Eine Einführung in CAD (FreeCAD)

Eine kleine Bermerkung vorne weg: Da sich der Artikel an Leute richten soll, die noch nie etwas mit CAD-Programmen gemacht haben, muss er recht detailliert sein, d.h. es gibt viel zu lesen. Zudem werden im Text öfter Infos erwähnt, die für euch zu diesem Zeitpunkt noch nicht so interessant sind oder ihr nicht versteht/einordnen könnt. An solchen Infos sollte man sich also nicht zu lange aufhalten, da sie sich später erklären werden.
Wer nicht so viel lesen möchte oder schon ein paar Kenntnisse hat, kann auch direkt weiter unten mit „Einzelteil erstellen“ beginnen 🙂

Einleitung

CAD (Computer aided Design), zu deutsch rechnerunterstütztes Konstruieren, ist heutzutage die gängige Praxis in der Industrie bevor ein Produkt in die Produktion geht. Es hat das Zeichnen/Konstruieren am Zeichenbrett abgelöst.

Struktur von CAD-Programmen

Angenommen ich möchte einen Tisch aufbauen bzw. herstellen. Der Tisch soll aus einer Tischplatte, 4 Beinen und ein paar Schrauben bestehen. Wie in der Realität folgt auch ein CAD-Programm dieser logischen Struktur. Das heißt ich erzeuge meine Einzelteile und baue sie danach zusammen.

  • Part (Einzelteil):
    Jedes Objekt, das man herstellen möchte, kann und muss in seine Einzelteile zerlegt werden, sofern möglich. Ein einfaches Beispiel wäre ein Marmeladenglas, welches aus einem Glas und einem Deckel besteht.
  • Assembly (Baugruppe):
    In der Baugruppe werden die verschiedenen Einzelteile miteinander in Beziehung gesetzt bzw. zusammen gebaut.
  • Draft (Zeichnung):
    2D-Zeichnung/Ableitung eines Einzelteils oder des Zusammenbaus, d.h. die Übertragung von 3D in 2D. Hier entsteht die Zeichnung, die nachher in der Fertigung benötigt wird. Es werden hier alle nötigen Maße und Toleranzen angegeben.

Dies sind die 3 „Grundbausteine“, die eigentlich in jedem CAD-Programm existieren. In den kommerziellen Programmen, die ich kenne, gibt es für jede dieser 3 Grundbausteine ein eigenes Dateiformat. Bei FreeCAD hingegen ist dies ein bisschen anders, mehr dazu weiter unten.

Zu erwähnen wäre noch, dass jedes CAD-Programm sein eigenen Dateibezeichnungen und Endungen benutzt.
Deshalb gibt es einige Dateiformate, die jedes CAD-Programm lesen und speichern kann und die somit als Schnittstelle zwischen den Programmen dienen.
Diese sind unter anderem:

  • .step/.stp – 3D-Format, für Einzelteile/Zusammenbau
  • .dxf – 2D-Format, kann von CNC-Maschinen gelesen werden
    z.B. CNC-Brennanlagen
  • .dwg – 2D-Format zum Übertragen von Zeichnungen.

FreeCAD

FreeCAD ist auf allen Betriebssystemen verfügbar, Opensource und kostenfrei.
Unter https://www.freecadweb.org kann man es herunterladen und die Dokumentation/Wiki einsehen.
Ein nützlicher Link ist:
https://wiki.freecadweb.org/Online_Help_Toc/de
Darin findet man auch Kapitel zu den verschiedenen Umgebungen, die die einzelnen Befehle dieser Umgebung auflisten.
FreeCAD hat momentan keine Assembly-Umgebung, jedoch gibt es hierfür ein Addon (siehe Addons/Makros).

Bedienung

Wie schon weiter oben im Abschnitt über die Struktur erwähnt, ist FreeCAD ein wenig anders als die kommerziellen Programme aufgebaut. In diesem Fall werden Einzelteil und Zeichnung in einer Datei abgespeichert. Außerdem ist es möglich, in einer Datei zwischen verschiedenen Umgebungen zu wechseln. Für einen Anfänger ist diese Info erstmal nicht so relevant bzw. verständlich, aber das sollte sich bald ändern.

Für den Anfang sind da die folgenden Umgebungen zu erwähnen:

  • Part Design (hier entsteht das Einzelteil)
  • Assembly4 (der Zusammenbau)(siehe Addons/Makros)
  • TechDraw (hier entsteht die Zeichnung)

Dann gibt es noch die Navigation oder Objektmanipulation.

