FreeCAD – Erstellen von 3D-Modellen

FreeCAD ist, wie der Name schon sagt, ein freies Programm zum Erstellen von dreidimensionalen Modellen (“Computer Animated Design”). Mit FreeCAD lassen sich beispielsweise relativ einfach mechanische Modelle oder Architekturmodelle mit genauen Abmessungen erstellen.

Einen guten Einblick in die Funktionen von FreeCAD gibt beispielsweise die deutschsprachige FreeCAD-Videoreihe auf Youtube.

Installation

FreeCAD kann unter Ubuntu über folgendes Paket installiert werden:

sudo aptitude install freecad

Möchte man allerdings stets auch an den neuesten Entwicklungen teilhaben, so ist es empfehlenswert, die Paket-Quellen des Entwickler-Teams mit aufzunehmen:

sudo add-apt-repository ppa:freecad-maintainers/freecad-daily
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install freecad-daily freecad-daily-doc

Freecad kann anschließend über das Start-Menü oder aus einer Shell heraus mittels freecad für die Standard-Version beziehungsweise freecad-daily für die aktuellste Entwickler-Version gestartet werden.

Arbeitsflächen (“Werkbänke”)

Beim ersten Programmstart von FreeCAD erscheint ein fast leerer Bildschirm. Dies liegt daran, dass noch keine “Werkbank” ausgewählt ist; als solche werden in FreeCAD für bestimmte Zwecke zusammengestellte Icon-Leisten bezeichnet. Wählt man im mittleren Auswahlmenü beispielsweise die Arbeitsfläche/Werkbank Sketcher, so werden die für das Erstellen und Bemaßen von 2D-Skizzen nützlichen Werkzeuge als anklickbare Icons eingeblendet.[1]

Folgende Arbeitsflächen in FreeCAD mit der Grundversion verfügbar:

  • Der Arbeitsbereich Start dient als Einstiegshilfe in das Programm und bietet einige Tips sowie Links zu Tutorials (beispielsweise Youtube oder das FreeCAD-Handbuch).
  • Der Arbeitsbereich Sketcher ist für das Erstellen von Skizzen mit Rand- bzw. Zwangsbedingungen ausgelegt.
  • Der Arbeitsbereich PartDesign bietet Werkzeuge für die Erstellung von 3D-Körpern aus 2D-Skizzen sowie die Weiterbearbeitung von 3D-Körpern mittels zusätzlicher Skizzen.
  • Der Arbeitsbereich Part wird zur Erstellung von geometrischen Grundkörpern verwendet; zudem können beliebige geometrische Körper weiter bearbeitet werden.
  • Der Arbeitsbereich Complete beinhaltet alle Werkzeuge der anderen Arbeitsbereiche. Die Symbolleiste ist dadurch stark gefüllt; die einzelnen Symbol-Gruppen können jedoch nach eigenen Vorstellungen platziert werden, indem man je eine Gruppe mit gedrückter linker Maustaste an eine andere Stelle in der Symbolleiste bewegt.

Zu Beginn sind die wohl wichtigsten Arbeitsflächen die PartDesign- und die Part-Werkbank, die in den folgenden Abschnitten vorgestellt werden. Weitere Arbeitsflächen können als Addons hinzugefügt werden.

Fenster-Ansichten

In FreeCAD ist die aktuelle 3D-Ansicht im Hauptfenster mittig platziert. Da mehrere Dateien gleichzeitig geöffnet werden können, ist zur Übersicht und für ein einfaches Wechseln der Fenster unmittelbar unter dem Hauptfenster eine entsprechende Tab-Leiste angebracht.

Links davon ist üblicherweise eine so genannte “Combo-Ansicht” eingeblendet:

  • Der obere Teil der Combo-Ansicht enthält im oberen Teil eine Art Inhaltsverzeichnis (“Modell-Baum”) des aktuellen Projekts, im dem einzelne Objekte ausgewählt werden können (mit gedrückter Ctrl-Taste auch mehrere auf einmal). Zudem können in diesem Fenster auch Bauteile gruppiert sowie durch Drücken der Leertaste aus beziehungsweise wieder eingeblendet werden können.

