Thread for Screw Tutorial/de

Einleitung
Dieses Tutorium ist eine Sammlung von Techniken zur Modellierung von Schraubgewinden in FreeCAD.

This tutorial is a collection of techniques to model screw threads in FreeCAD. It was updated for v0.19, although the overall process has been essentially the same since v0.14, when the tutorial was originally written. The updated content focuses on the use of the PartDesign Workbench to create the thread, and new illustrations for methods 0 to 3.

Von der Modellierung von Gewinden wird abgeraten, da sie sowohl den Modellierungskern als auch die Renderingseite stark belastet. Die Gewindeformen benötigen viel Speicherplatz, und mit nur einem Gewinde in einem FreeCAD Projekt kann die Dateigröße leicht in den Megabyte Bereich steigen. Es gibt jedoch einige Situationen, in denen es wichtig ist, den Thread bis ins Detail zu modellieren, und dafür ist das Tutorial gedacht.

Many of the techniques presented here have been collected from different forum threads:
 * Gathering thread modeling techniques
 * Creating a thread: Unexpected results

See also helpful videos:
 * Introducing a strategy for designing a bolt without the commonly found problems.

Remember that thread shapes take a lot of memory, and having just one thread in a document can increase the file size significantly, so the user is advised to create threads only when absolutely necessary.

Methode 0. Eins aus der Teilebibliothek beziehen
Die Verwendung von Modellen, die andere Leute geschaffen haben, ist einfach und zeitsparend. Sieh dir Makro SCHRAUBEN an, eine Benutzeroberfläche zum Einfügen von Standardteilen aus der SCHRAUBEN Bibliothek.

Using models that other people have made is easy and saves time. See the external workbenches page for information on external tools.

In particular, two resources are recommended that can be installed from the Addon Manager:
 * Fasteners Workbech, to place parametric screws and washers that follow ISO standards. The screws and nuts by default don't show a thread, but this can be controlled with an option.
 * BOLTSFC, to place standard parts from the BOLTS library, which also follow ISO standards.



Methode 1: Verwendung von Macros
Mit dem beliebten Macro Screw Maker, erstellt von ulrich1a, oder dem zusätzlichen Arbeitsbereich Fasteners Workbench, erstellt von shaise (link to GitHub), können oftmals passende dreieckige Standardgewinde generiert werden.


 * In the past, the Macro BOLTS was used to insert the parts from the BOLTS library. This is now deprecated. Use the BOLTSFC workbench instead.


 * In the past the stand-alone Screw Maker macro, by ulrich1a, was used to create individual bolts, screws, and washers. This is now deprecated. The Fasteners workbench, by shaise, includes the screw maker macro completely, together with a toolbar to select the right component.

Methode 2: Schummeln mit gestapelten Scheiben
Dies ist ein guter Weg, um Gewinde grob zu visualisieren und dabei die Geometrie möglichst einfach zu halten. Da jedoch kein tatsächliches Gewinde erzeugt wird, ist diese Methode für herzustellende Bauteile normalerweise ungeeignet.

In many cases we don't need real threads, we just need a visual indication that the threads will be there.

Die Idee hierbei ist, ein nicht-schraubenförmiges Gewinde zu erzeugen und scheibenförmig zu stapeln. Solch ein Pseudogewinde ist auf den ersten Blick nur schwer von einem tatsächlichen Gewinde zu unterscheiden und lässt sich deshalb in bestimmten Situationen (z.B. FEM-Simulationen) verwenden.



Revolving sawtooth profile

 * 1) Click on.
 * 2) Click on . Select.
 * 3) Draw a closed sketch with the required inner diameter, outer diameter around , pitch , number of teeth , and total height.
 * 4) Select the sketch, then click on . Select, and press.





Stacking discs

 * 1) Repeat the first two steps from the previous section.
 * 2) Draw a closed sketch with the required inner diameter, outer diameter around , and pitch , but draw only a single tooth of the sawtooth.
 * 3) Select the sketch, then click on . Select, and press.
 * 4) Select the, then click on . Select . For a fake thread with a pitch of , set the  to , and  to , then press . This will create two discs, one on top of the other.
 * 5) You can add more discs by increasing the value of  in the linear pattern, and by raising the, which is the total length of the fake thread.

