FreeCAD für Techniker und Ingenieure

FreeCAD ist eine freie und quelloffene parametrische 3D-CAD-Software, mit welcher Ingenieure, Architekten, Techniker und produzierende Handwerker physische Objekte virtuell entwerfen. Insbesondere werden mit FreeCAD auch Modelle für den 3D-Druck erstellt. Die 3D-CAD-Software ersetzt das Zeichenbrett der damaligen Zeit dieser Berufsfelder. Dabei werden die Objekte zunächst in 3D entworfen, von diesen 3D-Entwürfen werden Zeichnungen für die Herstellung und den Bau abgeleitet und 3D-Modelle für nachgelagerte Prozesse exportiert. Während dieser Kernprozess oft unverändert bleibt, kommen Finite-Element-Simulation, die Programmierung von CNC-Maschinen und weitere Anwendungen durch die integrierten Addons hinzu. FreeCAD läuft u.a. in Deutscher Sprache auf Windows, Linux und Mac und lässt sich auch ohne aktive Internetverbindung nutzen. Dadurch wird verhindert, dass sie erstellen CAD-Modelle und Zeichnungen von Dritten analysiert werden.

Anwendungen

FreeCAD kommt in der Industrie in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz.

Weitere Anwendungen

Bauteile entwerfen

Mit dem Part Design Arbeitsbereich erstellen Sie parametrische 3D-CAD-Modelle auf Basis von Skizzen und Features wie Taschen, Bohrungen, Verrundungen oder Fasen. Die Parameter aus den Skizzen und Features können auch im Nachhinein verändert werden und aktualisieren das Modell automatisch. Ein 3D-CAD-Modell besteht in der Regel aus mehreren Features. Dabei erstellen Sie jedes Feature in drei Schritten :

Vorhandene Ebenen auswählen oder neue erstellen
Anschließend erstellen Sie eine Skizze in 2D auf dieser Ebene
Zuletzt erstellen Sie ein Feature aus der Skizze. Meistens ist dieses Feature eine Extrusion (Block, Vertiefung) oder eine Rotation (Drehteil, Nut).

In der Regel erstellen Sie jedes Bauteil in einem eigenen FreeCAD Dokument (*.FCStd-Datei). Die Einzelteile fügen Sie anschließend zu einer Baugruppe zusammen.

Baugruppen entwerfen

Fügen Sie mehrere Bauteile in dem A2Plus-Arbeitsbereich zusammen und erstellen Sie eine Baugruppe, wie z.B. eine ganze Maschine oder eine Unterbaugruppe einer Maschine. Positionieren Sie die Einzelteile in der Baugruppe über Geomatrische Abhängigkeiten. Wenn Sie lieber ihre Einzelteile über die Koordinaten positionieren möchten, können Sie das auch ohne Assembly-Modul und verwenden dafür stattdessen den Import von Bauteilen und bewegen diese anschließend über das Transformationswerkzeug oder geben die exxakten Koordinaten ein. Beide Methoden zur Erstellung von Baugruppen ermöglichen das wiederverwenden von Bauteilen, welche bei einer Änderung auch in der Baugruppe aktualisiert werden.

Hinweis: Seit FreeCAD 1.0 steht zusätzlich der neue integrierte Assembly-Arbeitsbereich zur Verfügung, der langfristig die bevorzugte Lösung für Baugruppenkonstruktionen werden soll.

Technische Zeichnungen ableiten

Erstellen Sie technische Zeichnungen für die Herstellung Ihrer Bauteile und Baugruppen mit dem TechDraw Arbeitsbereich und leiten Sie automatisch Ansichten von Ihren 3D-CAD-Modellen auf Ihrer Zeichnung ab. Nutzen Sie die standardisierten integrierten Blattvorlagen oder erstellen Sie ihre eigenen Vorlagen mit Inkscape. Fügen Sie Bemaßungen, Schriftfelder, Kanten- und Oberflächenbestimmungen ein, um Ihre Zeichnung eindeutig zu bestimmen. Importieren Sie extern erstelle CAD-Modelle und leiten Sie Zeichnungen von diesen ab.