    Der obere Teil der Combo-Box hat zusätzlich eine zweite anwählbare Rubrik namens “Aufgaben”. Sofern eine Bearbeits-Funktion es erfordert, wechselt die Combo-Box automatisch in diese Rubrik und ermöglicht es die einzelnen Funktions-Parameter einzustellen.

  • Der untere Teil der Combo-Ansicht enthält ebenfalls zwei Rubriken mit jeweils editierbaren Tabellen. In der Rubrik “Ansicht” kann das Aussehen eines Objekts (Liniendicke, Selektierbarkeit usw.) festgelegt werden, in der Rubrik “Daten” kann die Positionierung sowie die Größe eines Objekts durch Zahlenwerte genau festgelegt werden.

Über dem Hauptfenster sind eine oder mehrere Symbol-Leisten zu finden, wobei je nach ausgewählter Werkbank die verschiedene Icon-Gruppen angezeigt werden.

Unter dem Hauptfenster befindet sich standardmäßig ein Ausgabefenster (unter anderem für Fehler und Warnungen) sowie eine Python-Konsole; diese beiden Fenster können anfangs guten Gewissens geschlossen werden, um auf dem Bildschirm mehr Platz für die 3D-Ansicht zu bekommen. Bei Bedarf können die geschlossenen Fenster wieder über das Menü Ansicht -> Ansichten -> Ausgabefenster beziehungsweise Ansicht -> Ansichten -> Python-Konsole wieder eingeblendet werden.

In FreeCAD können viele Arbeitsschritte mit der Maus vorgenommen werden. Standardmäßig haben die einzelnen Tasten folgende Bedeutung:

  • Linke Maustaste: Objekt auswählen. Mit gedrückter Ctrl-Taste können durch einen Klick auf die linke Maustaste weitere Objekte zur Auswahl hinzugefügt werden; durch einen Klick ins Leere wird die aktuelle Auswahl aufgehoben.

    Mit den Standard-Einstellungen leuchten auswählbare Punkte, Kanten und Flächen in FreeCAD automatisch gelb auf, sobald sich der Maus-Cursor über ihnen befindet. Wählt man eine solche Kante oder Fläche durch einen Klick mit der linken Maustaste aus, so wird sie automatisch grün eingefärbt.

  • Rechte Maustaste: Durch einen Rechtsklick wird im 3D-Fenster ein Menü mit verschiedenen Darstellungs- und Bearbeitsoptionen geöffnet.

  • Mausrad: Dreht man am Mausrad, so wird die Ansicht im 3D-Fenster vergrößert beziehungsweise verkleinert (“Zoom”). Hält man die mittlere Maustaste gedrückt, so kann die Ansicht verschoben werden (“Pan”).

    Hält man das Mausrad gedrückt und drückt dann wahlweise die linke oder rechte Maustaste, so kann man die Ansicht um den Maus-Cursor als Drehzentrum drehen, bis man die linke beziehungsweise rechte Maustaste wieder los lässt.

Ist man von einem ähnlichen Programm eine andere Belegung der Maustasten gewöhnt, so kann man im Menü Bearbeiten -> Einstellungen unter der Rubrik Anzeige auch andere vordefinierte Tastenbelegungen auswählen: Neben der standardmäßigen “CAD-Navigation” ist auch eine Navigation wie in den Programmen “Blender3D” oder “Inventor” sowie speziell für Touchpads ausgelegte Navigation wählbar. Klickt man nach der Auswahl auf das daneben platzierte Maus-Icon, so wird die Tasten-Belegung für den jeweiligen Stil eingeblendet.

