse waren auch immer zufriedenstellend. Anderen Artists stelle ich aber in Einzelfällen meine Modelle für ihre eigenen Zwecke zur Verfügung.
Die fertigen Bilder landen dann häufig im Showroom des PCGH-Discords oder irgendwo hier im Forum.

Ich hoffe ich konnte euch einen Einblick in meine Arbeit geben, und dass ich dabei das richtige Mittelmaß zwischen Länge und Detailgrad gefunden habe. Rückfragen versuche ich gerne zu beantworten.
 

Schiggy

Komplett-PC-Aufrüster(in)
Sehr schöne Anleitung. Ich habe vor Kurzem mein PC Gehäuse mit Inventor nachgebaut um meinen Build in 3D zu planen, da das Gehäuse ziemlich klein ist. Mir ging es dabei also nur um die Dimensionen und nicht ums Rendern. Das Gehäuse ist das A4 von Jonsbo, welches ich auch auf GrabCAD hochgeladen habe: https://grabcad.com/library/jonsbo-a4-1
Der Import nach Blender ist eine gute Idee. Vielleicht befasse ich mich mal mit dem Rendern bei Gelegenheit. :daumen:
 

SyFi

Schraubenverwechsler(in)
Wie oben erwähnt verwende ich Fusion 360 von Autodesk für meine Projekte. Es ist eine teils cloudbasierte CAD-Software, was einige Vor- und Nachteile mit sich bringt. Man hat so seine Projekte jederzeit verfügbar, auf jedem Rechner, muss dafür aber eben auch online sein, spätestens zum Synchronisieren.
Hallo,
toller Beitrag von Dir, danke!
Habe vor kurzem für mich eine gute alternative zu Fusion360 entdeckt, die mindestens den gleichen Funktionsumfang hat.
Und zwar Solid Edge Community Edition 2022 von Siemens.
Kann ähnlich wie Fusion 360, mit einer kostenlosen 1000-Tage-Lizenz für Privat nutzen werden.
Nach der Ablaufzeit kann beliebig oft verlängern werden.
Ist nicht cloudbasiert!
Es hat keine Funktionseinschränkungen sowie Fusion360 (max. 10 aktive Konstruktionen pro Jahr!).
Darf wie Fusion aber dann auch nicht gewerblich genutzt werden.
Die Benutzeroberfläche kann komplett auf Deutsch und auch andere Sprachen, umgestellt werden.
Alle Funktionen sind ausführlich in einer Online-Dokumentation erklärt. Teilweise sogar mit Videos.
Verarbeitet viele gängige 3D- u. CAD-Formate sogar Baugruppen wie in SolidWorks, AutoCAD, Catia V4/5, Inventor, Fusion360, 3MF, STL, OBJ... u.v.m.
Funktionen für 2d-Zeichnungen, 3D-Druck, Flächenmodellierung, Rendern, Simulation, Materialtabelle und Reverse Engineering sind auch enthalten.
Nutze selbst beruflich Catia V5 und bin nach kurzer Einarbeitungszeit mit Solid Edge 2022 warm geworden. Zuvor habe ich auch privat Fusion 360 genutzt.
Wer gerne selbst konstruieren möchte, sollte da mal reinschauen.

PS: Ich werde im übrigen nicht von Siemens bezahlt, gesponsort oder der gleichen.
Ich möchet nur auf eine vielleicht nicht ganz so bekannte CAD-Software aufmerksam machen.
 
Zuletzt bearbeitet:

phoenix86

PC-Selbstbauer(in)
Sehr cool gemacht, danke für den etwas tieferen Einblick!
Ich hab aber gleich mal eine Frage und zwar suche ich ein nahezu 1:1 Platinen-Modell meiner 3080Ti Suprim X von MSI. Ist sowas online zu finden, wenn ja wo? Ich brauche eigentlich "nur" Maße rund um die GPU und den VRAM für eine Custom-Kühler-Lösung.
Vielleicht habt ihr auch Ideen an wen ich mich wenden könnte!?