The and  are related. If the length is too large, but the number of occurrences is not high enough, you will have disconnected discs, and the Body computation will fail, as the resulting object must always be a single contiguous solid. For example, to get a total height of, set to  and  to.

If you wish, you may add a with a diameter equal to the inner diameter of the discs, and as high as the total thread height. This will join all discs into a single solid, thus guaranteeing that there will not be disconnected discs.





Methode 3: Ein vertikales Profil entlang einer Kurve extrudieren
Die Idee ist sehr einfach: Erstellen eines Profils und anschließendes Extrudieren (Sweep ) des Profils entlang einer helixförmigen Kurve (Helix ). Dabei müssen die Checkboxen Erzeuge Volumenkörper und Frenet aktiviert sein, damit später noch Bool'sche Operationen wie z.B. Vereinigen oder Ausschneiden  auf das Ergebnis anwendbar sind und zudem keine Verdrillungen entstehen.

PartDesign
A true thread consists of a closed profile sweeping a solid along a helical path.


 * 1) In the Workbench_Part.svg Part Workbench, click on  to create a . Give it the appropriate values for ,  , and.
 * 2) Move to the Workbench_PartDesign.svg PartDesign Workbench, and click on.
 * 3) Click on . Select.
 * 4) Draw a closed sketch with the required profile for the thread teeth, normally a triangular shape. In this case we will use a height of, which is slightly smaller than the  pitch used for the helix path. The profile must not create any self intersections when moved along the helix, neither between the turns nor in the middle, thus the sketch as shown for stacking disks cannot be used.
 * 5) Select the sketch, then click on . In, click on , and choose the helix object previously created. Then change  to  so that the profile sweeps the path without twisting; then press.
 * 6) When the dialog asks for a reference, choose.
 * 7) The helical coil is created, but there is no central body or shaft.
 * 8) Click on  with the appropriate   and   to touch the rest of the helical thread and automatically fuse to it.
 * 9) Additional boolean operations are needed to shape up the abrupt ends of the coil. For example, you can use additive features to provide a head to the screw, and a tip.







Part
This process can also be done with the tools of the Part Workbench.
 * 1) In the Workbench_Part.svg Part Workbench, click on  to create a . Give it the appropriate values for ,  , and.
 * 2) In this case, you don't need a . Switch to the Workbench_Sketcher.svg Sketcher Workbench, then click, and choose the global XZ plane.
 * 3) Then return to the Workbench_Part.svg Part Workbench, and use.
 * 4) Select the appropriate sketch from  and click the arrow to pass it to.
 * 5) Click, and choose all edges of the existing helix in the 3D view. Click.
 * 6) Make sure to tick  and . Obtaining a solid is the key to be able to perform Part Boolean operations with the resulting coil, otherwise only a surface will be produced.
 * 7) Click  to exit the dialog and create the coil.

Das Resultat ist eine Spule mit dem gewünschten Profil. Um daraus ein Gewinde zu machen, muss das Ergebnis der Operation mit einem Zylinder oder einer Bohrung vereinigt  werden. Mit weiteren Bool'schen Operationen können zudem die abrupten Enden der Spule beseitigt werden.



Tipps und Tricks

 * When the profile sweeps the helix, the resulting solid coil must not touch or self-intersect as it will be an invalid solid. This holds for the profile moving along the helix, as well as intersections in the center of the helix. Attempts to do boolean operations with it (fuse or cut) are very likely to fail. Check the quality of the coil with ; if self-intersections are reported, you must increase the pitch of the helix.

Regel 1: Die Kurve darf sich nicht selbst schneiden oder berühren, da sonst ein ungültiger Festkörper entsteht. Versuche, das Ergebnis zu vereinigen oder auszuschneiden, werden sehr wahrscheinlich scheitern. Nichtsdestotrotz kann dieses Problem im 3D-Druck oder für Visualisierungen vernachlässigbar sein.


 * When a cylinder is added to a coil to form the main shaft of a screw, the cylinder must not be tangent to the coil profile. That is, the cylinder must not have the same radius as the inner radius of the thread, as this is very likely to fail a fuse operation. In general, avoid geometry coincident to elements of the sweep, such as tangent faces, or edges tangent to faces they are not connected to. In order to produce a good boolean union, the swept coil and the cylinder must intersect. Check the quality of the fusion with ; if coplanar faces are reported increase the cylinder's radius by a small amount.
 * If the coil and the cylinder are tangent, even if the first fusion succeeds, it may fail in subsequent boolean operations with a third solid.
 * This is a limitation of the OpenCASCADE Technology (OCCT) kernel; in general, it doesn't handle well operations between coplanar surfaces.