Es gibt drei Möglichkeiten, das Modell zu manipulieren. Mit Manipulieren ist gemeint, dass ich das oben zu sehende Bauteil bewegen, rotieren und verschiedene Ansichten einstellen kann. Dazu zählen die mit 1 und 2 markierten Bereiche. Mit Rechtsklick auf den mit 3 gezeigten Hintergrund hat man die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Navigationsstilen zu wechseln. Diese Navigationsstile betreffen die Bewegung mittels der Maus. Dazu hilft folgende Seite:
https://wiki.freecadweb.org/Mouse_Model/de

Addons/Makros

Unter Werkzeuge – AddonManager können Addons und Makros installiert werden.
Hier ist auch Assembly4 zu finden, welches FreeCad um eine Zusammenbau-Umgebung erweitert.

Tipps

Klickt man bei einem Körper eine Kante oder Fläche an, dann werden im Reiter „Aufgaben“ die Bearbeitungsmöglichkeiten angezeigt.

Einzelteil erstellen

  • Grundbefehle
  • Einstellungen
  • Aufpolsterung
  • Rotation

Grundbefehle

Jeder 3D-Körper beginnt mit einer 2D-Skizze, welche dann je nach Aufbau mit einem Befehl zu einem 3D-Körper wird.
In jedem 3D-CAD-Programm gibt es dieselben Grundbefehle zum Erstellen von Körpern. Oftmals heißen sie jedoch von Programm zu Programm anders. Hier sind die in FreeCAD verwendeten:

  • Aufpolsterung
    Eine beliebige 2D-Geometrie wird in die Länge gezogen. Ein einfaches Beispiel wäre ein runder Stab. Die Ausgangsgeometrie ist ein Kreis und der Befehl „Aufpolsterung“ erzeugt daraus einen Stab.
  • Rotation
    Hier wird eine beliebige 2D-Geometrie um eine Rotationsachse rotiert und dadurch der Körper erzeugt. Hier könnte man wieder den runden Stab als Beispiel nehmen. Nun ist die Ausgangsgeometrie jedoch ein Rechteck.
    Ein eingängigeres Beispiel wäre ein Glas. Schneidet man es in der Mitte durch, so bildet die Schnittgeometrie ein U, durch dessen Mitte die Rotationsachse verläuft. Für den Befehl „Rotation“ braucht man aber nur eine Hälfte des U, d.h. es entsteht ein L, welches dann um die Rotationsachse rotiert wird
  • Tasche
    das Gegenstück zu Aufpolsterung, aber diesmal wird „Material“ in Form der Geometrie entfernt
  • Nut
    das Gegenstück zu Rotation, aber diesmal wird „Material“ in der Form der Geometrie entfernt

Aus diesen 4 Befehlen kann in den meisten Fällen die Rohform des Einzelteils erstellt werden.

Wenn man mit der Zeit die verschiedenen Befehle kennen gelernt hat und weiß, wie sie funktionieren, dann kann man auch abschätzen, wie man in der jeweiligen Situation am einfachsten oder besten ein Bauteil erzeugt.
Generell gibt es nicht „den“ Weg zur Erzeugung eins Bauteils.
Wie man oben an dem einfachen Beispiel eines runden Stab sieht, gibt es hier schon zwei mögliche Wege.
Es kann sein, dass ich mit einer Methode das Bauteil zwar schnell erzeuge, aber eine spätere Bearbeitung extrem zeitaufwendig oder umständlich wird. Ein „Fehler“, der am Anfang gerne gemacht wird, ist, so viel wie möglich in die erste Skizze zu bekommen. Dadurch wird eine spätere Bearbeitung jedoch oftmals sehr erschwert. Weiter unten am Beispiel des Flansch im Abschnitt „Rotation“, kann man dies gut sehen. Im ersten Schritt wird nur die „L-Kontur“ erzeugt, jedoch noch nicht die Fasen und die Nut. Fällt die Fase oder Nut später aus irgendeinem Grund weg, muss die Skizze wieder „geflickt“ werden, was ziemlich lästig ist. Mit dem gezeigten Aufbau kann man sie einfach im Modellbaum löschen.

Einstellungen

Eine Hilfe für das Zeichnen am Anfang ist der Rasterfang.

