Manual:Modeling for product design/de

Produktdesign ist ursprünglich ein kommerzieller Begriff, aber in der 3D-Welt bedeutet er oft, etwas zu modellieren mit der Idee, es per 3D-Druck, oder allgemeiner, maschinell herzustellen, z.B. mit einem 3D-Drucker oder einer CNC-Maschine.

Wenn Sie Objekte in 3D drucken, ist es von entscheidender Bedeutung, dass Ihre Objekte solide sind. Da sie reale, solide Objekte werden, ist dies offensichtlich. Das verhindert natürlich nicht, dass sie innen hohl sein können. Sie müssen aber immer eine klare Vorstellung davon haben, welcher Punkt im Material ist, und welcher Punkt außerhalb, denn der 3D-Drucker oder die CNC-Maschine muss genau wissen, was mit Material zu füllen ist und was nicht. Aus diesem Grund ist die PartDesign Workbench in FreeCAD das perfekte Werkzeug, um solche Teile zu erstellen, denn es wird sich immer darum kümmern, dass Ihre Objekte solide bleiben und erstellbar.

Um zu illustrieren, wie die PartDesign-Workbench funktioniert, lassen Sie uns dieses wohlbekannte Lego-Teil erstellen:



Cool bei Lego-Teilen ist, dass die Abmessungen einfach im Internet zu finden sind, zumindest für die Standardteile. Diese sind ziemlich einfach zu modellieren und mit einem 3D-Drucker auszudrucken, und mit ein wenig Geduld (3D-Druck erfordert oftmals viele Anpassungen und Fein-Tuning) können Sie Teile erstellen, die absolut kompatibel sind und sich perfekt in Original Lego-Blöcke einfügen. Im folgenden Beispiel werden wir ein Teil erstellen, das 1,5 Mal so gross ist wie das Original.

Wir werden jetzt ausschließlich die Sketcher- und Part Design-Werkzeuge benutzen. Weil auch alle Werkzeuge der Sketcher-Workbench in der PartDesign-Workbench enthalten sind, können wir in PartDesign bleiben und müssen nicht zwischen den beiden hin- und herwechseln.

PartDesign-Objekte basieren vollständig auf Skizzen. Eine Skizze ist ein 2D-Objekt, bestehend aus linearen Abschnitten (Linien, Kreisbögen oder Ellipsen) und Beschränkungen. Diese Beschränkungen können entweder auf lineare Abschnitte oder ihre Endpunkte oder Mittelpunkte angewandt werden, und zwingen die Geometrie, gewissen Regeln zu folgen. Sie können beispielsweise eine vertikale Beschränkung auf einen Linienabschnitt anwenden, damit dieser vertikal bleibt, oder eine Positions-(Blockierungs)-Beschränkung auf einen Endpunkt legen, damit verhindert wird, dass er sich bewegt. Wenn eine Skizze eine genaue Anzahl von Beschränkungen hat, die für jeden Punkt der Skizze verhindert, dass er sich bewegen kann, dann sprechen wir von einer vollständig eingeschränkten Skizze. Wenn es redundante Beschränkungen gibt, die entfernt werden können, ohne dass die Geometrie bewegt werden kann, dann wird dies überbeschränkt genannt. Dies sollte verhindert werden, und FreeCAD wird Sie informieren, wenn solch ein Fall eintritt.

Skizzen haben einen Editiermodus, in dem die Geometrie und Beschränkungen verändert werden können. Wenn Sie mit dem Editieren fertig sind und den Editiermodus verlassen, verhalten sich Skizzen wie jedes andere FreeCAD-Objekt, und können als Bausteine für alle PartDesign-Werkzeuge, aber auch in anderen Workbenches, wie Part oder Arch benutzt werden. Die Draft workbench hat ebenfalls ein Werkzeug, das Draft-Objekte in Skizzen konvertiert, und umgekehrt.