Die Maus-Navigation kann man leicht ausprobieren, indem man zur Part-Werkbank wechselt und oben links in der Symbolleiste auf das Würfel-Icon klickt; hierdurch wird ein neuer Würfel mit Standard-Maßen im Ursprung des Koordinatensystems eingefügt.

Zusätzlich zur Maus-Navigation kann auch das NumPad der Tastatur zur Navigation genutzt werden:

  • Mit der Taste Numpad-0 wechselt die Ansicht in eine schräge (“axometrische”) 3D-Ansicht von vorne.
  • Mit der Taste Numpad-1 wird in eine Frontal-Ansicht des Objekts gewechselt (x-z-Ebene). Die Taste Numpad-4 liefert die zugehörige Ansicht von hinten.
  • Mit der Taste Numpad-2 wird in die Vogelperspektive gewechselt (x-y-Ebene). Die Taste Numpad-5 liefert die zugehörige Ansicht von unten.
  • Mit der Taste Numpad-3 wird in eine Seiten-Ansicht des Objekts gewechselt (y-z-Ebene, rechte Seite). Die Taste Numpad-6 liefert die zugehörige Ansicht von der linken Seite.

Klickt man mit der rechten Maustaste in das 3D-Fenster und wählt im erscheinenden Menü Einpassen aus, so wechselt die aktuelle Ansicht in eine axometrische Ansicht, die alle in der geöffneten Datei existierenden Objekte beinhaltet.

Zusätzlich kann die Darstellungsweise der Objekte im 3D-Fenster geändert werden, indem man mit der rechten Maustaste in das 3D-Fenster klickt und im Menü auf Zeichenstil klickt. Wechselt man in diesem Untermenü beispielsweise auf “Drahtgitter”, so werden die Objekte nur noch anhand ihrer Konturen dargestellt, jedoch ohne feste Flächen (kann beispielsweise beim Erstellen von zusätzlichen Skizzen auf bestehenden Objekten hilfreich sein).

Für die obigen Navigations-Funktionen existieren jeweils auch Icons, die standardmäßig in der obersten Symbol-Leiste ganz links zu finden sind.

Einstellungen

FreeCAD bietet eine Vielzahl an Anpassungsmöglichkeiten, sowohl was die Bedienung als auch das Aussehen der Arbeitsflächen anbelangt. Die Einstellungen können allgemein über das Menü Bearbeiten -> Einstellungen vorgenommen werden. Gewöhnungsbedürftig, aber auch nicht unpraktisch ist es, dass hierbei Einstellungsmöglichkeiten nur für diejenigen Arbeitsbereiche eingeblendet werden, die in der aktuellen Sitzung bereits einmal durch eine entsprechende Auswahl in der Haupt-Symbolleiste aktiviert wurden.

Für einen besseren Kontrast ist es beispielsweise empfehlenswert, kurz in den PartDesign-Arbeitsbereich zu wechseln und dann unter Bearbeiten -> Einstellungen -> Anzeige in der Rubrik Skizze die Kantenfarbe von weiß auf schwarz umzuschalten.

Zudem ist es empfehlenswert, in der Rubrik Part Design in der Rubrik Allgemein -> Modelleinstellungen alle drei Häkchen bei “Modell automatisch nach Boolescher Operation überprüfen”, “Modell automatisch nach Boolescher Operation verfeinern” und “Verfeinere Modell nach Skizzenoperation automatisch” zu setzen.

Bauteil mit der PartDesign-Werkbank erstellen

Um ein neues Bauteil zu erstellen, sollte zunächst eine zweidimensionale Skizze des Grundrisses erstellt werden. Klickt man bei aktiver PartDesign-Werkbank auf das Skizze-Symbol in der Symbolleiste, so werden die entsprechenden Funktionen des Sketchers aktiviert.[2]

Bei einer neuen Skizze wählt man zunächst aus, für welche Ebene die Skizze gedacht ist. Die Auswahl lässt sich zwar nachträglich jederzeit korrigieren, da das entstehende Bauteil gedreht werden kann, es ist jedoch beispielsweise für die Erstellung einer Bodenplatte durchaus hilfreich, die zugehörige Skizze von vornherein waagrecht in die x-y-Ebene zu legen.