Standardformate importieren und exportieren

Importieren und Exportieren Sie 3D-CAD-Modelle, 3D-Netze, Zeichnungen und Weiteres und integreiren Sie FreeCAD in Ihren Produktentstehungsprozess. FreeCAD unterstützt zahlreiche CAD- und Austauschformate für die Zusammenarbeit mit anderen Systemen. Obwohl FreeCAD selbst Open-Source ist, ist es mit vielen propietären Programmen, wie z.B. SimScale, kompatibel. Weil FreeCAD viele Dateiformate unterstützt, lässt es sich in bestehende Prozesse einfügen. Die Bauteilebibliothek OpenPartsLibrary verwendet sogar native FCStd-Dateien, die in Baugruppen importiert werden können. Dabei sind die am häufigsten verwendeten Dateiformate STEP, DXF, 3MF, PNG und PDF. Diese Dateiformate kommen für folgende Anwendungen zum Einsatz:

Unterstütztes Dateiformat	Import-Anwendung	Export-Anwendung
STEP	Verwenden von Standardteilen direkt von Herstellern in FreeCAD Baugruppen	Finite-Element-Simulation der Bauteile und Baugruppen in PrePoMax
DXF	Aluminiumprofil eines Herstellers in einer FreeCAD Skizze	Abgewickeltes Blechteil für die CNC-Bearbeitung mittels Laser- oder Wasserstrahlschneidemaschinen
3MF	Modifikation eines Bauteiles von einer 3D-Druck-Plattform, wie printables.com	Netzmodell für den 3D-Druck-Slicer
PNG	Reverse-Engineering einer Kontur aus einem Foto	Screenshot der erstellten Konstruktion als Gesprächsgrundlage für eine E-Mail oder Nachricht
PDF	–	Speichern und technischen Zeichnungen

Steuerung der Parameter über eine zentrale Tabelle

Mit dem Spreadsheet Arbeitsbereich verwaltest du Konstruktionsparameter zentral innerhalb deines Modells. Maße, Abstände, Wandstärken, Übersetzungen oder andere technische Kenngrößen definierst du in einer Tabelle und verknüpfst sie mit Skizzen, Körpern und deren Eigenschaften. Dadurch entsteht eine zentrale Parameterverwaltung, die insbesondere bei komplexen Konstruktionen und Variantenmodellen für eine nachvollziehbare Modellstruktur sorgt. Änderst du einen Wert im Spreadsheet, aktualisiert FreeCAD alle referenzierten Eigenschaften automatisch. Das vereinfacht die Entwicklung von Produktfamilien, die Untersuchung unterschiedlicher Varianten und die Pflege parametrischer Modelle über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg.

Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM)

Der integrierte FEM-Arbeitsbereich ermöglicht die Durchführung von Festigkeits-, Verformungs- und thermischen Analysen direkt in FreeCAD. Dabei wird ein 3D-Modell vernetzt, mit Materialeigenschaften sowie Randbedingungen versehen und anschließend mit einem FEM-Löser wie CalculiX berechnet. Der FEM-Arbeitsbereich eignet sich insbesondere für einfache bis mittlere Simulationsaufgaben und bietet einen vollständig in FreeCAD integrierten Workflow.

FreeCAD und PrePoMax

Für umfangreichere statische Festigkeitsanalysen wird häufig FreeCAD in Kombination mit PrePoMax eingesetzt. Dabei erfolgt die Konstruktion des Bauteils in FreeCAD, während Vernetzung, Lastdefinition, Berechnung und Ergebnisauswertung in PrePoMax durchgeführt werden. Gegenüber dem integrierten FEM-Arbeitsbereich bietet PrePoMax eine modernere Benutzeroberfläche, erweiterte Vernetzungs- und Auswertungsfunktionen sowie eine umfassendere Unterstützung der CalculiX-Funktionalität. Dadurch eignet sich dieser Workflow insbesondere für komplexere Simulationsaufgaben im Maschinen- und Anlagenbau.

Explizite FEM-Simulationen mit FreeCAD, PrePoMax, OpenRadioss und ParaView

Für explizite FEM-Simulationen kann FreeCAD als CAD-System innerhalb eines Open-Source-Workflows verwendet werden. Die Geometrie wird in FreeCAD erstellt, in PrePoMax vernetzt und mit Randbedingungen versehen, mit OpenRadioss berechnet und anschließend in ParaView ausgewertet.