Später werden wir die Innenseiten schneiden und die acht Punkte auf der Oberseite hinzufügen. Starten wir also mit einer rechteckigen Skizze, die wir dann extrudieren: Ein Dialog wird erscheinen, der Sie nach der Skizzenorientierung fragt, wählen Sie die XY-Ebene, die die Grundebene ist. Die Skizze wird angelegt, und es wird sofort in den Editiermodus geschaltet und die Ansicht wird rotiert, damit Sie orthogonal auf Ihre Skizze blicken. Eckpunkte anklicken. Sie können die beiden Punkte irgendwo platzieren, denn die korrekte Position wird im nächsten Schritt festgelegt. die horizontalen eine horizontale Beschränkung und jede Ecke eine Koinzidenz-Beschränkung, die die Abschnitte zusammenklebt. Wenn Sie versuchen, das Rechteck zu bewegen, indem Sie mit der Maus an den Linien ziehen, wird die Geometrie durch Einhaltung der Beschränkungen erhalten bleiben.
 * Lassen Sie uns mit der Modellierung eines kubischen Formteils beginnen, das die Grundlage für unseren Lego-Stein wird.
 * Wechseln Sie zur PartDesign Workbench
 * Klicken Sie auf den [[Image:Sketcher_NewSketch.png|16px]] Neue Skizze-Button.
 * Nun können wir ein Rechteck zeichnen, indem wir das [[Image:Sketcher_CreateRectangle.png|16px]] Rechteck-Werkzeug auswählen und zwei (gegenüberliegende)
 * Sie werden feststellen, dass für unser Rechteck automatisch eine Reihe von Beschränkungen hinzugefügt wurde: die vertikalen Abschnitte haben eine vertikale Beschränkung bekommen,



Geben Sie als Länge 23,7 mm an. Der Wert ist 47,7 mm. Koinzidenz-Beschränkung hinzu. Das Rechteck springt dann zum Ursprung und Ihre Skizze wird grün werden, was bedeutet, dass sie nun vollständig eingeschränkt ist. Sie können versuchen, die Linien oder Punkte zu bewegen, aber es wird sich nichts mehr bewegen.
 * Lassen Sie uns nun drei weitere Beschränkungen hinzufügen:
 * Wählen Sie einen der vertikalen Abschnitte und fügen Sie eine [[Image:Constraint_VerticalDistance.png|16px]] Vertikale Abstandsbeschränkung hinzu.
 * Wählen Sie einen der horizontalen Abschnitte und fügen Sie eine [[Image:Constraint_HorizontalDistance.png|16px]] Horizontale Abstandsbeschränkung hinzu.
 * Wählen Sie schließlich einen der Eckpunkte, dann den Ursprung (das ist der Punkt am Schnittpunkt der roten und grünen Achsen), und fügen dann eine



Beachten Sie, dass die letzte Koinzidenz-Beschränkung nicht absolut notwendig war. Sie sind nie gezwungen, mit vollständig eingeschränkten Skizzen zu arbeiten. Wenn wir diesen Stein in 3D ausdrucken wollen, ist es allerdings notwendig, unseren Stein nahe am Ursprung (dem Mittelpunkt der Fläche, in der sich der Druckkopf bewegen kann) zu platzieren. Durch Hinzufügen dieser Beschränkung stellen wir sicher, dass unser Teil immer mit diesem Ursprung "verankert" bleiben wird.

Wenn es später nötig ist, dann können wir jederzeit durch Doppelklicken der Skizze in der Baumansicht wieder in den Editiermodus wechseln.
 * Unsere Skizze ist nun bereit, wir können den Editiermodus durch Drücken des Schließen-Buttons oben im Aufgabenbereich oder einfach durch Drücken der Esc-Taste verlassen.
 * Lassen Sie uns das Teil mit dem [[Image:PartDesign_Pad.png|16px]] Block-Werkzeug extrudieren und einen Abstand von 14,4 mm angeben. Die anderen Optionen bleiben bei ihren Vorgabewerten:



Der Block verhält sich sehr ähnlich wie das Extrude-Werkzeug, das wir im vorigen Kapitel benutzt haben. Es gibt dennoch eine Reihe von Unterschieden, der wichtigste ist, dass ein Block nicht bewegt werden kann. Es ist für immer mit der Skizze verbunden. Wenn Sie die Position des Blocks ändern möchten, dann müssen Sie die zugrunde liegende Skizze ändern. Im aktuellen Kontext, wo wir sicher sein wollen, dass sich nichts aus seiner Position bewegt, ist dies eine zusätzliche Sicherheit.