Zeichenelemente in Skizze aufnehmen

Um Zeichenelemente in die Skizze aufzunehmen, genügt ein Klick auf das entsprechende Icon in der Symbolleiste; bewegt man den Maus-Cursor über die einzelnen Symbole, so wird am unteren Bildschirmrand eine Kurzbeschreibung der jeweiligen Funktion eingeblendet.

Nachdem die Formen in der Skizze festgelegt sind, kann mit der Ausrichtung und Dimensionierung der einzelnen Elemente begonnen werden. Hierin unterscheidet sich FreeCAD deutlich von manuell erstellten Skizzen: Die Zeichnung muss nicht von Anfang an mit Präzision angefertigt werden; Objekte können auch im Nachhinein ausgerichtet und mit Zusatz-Bedingungen versehen werden.

Längen und Symmetrien festlegen

FreeCAD vergibt in der Skizze automatisch, sofern möglich, Beschränkungen (“Constraints”). Beispielsweise erhalten beim Zeichnen eines Rechtecks die einzelnen Seiten automatisch Vertikal- beziehungsweise Horizontal-Beschschränkungen.

Hat man das ein Rechteck fertig gezeichnet, so ist dieses in seiner Bemaßung und Platzierung noch nicht eindeutig festgelegt; es hat noch so genannte “Freiheitsgrade”. Legt man zwei Werte für Länge und Breite sowie einen Abstand zur x- sowie zur y-Achse fest, so ist das Rechteck hingegen eindeutig festgelegt. Hat eine Zeichnung keine Freiheitsgrade mehr, so spricht man von einer “vollständig eingeschränkten Skizze”; in diesem Fall wird die komplette Skizze grün hervorgehoben.

Mehr Infos zu den Funktionen des Sketchers finden sich im FreeCAD-Manual.

Skizze zu einem 3D-Objekt “aufpolstern”

Ist man mit dem Erstellen der Skizze fertig, so kann man anschließend die Skizze mittels der entsprechenden Funktion in der Symbolleiste “aufpolstern”; so entsteht aus einer zwei-dimensionalen Skizze ein drei-dimensionales Objekt.

Wählt man bei einem Objekt durch einen Klick mit der linken Maustaste eine einzelne Fläche aus, so kann durch ein erneutes Anklicken des Skizze-Symbols in der Symbolleiste eine neue Skizze auf dieser Fläche erzeugt werden. FreeCAD dreht dabei automatisch die Ansicht so, dass die ausgewählte Fläche von oben als Unterlage der Skizze betrachtet wird. Hat man wiederum eine Skizze fertig erstellt, so sind zweierlei Funktionen möglich:

  • Mittels der “Taschen”-Funktion in der Symbolleiste kann man eine Bohrung beziehungsweise Ausfräsung durch das Objekt bewirken; hierbei kann die Bohr- beziehungsweise Frästiefe entweder durch Bemaßung oder über logische Beziehungen (beispielsweise “Bis zur nächsten Oberfläche” oder “Durch alles”) angegeben werden.
  • Mittels der “Aufpolstern”-Funktion in der Symbolleiste kann man aus der Skizze einen neuen 3D-Körper erstellen, der dann senkrecht zur bestehenden Fläche ausgerichtet ist. Auf diese Weise lassen sich auch komplexe Geometrien schichtweise aufbauen.