Dieser Workflow wurde von Alsado gemeinsam mit Altair für Crashsimulationen im Automobilbau untersucht. Die Anwendbarkeit wurde anhand einer Euro-NCAP-Frontcrash-Simulation einer Elektrofahrzeug-Plattform bewertet. Die Studie zeigte, dass sich die wesentlichen Schritte einer expliziten Crashsimulation mit den beteiligten Open-Source-Werkzeugen abbilden lassen.

Funktionen mit dem Addon Manager erweitern

Erweitern Sie die Basisfunkionen von FreeCAD und installieren sie zusätzliche Addons über den integrierten Addon Manager. Im Addon Manager können Sie zusätzliche Arbeitsbereiche und Makros herunterladen und installieren. Außerdem aktualisieren Sie im Addon Manager die installierten Addons auf den neuesten Stand. Um Addons herunterzuladen, ist eine Internetverbindung erforderlich.

Blechteile biegen und abwickeln

Mit der SheetMetal-Erweiterung können Blechteile konstruiert, Biegungen definiert und fertigungsgerechte Abwicklungen erstellt werden. Die erzeugten Abwicklungen lassen sich anschließend beispielsweise als DXF-Dateien exportieren.

Standardisiere Verbindungselemente in Baugruppen einsetzen

Der Fasteners-Arbeitsbereich stellt normierte Verbindungselemente wie Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und Sicherungsringe zur Verfügung. Die Bauteile basieren auf gängigen DIN- und ISO-Normen und können parametrisch konfiguriert werden.

Verbindungselemente werden typischerweise nach der Konstruktion der Bauteile in eine Baugruppe eingefügt und anschließend mit den Werkzeugen des jeweiligen Baugruppen-Arbeitsbereichs positioniert. Dadurch entfällt die manuelle Modellierung häufig verwendeter Normteile und der Konstruktionsaufwand wird reduziert.

Skripten mit der Python API

Nahezu alle Funktionen von FreeCAD lassen sich über die integrierte Python-API automatisieren. Dies ermöglicht die Erstellung parametrischer Modelle, automatisierter Konstruktionsabläufe und Entwicklung eigener Addons.

Eigene Addons entwickeln

Entwickler können eigene Addons als Arbeitsbereiche und Makros erstellen, ohne den vollständigen FreeCAD-Code verstehen zu müssen. Die FreeCAD-Architektur mit Arbeitsbereichen und die in der Benutzeroberfläche einblendbaren Python-Konsole machen es einfach mit der Entwicklung zu starten.

Künstliche Intelligenz in FreeCAD

Obwohl FreeCAD bisher kein integriertes KI-Modul in der Basis-Konfiguration hat, haben bereits einige Nutzer, die FreeCAD in Verbindung mit Künstilicher Intellligenz nutzen und ihre eigenen KI-Addons gebaut haben. Diese Nutzer habe u.a. eine Anbindung an MCP, einem offenen Standard für KIs, demonstriert und konnten so erste einfache Bauteile mittels einer KI erstellen.

3D-Maus Unterstützung

FreeCAD unterstützt 3D-Eingabegeräte wie die SpaceMouse von 3Dconnexion. Damit können Modelle intuitiv gedreht, verschoben und gezoomt werden, was insbesondere bei komplexen und großen Baugruppen die Navigation erleichtert.

Lizenzkosten

FreeCAD ist vollständig kostenlos und kann ohne Lizenzgebühren genutzt werden. Es fallen weder Anschaffungs- noch Wartungskosten an. Ein optionaler Wartungsvertrag oder Support bei der Integration können für Unternehmen aber trotzdem sinnvoll sein, wenn

Internetverbindung

Für die Nutzung von FreeCAD ist keine permanente Internetverbindung erforderlich. Nach der Installation kann die Software vollständig offline verwendet werden. Eine Internetverbindung wird lediglich für Updates, den Addon Manager oder den Zugriff auf Online-Ressourcen benötigt.

Einschränkungen für kommerzielle Nutzung

Sowohl gewerbliche als auch private FreeCAD-Nutzer behalten alle Rechte an ihren Konstruktionen und können FreeCAD Nutzer um proprietäre Hardware zu entwickeln. Es gibt zwar keine Einschränkungen für die normale Nutzung, allerdings müssen Unternehmen trotzdem die LGPL Open-Source-Lizenz befolgen, wenn Sie eine eigene auf FreeCAD-basierende Software entwickeln und veröffentlichen.