Zu Finden unter: Bearbeiten -> Einstellungen -> Skizze.
Dort können die Optionen „Raster anzeigen“, „Am Raster fangen“ ausgewählt und die Rastergröße eingestellt werden.
Wie weiter unten in einem der Bilder zu sehen, wird die Skizzierebene mit einem Gitternetz/Raster hinterlegt und beim Zeichnen einer Linie werden die Rasterschnittpunkte gefangen. Das erleichtert es ein wenig, die Dimensionen der Geometrie beim ersten Zeichnen annährend richtig zu zeichnen.

Aufpolsterung

Mit der Tastenkombination Strg+N wird ein neues Teil erstellt.
Dann wechselt man in die Umgebung „Part Design“.

Ein Klick auf „Start“ im rot umrandeten Bereich öffnet ein DropDown Menü, durch welches in andere Umgebungen gewechselt werden kann.
Im Reiter „Aufgaben“, in dem mit 1 markierten Bereich lässt sich ein neuer Körper erstellen
Nun muss eine 2D-Skizze erstellt werden, die die Grundlage für den ersten Körper bildet
Es gibt 3 verschiedene Ebenen, die ausgewählt werden können. Durch Klicken in 1 bzw. 2 kann sie ausgewählt werden.

Nun befindet man sich in der Skizzenumgebung. Hier kann man, mit den in 1 markierten Befehlen, seine Geometrie zeichnen.
Im mit 2 markierten Bereich befinden sich die Beziehungsbefehle und der mit 3 markierte Punkt ist der Ursprung des Koordinatensystems. Dieser ist der einzige Fixpunkt in der Zeichenebene.
Was sind Beziehungen?
Beziehungen oder Beschränkungen, wie sie etwas beschreibender in FreeCAD genannt werden, helfen dabei, Geometrieelemente zu beschränken und/oder Beziehungen zwischen ihnen zu schaffen. Im nächsten Bild sieht man 4 Linien, die ein Rechteck werden sollen. Dazu wäre es am besten, erstmal die Endpunkte jeweils zweier Linien aufeinander zu setzen und jeweils zwei Linien horizontal bzw. vertikal zu beschränken. Dies ist im übernächsten Bild zu sehen.
Hier die in FreeCAD verwendeten Beziehungsbefehle:

  • Koinzidenz (legt zwei Endpunkte aufeinander)
  • Punkt auf Objekt (z.B. Mittelpunkt eines Kreises auf eine Linie)
  • Vertikale/horizontale Beschränkung (richtet eine Linie vertikal/horizontal zu den Achsen des Koordinatensystems aus)
  • Parallelität zwischen zwei Geraden
  • Orthogonalitätsbeschränkung (richtet zwei Geraden im rechten Winkel zueinander aus)
  • Tangente (Kreis/Bogen tangential zu einer Linie)
  • Gleichheitsbeschränkung (zwei Kreise haben die gleiche Größe; praktisch, da nur einer bemaßt werden muss)
  • Symmetriebeschränkung (zwei Linien oder Punkte richten sich symmetrisch zu einer dritten Linie oder Punkt aus)
  • vertikalen/horizontalen Abstand zwischen zwei Punkten
  • Länge einer Linie festlegen
  • Durchmesser/Radius beschränken bzw. bemaßen
  • Winkel zwischen zwei Linien bemaßen
Dies ist nur ein Bespiel zur Veranschaulichung von Beziehungen. Ein Rechteck bitte nicht so zeichnen. Dazu gibt es den Befehl „Rechteck“.
Ein einfaches Rechteck, mit dem entsprechenden Befehl aus Bereich 1 im vorletzten Bild gezeichnet

Ein wichtiger Punkt bei der Erstellung der Geometrie ist, dass die Geometrie bestimmt und die Kontur geschlossen ist. Das bedeutet, dass sie sich nicht mehr ändern lässt, wenn man an einem Punkt bei gedrückter Maustaste zieht.
Woher weiß ich, ob meine Skizze bestimmt ist?
Dazu hilft ein Blick in den oben rot markierten Bereich. Dort werden noch 4 bestehende Freiheitsgrade angezeigt. Außerdem ändert sich die Farbe der Geometrie, wenn sie bestimmt ist.
Auf das Rechteck bezogen bedeutet dies, dass die Länge, Breite und die Position des Rechtecks in Bezug auf den Ursprung noch nicht bestimmt sind.

Im mit 1 markierten Bereich befinden sich zwei Befehle, mit denen man den vertikalen/horizontalen Abstand zwischen zwei Punkten bemaßen kann.