Eine Besonderheit der “Aufpolstern”-Funktion des PartDesign-Arbeitsbereics liegt darin, dass als Resultat stets ein einzelnes Objekt entsteht. Im Modellbaum entsteht somit eine Hierarchie der Bearbeitungsschritte: Die Grundkörper sind oben angeordnet, die später hinzukommenden Aufpolsterungen und/oder Taschen werden jeweils unten angefügt. Im Modellbaum bleiben die Original-Objekte also erhalten, während sie in der 3D-Hauptansicht von FreeCAD automatisch ausgeblendet werden.[3]

Farben festlegen

Um ein Objekt einzufärben, klickt man im Modellbaum (oberer Teil der Combo-Box) mit der rechten Maustaste auf das gewünschte Objekt und wählt im erscheinenden Menü den Eintrag “Darstellung” aus. Die Combo-Box wird hierdurch zu einem Eingabe-Formular für die Kanten- und Flächenfarben des Objekts.

Weitere Infos zur PartDesign-Werkbank finden sich im FreeCAD-Manual.

Bauteile mit der Part-Werkbank erstellen

In der Part-Werkbank können einerseits dreidimensionale geometrische Grundkörper wie Würfel, Kugel, Zylinder oder Kegel durch ein einfaches Anklicken des jeweiligen Icons in der Symbolleiste hinzugefügt werden; andererseits können bereits bestehende 3D-Objekte beispielsweise mittels logischen Operatoren oder speziellen Funktionen weiter bearbeitet werden.

Einen neuen 3D-Grundkörper kann man durch Anklicken des jeweiligen Icons in der Symbolleiste erstellen. Das neue Objekt wird dabei mit einstellbaren Standard-Maßen am Koordinaten-Ursprung eingefügt. Da das neue Objekt zudem automatisch ausgewählt wird, können die Standard-Maße bei Bedarf sogleich in der unteren Hälfte der Combo-Box abgeändert werden.

Neben den Längen-Maßen kann in der unteren Hälfte der Combo-Box auch die Platzierung eines Objekts geändert werden. Hat man ein Objekt ausgewählt, so erscheint als erster Eintrag im Datenfeld der Combo-Box die Eigenschaft “Placement”. Klickt man auf das Icon mit den drei Punkten in der gleichen Zeile, so ändert sich die Combo-Box in ein Bearbeitungsfenster für exakt angegebene Positionierungen:

  • Unter der Rubrik “Verschiebung” kann vorgegeben werden, um wie weit das ausgewählte Objekt in die x, y beziehungsweise z Achse verschoben werden soll.

  • Unter der Rubrik “Drehpunkt” kann, wie der Name schon sagt, ein Punkt als Drehzentrum festgelegt werden. Dies ist allerdings nur von Bedeutung, sofern die Drehung um einen einzelnen Punkt erfolgen soll.

    Soll eine Drehung um eine Achse erfolgen, so können die Drehpunkt-Koordinaten beim Wert Null belassen werden; dafür kann in der unteren Hälfte Teil des Bearbeitungsfensters eine Achse ausgewählt sowie ein Drehwinkel festgelegt werden.

In welche Richtung die einzelnen Koordinaten bei der aktuellen 3D-Ansicht zeigen, kann man an dem kleinen Achsenkreuz erkennen, das rechts unten im Hauptfenster eingeblendet ist.

Setzt man zudem einen Haken bei der Option “Änderungen an Objektplacement inkrementell übernehmen”, so kann man schrittweise Änderungen, beispielsweise Verschiebungen entlang einer Achse vornehmen, und bekommt diese jeweils nach einem Klick auf “Anwenden” unmittelbar angezeigt. Ohne diese Option muss die gesamte Transformation als ein einziger Prozess-Schritt vorgenommen werden.

Boolesche Operationen

Im Part-Arbeitsbereich werden nur diejenigen Icons für boolesche Operationen farbig angezeigt, die auf die aktuelle Auswahl angewendet werden können. Beispielsweise kann die Operation “Schnittmenge” nur dann angewendet werden, wenn (mindestens) zwei Objekte ausgewählt sind. Dabei muss unter Umständen auf die Auswahl-Reihenfolge geachtet werden: Bei der booleschen Operation “Differenz” wird beispielsweise das als zweites ausgewählte Objekt aus dem zuerst ausgewählten Objekt ausgeschnitten.

... to be continued ...