Um eine Tasche zu erstellen, werden wir eine Skizze auf der Unterseite unseres Blocks anlegen, die benutzt wird, um einen Teil des Blocks zu entfernen.
 * Wir werden nun mit dem [[Image:PartDesign_Pocket.png|16px]] Tasche-Werkzeug, das die PartDesign-Version von PartCut ist, das Innere des Blocks herausschneiden.
 * Während die Unterseite selektiert ist, drücken Sie den [[Image:Sketcher_NewSketch.png|16px]] Neue Skizze-Button.
 * Zeichnen Sie ein Rechteck auf der Fläche.



Externe Geometrie-Werkzeug "importieren". Wenden Sie dieses Werkzeug auf die beiden vertikalen Linien auf der Unterseite an:
 * Wir werden nun das Rechteck in Relation zur Unterseite beschränken. Um dies zu tun, müssen wir einige Kanten der Fläche mit dem



Sie werden feststellen, dass lediglich Kanten der ursprünglichen Seite mit diesem Werkzeug hinzugefügt werden können. Wenn Sie eine Skizze mit einer selektierten Seite erstellen, wird eine Verbindung zwischen der Seite und der Skizze erstellt, was wichtig für weitere Operationen ist. Sie können später mit dem Skizze zuordnen-Werkzeug immer eine Skizze einer weiteren Fläche zuordnen.


 * The external geometry is not "real", it will be hidden when we leave edit mode. But we can use it to place constraints. Place the 4 following constraints:
 * Select the top left point of the rectangle and the top point of the imported line and add a [[Image:Constraint_HorizontalDistance.png|16px]] Horizontal Distance Constraint of 1.8mm
 * Select again the top left point of the rectangle and the top point of the imported line and add a [[Image:Constraint_VerticalDistance.png|16px]] Vertical Distance Constraint of 1.8mm
 * Select the bottom right point of the rectangle and the bottom point of the right imported line and add a [[Image:Constraint_HorizontalDistance.png|16px]] Horizontal Distance Constraint of 1.8mm
 * Select again the bottom right point of the rectangle and the bottom point of the right imported line and add a [[Image:Constraint_VerticalDistance.png|16px]] Vertical Distance Constraint of 1.8mm




 * Leave edit mode and we can now perform the pocket operation: With the sketch selected, press the [[Image:PartDesign_Pocket.png|16px]] Pocket button. Give it a length of 12.6mm, which will leave the upper face of our pad with a thickness of 1.8mm (remember, the total height of our pad was 14.4mm).




 * We will now attack the 8 dots on the top face. To do this, since they are a repetition of a same feature, we will use the handy [[Image:PartDesign_LinearPattern.png|16px]] Linear pattern tool of the Part Design Workbench, which allows to model once and repeat the shape.
 * Start by selecting the top face of our block
 * Create a [[Image:Sketcher_NewSketch.png|16px]] New sketch.
 * Create two [[Image:Sketcher_Circle.png|16px]] circles.
 * For each circle, select it and add a [[Image:Constraint_Radius.png|16px]] Radius Constraint of 3.6mm to each of them
 * Import the left edge of the base face with the [[Image:Sketcher_External.png|16px]] External geometry tool.
 * Place two vertical constraints and two horizontal constraints of 6mm between the center point of each circle and the corner points of the imported edge, so each circle has its center at 6mm from the border of the face:




 * Notice how, once again, when you lock the position and dimension of everything in your sketch, it becomes fully constrained. This always keeps you on the safe side. You could change the first sketch now, everything we did afterwards would keep tight.
 * Leave edit mode, select this new sketch, and create a [[Image:PartDesign_Pad.png|16px]] Pad of 2.7mm:




 * Notice that, as earlier with the pocket, since we used the top face of our base block as a base for this latest sketch, any PartDesign operation we do with this sketch will correctly be built on top of the base shape: The two dots are not independent objects, they have been extruded directly from our brick. This is the great advantage of working with the Part Design Workbench, as long as you take care of always building one step on top of the previous one, you are actually building one final solid object.
 * We can now duplicate our two dots four times, so we get eight. Select the latest Pad we just created.
 * Press the [[Image:PartDesign_LinearPattern.png|16px]] Linear pattern button.
 * Give it a length of 36mm (which is the total "span" we want our copies to fit in), in the "horizontal sketch axis" direction, and make it 4 occurrences:




 * Once again, see that this is not just a duplication of an object, it is a *feature* of our shape that has been duplicated, the final object is still only one solid object.
 * Now let's work on the three "tubes" that fill the void we created on the bottom face. We have several possibilities: create a sketch with three circles, pad it then pocket it three times, or create a base sketch with one circle inside the other and pad it to form the complete tube already, or even other combinations. Like always in FreeCAD, there are many ways to achieve the same result. Sometimes one way will not work the way we want, and we must try other ways. Here, we will take the safest approach, and do things one step at a time.
 * Select the face that is at the bottom of the hollow space we carved earlier inside the block.
 * Create a new sketch, add a circle with a radius of 4.8825mm, import the left border of the face, and constrain it vertically and horizontally at 10.2mm from the upper corner of the face:




 * Leave edit mode, and pad this sketch with a distance of 12.6mm
 * Create a linear pattern from this last pad, give it a length of 24mm and 3 occurrences. We now have three filled tubes filling the hollow space:




 * Now let's make the final holes. Select the circular face of the first of our three "pins"
 * Create a new sketch, import the circular border of our face, create a circle with a radius constraint of 3.6mm, and add a [[Image:Constraint_PointOnPoint.png|16px]] Point on Point Constraint between the center of the imported circle and our new circle. We now have a perfectly centered circle,and once again fully constrained:




 * Leave edit mode, and create a pocket from this sketch, with a length of 12.6mm
 * Create a linear pattern from this pocket, with a length of 24mm and 3 occurrences. That's the last step, our piece of lego is now complete, so we can give it a nice color to mark our victory!



You will notice that our modeling history (what appears in the tree view) has become quite long. This is precious because every single step of what we did can be changed later on. Adapting this model for another kind of brick, for example one with 2x2 dots, instead of 2x4, would be a piece of cake, we would just need to change a couple of dimensions and the number of occurrences in linear patterns. We could as easily create bigger pieces that don't exist in the original Lego game.

But we could also want to get rid of the history, for example if we are going to model a castle with this brick, and we don't want to have this whole history repeated 500 times in our file.

There are two simple ways to get rid of the history, one is using the Create simple copy tool from the Part Workbench, which will create a copy of our piece that doesn't depend anymore on the history (you can delete the whole history afterwards), the other way is exporting the piece as a STEP file and reimporting it.

Assembling

But the best of both worlds also exists, which is the Assembly2 Workbench, an addon that can be installed from the FreeCAD-addons repository. This Workbench is named "2" because there is also an official built-in Assembly Workbench in development, which is not ready yet. The Assembly2 Workbench, however, already works very well to construct assemblies, and also features a couple of object-to-object constraints which you can use to constrain the position of one object in relation to another. In the example below, however, it will be quicker and easier to position the pieces using Draft Move and  Draft Rotate than using the Assembly2 constraints.


 * Save the file as it is now
 * Install the Assembly2 Workbench and restart FreeCAD
 * Create a new empty document
 * Switch to the Assembly2 workbench
 * Press the Import a part from another FreeCAD document button
 * Select the file we saved above
 * The final piece will be imported in the current document. The Assembly2 workbench will determine automatically what is the final piece in our file that needs to be used, and the new object stays linked to the file. If we go back and modify the contents of the first file, we can press the Update parts imported into the assembly button to update the pieces here.
 * By using the Import a part from another FreeCAD document button several times, and moving and rotating the pieces (with the Draft tools or by manipulating their Placement property), we can quickly create a small assembly:



Downloads


 * The model produced during this exercise: https://github.com/yorikvanhavre/FreeCAD-manual/blob/master/files/lego.FCStd

Read more


 * The Sketcher
 * The Part Design Workbench
 * The Assembly2 Workbench