Hier ist die Geometrie bestimmt, sie kann sich nicht mehr ändern.
Warum ist das so wichtig?
Zum einen, um zu gewährleisten, dass die Geometrie maßlich genauso ist, wie wir sie haben wollen, und zum anderen, dass sie nicht nachher ausversehen geändert werden kann. Angenommen man hätte nur Länge und Breite bemaßt, dann wäre es immer noch möglich, das Rechteck beliebig zu verschieben. Warum ist das ein Problem? Nehmen wir weiter an, dass man danach eine Bohrung in den im nächsten Schritt entstehenden Quader macht. Verschiebt man nachträglich das Rechteck, dann sitzt die Bohrung aufeinmal ganz woanders oder geht sogar gar nicht mehr durch den Quader.

Nun können verschiedene „Skizzenwerkzeuge“ ausgewählt werden. Einige davon führen jedoch zu Fehlermeldungen, wie z.B. Tasche, da noch kein Körper da ist, von dem man etwas entfernen könnte.
Hier kann nun die Aufpolsterungslänge angegeben, sowie einige andere Optionen ausgewählt werden.

Rotation

Jetzt soll ein Flansch konstruiert werden.

Dazu zeichnet man die Kontur und bestimmt sie. Kleiner Tipp: Sollten noch Freiheitsgrade übrig bleiben, dann hilft es sich eine Linie zu packen und an ihr zu ziehen. So sieht man, ob sie sich noch bewegen lässt.

Als Rotationsachse dient eine Achse des Koordinatensystems, in diesem Fall die X-Achse. Sie lassen sich aber, wie im nächsten Bild zu sehen, noch auswählen. Sollte euer Flansch nicht so aussehen wie im Bild, dann liegt dies vermutlich daran, dass ihr die falsche Rotationsachse im Menü ausgewählt habt.

Jetzt bringen wir die Bohrungen in den Flansch. Dazu ist der Befehl „Bohrung“ notwendig, der wiederum eine Skizze auf der Stirnfläche des Flansch benötigt.

Stirnfläche des Flansch anklicken und in der Aufgabenliste „Skizze erstellen“ anwählen
1=Kreis; 2=Kreismittelpunkt auf Achse; 3=Abstand bemaßen; 4=Durchm. bemaßen
Es können noch diverse Optionen eingestellt werden, wie Tiefe, Gewinde etc.
1=Polares Muster; 2=Bohrung in der Liste auswählen
1=Rotationsachse des Musters auswählen; 2=Optionsmöglichkeiten (Anzahl, Winkel)

Jetzt soll der Flansch noch Fasen erhalten.

1=Kante auswählen (mehrere Kanten können durch halten der STRG-Taste ausgewählt werden); 2=“Kante“ Befehl
Im Menü des Kante Befehls kann die Größe der Fase bestimmt werden

Im nächsten Schritt soll der Flansch eine Nut erhalten. Dazu kann man aber nicht im Reiter „Aufgaben“ über „Körper erstellen“ gehen.

Neben dem Reiter „Aufgaben“ gibt es auch noch den Reiter „Modell“.
Diese Ansicht zeigt eine Baumstruktur des aktuellen 3D-Körpers. In unserem Fall:

  • Dateiname
    • Name des Körpers
      • Origin (die 3 Achsen/Ebenen)
      • Revolution (Rotationskörper)
      • Hole (Bohrung)
      • Polar Pattern (Polares Muster der Bohrung)
      • Chamfer (Fase bzw. Kante)

Jeder neue Bearbeitungsschritt, den man am Körper macht, wird unten angefügt. Hier können sie unter anderem gelöscht oder durch Doppelklick bearbeitet werden.
Durch Auswählen eines Bearbeitungsschritts und Drücken der Leertaste wird dessen Sichtbarkeit ein- oder ausgeschaltet, d.h. alle danach kommenden Elemente werden ausgeblendet.
Auch die Achsen/Ebenen können über diese Methode sichtbar gemacht werden.

Zum Erzeugen der Nut muss eine neue Skizze auf einer Ebene über den entsprechenden Befehl erstellt werden.

1=Wechselt zwischen Schnitt- und Vollansicht (Der Teil des Flansch, der vor der Skizzierebene liegt, wird weggeschnitten)
1=die passende Rotationsachse für die Nut muss ausgewählt werden

Das soll es fürs Erste gewesen sein. Falls ihr noch Anregungen oder Fragen habt, dann schreibt sie in die Kommentare.
Auf die Umgebungen „Assembly“ und „TechDraw“ werde ich in den nächsten Artikeln eingehen.

Zuletzt Aktualisiert: 17.05.2020

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