VG phoenix
 

Da_Obst

PCGH-Community-Veteran(in)
Sehr cool gemacht, danke für den etwas tieferen Einblick!
Ich hab aber gleich mal eine Frage und zwar suche ich ein nahezu 1:1 Platinen-Modell meiner 3080Ti Suprim X von MSI. Ist sowas online zu finden, wenn ja wo? Ich brauche eigentlich "nur" Maße rund um die GPU und den VRAM für eine Custom-Kühler-Lösung.
Vielleicht habt ihr auch Ideen an wen ich mich wenden könnte!?

VG phoenix

Wenn man ein fertiges Modell braucht und in den gängigen Anlaufstellen wie GrabCAD oder CGTrader nichts findet, dann bleibt nur "selber machen". Die Hersteller rücken weder CAD-Detailpläne, noch 3D-Modelle raus, zumindest nicht an Privatpersonen. Kleine(re) Unternehmen schauen ebenfalls durch die Finger.
Meiner Erfahrung nach geht man aber sowieso ein großes Risiko ein, wenn man sich blind auf die Korrektheit der CAD-Modelle Dritter verlässt. Ich bin damit einmal gut auf die Schnauze gefallen und zeichne seitdem alles selber...

Im Folgenden zeige ich einmal meinen Ansatz für eine Karte, auf welche ich keinen Zugriff habe:

Bei TechPowerUP findet man in den GraKa-Reviews gute Top-Down Fotos der PCBs.

front.jpg


Diese werden natürlich auch keine orthogonale Ansicht sein, dafür bräuchte man einen (aufwändigen) Scan oder unendliche Brennweite. Allerdings scheint sich die perspektivische Verzerrung soweit in Grenzen zu halten, dass man recht nah am Ausgangsobjekt landet, wenn man dieses Foto als Ausgangspunkt für ein CAD-Modell verwendet.

1.png


In F360 angekommen erstellt man eine neue, leere Datei und speichert diese unter dem gewünschten Projektnamen ab. Anschließend kann man über "Einfügen" - "Ansichtsbereich" ein Foto auf eine der drei Ebenen legen und so als Referenz für Skizzen verwenden.

2.png


Ich habe die X/Y-Ebene gewählt, sodass ich von oben herab auf das Bild blick. Die X-Achse liegt somit horizontal, für mich ist das als Techniker einfach Gewohnheit, man kann das Koordinatensystem aber beliebig legen.
Wichtig ist, das Bild transparent zu machen, bzw. zu lassen und die Skalierung auf 1:1 zu belassen.

3.png


Nun muss das Bild kalibriert werden, damit F360 die Abmaße des Bildinhalts kennenlernt. Bisweilen ist ja noch keine Dimension bekannt. Also macht man im Browser einen Rechtsklick auf das Bildelement und wählt "Kalibrieren" aus.

Micron GDDR6X.png


Aus den Micron Produkt-Spezifikationen für das GDDR6X VRAM Modul ergeben sich Abmaße von 14x12mm per Chip. Diese Information wollen wir nun im CAD einpflegen und das Bild korrekt auf Größe zu skalieren.

4.png


Nachdem im Browser auf "Kalibrieren" gedrückt hat erhält man einen Cursor, mit welchem man zwei Punkte auswählen soll. Diesen zwei Punkten wird anschließend eine bekannte Streckenlänge zugewiesen.
Wichtig ist, dass man die Ansicht auf "Oben" gesetzt hat (Viewcube in der rechten oberen Ecke anklicken) und ein möglichst gerades Streckenstück verwendet.
Ich habe hier bei einem VRAM-Chip so gut wie möglich von Kante auf Kante geklickt und anschließend die 14mm Länge eingegeben.

5.png


Nun, da das Bild auf korrekte Größe skaliert ist erstellt man eine Skizze und legt diese ebenfalls auf die X/Y-Ebene um das Bild als Hintergrund verwenden zu können.

6.png


Mit der Taste "R" kann man ein Rechteck erstellen. Dieses zieht man von Ecke zu Ecke über einen VRAM-Chip und vergibt sofort die Maße von 12x14mm um sicherzustellen, dass beim Skalieren des Hintergrundbildes nichts schief gegangen ist. Zwischen der Eingabe des vertikalen und horizontalen Maßes kann man mit "Tab" wechseln. Sollte man sich verklickt haben und ein Maß ausgelassen haben, nachdem man die Erstellung des Rechteckes beendete, kann man mit "D" weitere Maße erstellen.

