Im Maschinenbau folgt die Produktentwicklung einer klaren Abfolge. Ingenieure beginnen mit Skizzen, erstellen anschließend CAD-Modelle, fertigen Prototypen und bereiten schließlich die Serienfertigung vor.
Es ist möglich, diesen gesamten Prozess mit Open-Source-Werkzeugen umzusetzen. In diesem Zusammenhang unterstützt FreeCAD insbesondere die Phase der detaillierten Konstruktion und verbindet den Schritt von der Skizze bis zum 3D-gedruckten Prototypen innerhalb einer Umgebung.
FreeCAD
FreeCAD ist eine 3D-CAD-Software, mit der Unternehmen Bauteile und Baugruppen konstruieren und für die Fertigung vorbereiten können. Die Software unterstützt gängige Industrieformate wie STEP für 3D-Modelle, DXF für 2D-Daten sowie STL oder 3MF für den 3D-Druck. Dadurch können Daten problemlos mit Fertigungssystemen wie CNC-Maschinen oder additiven Fertigungsverfahren ausgetauscht werden.
Die Software ist modular aufgebaut. Die Entwicklung von FreeCAD begann um das Jahr 2000, und im Laufe der Zeit hat sich das System zu einem Werkzeug entwickelt, das für produktive Anwendungen im Maschinenbau eingesetzt werden kann.
Kernmodule für die Konstruktion
FreeCAD gliedert seine Funktionen in verschiedene Module, in FreeCAD als Arbeitsbereiche bekannt. Für den Maschinenbau sind insbesondere drei Arbeitsbereiche relevant:
- Der Part-Design-Arbeitsbereich zur Erstellung einzelner Bauteile, einschließlich des dazugehörigen Sketcher-Arbeitsbereiches
- Der A2Plus-Arbeitsbereich zur Erstellung von Baugruppen
- Der TechDraw-Arbeitsbereich zur Ableitung technischer Zeichnungen
Mit diesen Arbeitsbereichen lassen sich Bauteile konstruieren, Baugruppen zur Überprüfung von Passung und Funktion zusammenstellen sowie Zeichnungen für die Fertigung erstellen.
Zusätzlich stellt FreeCAD eine Python-Schnittstelle bereit. Damit können Anwender Konstruktions- und Zeichnungsprozesse innerhalb der Software automatisieren.
Benutzeroberfläche und grundlegende Struktur
Die Benutzeroberfläche besteht aus mehreren zentralen Elementen. Die 3D-Ansicht ermöglicht das Drehen und Betrachten von Modellen. Der Dokumentbaum zeigt alle Objekte in einer hierarchischen Struktur, einschließlich Bauteilen und Features. Über eine Auswahl können verschiedene Arbeitsbereiche aktiviert werden, wobei sich die verfügbaren Werkzeuge je nach Arbeitsbereich ändern.
Auch wenn die Oberfläche einfach wirkt, ist sie klar strukturiert. Sobald Anwender wissen, wo sich die Funktionen befinden, können sie effizient mit der Software arbeiten.
Erstellung von Bauteilen in FreeCAD
In FreeCAD wird in der Regel für jedes Bauteil ein eigenes Dokument erstellt. Innerhalb dieses Dokuments enthält ein sogenannter „Body“ die Geometrie sowie das zugehörige Koordinatensystem.
Der Modellierungsprozess folgt einer festen Abfolge. Zunächst wird eine Ebene ausgewählt oder erstellt. Darauf wird eine Skizze gezeichnet. Diese Skizze bildet die Grundlage für ein 3D-Feature wie eine Extrusion oder eine Rotation.
Nachdem die Grundgeometrie erstellt wurde, folgen weitere Features wie Verrundungen, Wandstärken oder Schalen. Da diese von der bestehenden Geometrie abhängen, werden sie am Ende hinzugefügt, um stabile Modelle zu gewährleisten.
Dieser Ablauf entspricht dem Vorgehen in anderen parametrischen CAD-Systemen, bei denen Skizzen die Geometrie definieren und Features darauf aufbauen.
Arbeiten mit Baugruppen
Nachdem einzelne Bauteile erstellt wurden, werden sie zu Baugruppen zusammengefügt. Jedes Bauteil bleibt dabei in einer eigenen Datei gespeichert und wird in ein Baugruppendokument eingebunden.
Innerhalb der Baugruppe werden die Bauteile über geometrische Bedingungen positioniert. Beispielsweise können Flächen oder Achsen so ausgerichtet werden, dass die Bauteile korrekt zueinander passen. Falls sich Bauteile überlagern, können sie temporär verschoben werden, um bestimmte Flächen auswählen und Bedingungen setzen zu können.
Baugruppen lassen sich in mehrere Ebenen strukturieren. Unterbaugruppen helfen dabei, größere Konstruktionen übersichtlich zu organisieren.
Ableitung technischer Zeichnungen
Nach Abschluss der Konstruktion werden technische Zeichnungen aus dem CAD-Modell abgeleitet. Dazu wird zunächst ein Zeichnungsblatt erstellt und anschließend Ansichten des Bauteils entsprechend seiner Ausrichtung im 3D-Modell platziert.
Maße wie Längen, Durchmesser und Radien werden direkt in der Zeichnung ergänzt. Zusätzlich können Toleranzen sowie weitere Angaben, etwa zu Oberflächen oder Materialien, hinzugefügt werden.
Die fertige Zeichnung kann als PDF exportiert und für die Fertigung oder Dokumentation verwendet werden.
Vom CAD-Modell zum Prototyp
Zur Herstellung eines physischen Prototyps wird das Modell in ein geeignetes Format für den 3D-Druck exportiert, beispielsweise 3MF. Anschließend wird es in eine Slicer-Software geladen, in der die Bauteile auf der Bauplattform angeordnet und Druckparameter festgelegt werden.
Die Software erzeugt daraus die Maschinenbefehle für den Drucker. So kann schnell ein Prototyp hergestellt und bewertet werden.
Falls Anpassungen notwendig sind, kann das Modell im CAD-System geändert und erneut gedruckt werden. Dieser Ablauf ermöglicht schnelle Iterationen im Entwicklungsprozess.
Erweiterbarkeit und Community
FreeCAD ist Open Source und wird von einer großen Community unterstützt. Anwender können auf Dokumentation, Foren und geteilte Projekte zugreifen, um Lösungen zu finden und Wissen auszutauschen.
Darüber hinaus lässt sich die Software durch zusätzliche einzelne Funktionen und ganze Arbeitsbereiche erweitern. Diese Erweiterungen bieten spezialisierte Funktionen für verschiedene Anwendungsbereiche und ermöglichen eine Anpassung an spezifische Anforderungen.