GA 102.png


Bei igor's LAB habe ich die Abmaße für den GA102 gefunden, diese kann man nun ebenfalls direkt in die Skizze übertragen.

7.png


Und hier ist auch schon ein Rechteck über den Die gezogen.

8.png


Hier sind nun sämtliche Rechtecke für alle VRAM-Chips und den GPU-Die gezeichnet. Um möglichst nah an das Original der Karte heranzukommen muss man nun noch sicherstellen, dass die Rechtecke den gleichen Abstand zueinander haben und die Außenkanten auf einer Linie liegen.

9.png


Mit dem "Kollinear"-Befehl in den "Abhängigkeiten" kann man sicherstellen, dass jeweils zwei ausgewählte Linien auf der gleichen horizontalen/vertikalen Achse liegen. Hier einfach der Reihe nach alle Rechtecke zueinander ausrichten.

10.png


Anschließend habe ich mit "D" die Rechtecke mit einem gleichmäßigen Abstand von 0,5mm zueinander gesetzt.

11.png


Anschließend habe ich ein Rechteck aus Konstruktionslinien über die Befestigunglöcher rund um das Package gelegt. Mit der Taste "X" kann man schnell zwischen Konstruktions- und Skizzen-Linien wechseln. Konstruktionslinien sind deshalb praktisch, weil sie vom Extrusionsbefehl ignoriert werden.

12.png


An die Ecken des Recheckes wird ein Kreis gesetzt. Kreise lassen sich schnell mit "C" zeichnen. Indem man den Kreis direkt an den Eckpunkt setzt wird eine "Koinzidenz"-Abhängigkeit vergeben, wodurch der Kreis fest mit dem Eckpunkt verbunden ist. Dies erlaubt den Kreis nachträglich exakt auf seine Position zu ziehen und somit das Rechteck zu manipulieren.

13.png


Hier sind nun auch alle Kreise für die Befestigungslöcher gesetzt. Ich habe noch schnell mit einem Linienzug den Umriss des PCB nachgezeichnet um das Modell nachvollziehbarer zu machen. Hier merkt man dann die perspektivische Verzerrung des Bildes, da das Objektiv direkt über dem GPU-Die war. Auf die Abmaße der Außenkontur ist also kaum Verlass, hier dürfte man mehrere Millimeter daneben liegen. Allerdings gibt es zum Glück die PCIe-Spezifikationen in welchen die exakten Maße für PCIe-Karten zu finden sind.
Am Schluss beenden wir also die Skizze.

14.png


Das Hintergrundbild können wir nun im Browser ausblenden indem man auf das "Augensymbol" klickt.

15.png


Anschließend wird die gesamte Skizze, abseits der Befestigungslöcher ausgewählt. Mit "E" startet man die Extrusion. Den Abstand setzen wir auf -1.57, damit in negative Richtung nach unten extrudiert wird.

16.png


Sobald man die erste Extrusion mit "Enter" bestätigt hat, muss man die Skizze wieder einblenden. Das geht im Browser mit dem "Auge" neben der Skizze. Anschließend wählt man alle VRAM-Rechtecke aus und extrudiert diese um (+)0.88mm nach oben in die positive Richtung der Z-Achse.

17.png


Nun fehlt nur noch die Extrusion des GPU-Dies. Für diesen habe ich auf die Schnelle keine Abmaße gefunden. Vielleicht findet sich mit etwas Recherche ein Datenblatt, oder ein freundlicher Mitmensch staubt seine Bügelmessschraube ab. Hier noch ein gutes Abmaß zu finden ist sicher im Rahmen des Möglichen. Ich habe nun einfach mal 2mm angenommen.

18.png


Somit ist das rudimentäre Modell fertig.
Ich habe es hier als *.step und *.f3d Datei hinterlegt: https://drive.google.com/drive/folders/1EK_QIM_tzrpvMS5nPiAalmssWF1MxLE_?usp=sharing
 
TE
TE
TheGermanEngineer

TheGermanEngineer

BIOS-Overclocker(in)
Na da war ja jemand fleißig. Mit der Perspektivverzerrung muss man leider leben und sich gewisse Maße anderweitig ableiten und definitiv Spezifikationen wälzen, um relevante Maße zu finden. Ohne geht es in der Regel nicht.
 
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