Regel 2: Behalten Sie im Hinterkopf, dass das Werkzeug Helix in FreeCAD nicht immer präzise genug arbeitet. Als Folge kann es passieren, dass beim Vereinigen der Gewindespule mit einem Zylinder Probleme auftreten. Im Allgemeinen sollten geometrische Verknüpfungen zwischen Elementen, die mit dem Werkzeug Sweep erzeugt wurden und anderen Elementen besser vermieden werden.


 * The inner cylinder has a seamline. You should avoid placing the start of the helix along that seam. Either turn the helix or the cylinder by some degrees.

Tipp 1: Der Radius der Helix ist unbedeutend, falls kein kegelförmiges Gewinde entstehen soll. Bedeutend sind nur die Steigung und die Höhe der Kurve, d.h. es die Kurve kann für verschiene Gewinde mit gleicher Steigung wiederverwendet werden.

Tipp 2: Halten Sie das Gewinde möglichst kurz, denn bei längeren Kurven kann es Probleme mit den Bool'schen Operationen geben. Stattdessen kann ein kurzes Stück des Gewindes mit dem Werkzeug Draft Array stapelweise wiederverwendet werden.


 * For 3D visualization and 3D printing it may be okay to leave the cylinder and the thread unfused, that is, with intersections between the two solids. Reducing the amount the boolean operations results in less memory consumption and smaller files.

Vor- und Nachteile
+ Sehr realitätsnahes Verfahren zum Definieren von Gewindeprofilen

+ einfach zu verstehen

- da sich die Verlaufskurve nicht schneiden darf, ist es fast unmöglich ein lückenloses Gewinde ohne zylindrische Flächen zu erzeugen

General
Die Idee hinter dieser Methode ist es, einen horizontalen Querschnitt des Gewindes entlang einer Helix-Kurve zu extrudieren. Das Hauptproblem dabei ist es, das richtige Profil für ein bestimmtes Gewinde zu finden.



Wenn jemand einen Kreis als horizontales Profil verwendet, wobei der Kreis nicht im Ursprung liegen darf, da er die Tiefe des Gewindes definiert, so wird das Gewindeprofil sinusförmig.

Um das übliche Sägezahnprofil zu erhalten, muss ein Paar von archimedischen Spiralen als Draht vereinigt werden. Das Ergebnis hat eine Herzform, die kaum von einem Kreis zu unterscheiden ist, falls die Gewindetiefe klein gegenüber dem Gewindedurchmesser ist (das oben sichtbare Bild zeigt den gegenteiligen Fall).

Generieren des Profils
Es ist nicht einfach das horizontale Profil so zu bestimmen, dass ein bestimmtes vertikales Profil entstehen wird. In einfachen Fällen, z.B. dreieckige oder trapezförmige Profile, kann es von Hand konstruiert werden. Alternativ kann es auch konstruiert werden, indem das Gewinde zunächst mit Methode 3 erstellt wird und dann der Schnitt mit einer horizontalen Fläche erzeugt wird (Schnitt ).

Figuring out the horizontal profile to obtain a certain vertical profile is not easy. For simple cases like triangular or trapezoidal it can be constructed manually. Alternatively, it can be constructed by creating a short thread with method 3, and getting a slice of it by doing a Part Common between a horizontal plane face and the thread.

Profil für ein dreieckiges Gewinde
Fertig!
 * 1) Erstellen Sie eine (archimedische) Spirale in der XY-Ebene
 * 2) Setzen Sie die Anzahl der Windungen auf 0.5
 * 3) Der Radius der Spirale sollte dem Innenradius des Gewindes entsprechen
 * 4) Das Wachstum muss gleich dem Doppelten der Schnitttiefe des Gewindes sein.
 * 5) Spiegeln Sie die Spirale gegen die XY-Ebene (Spiegeln [[Image:Part_Mirror.png|16px]])
 * 6) Vereinigen Sie beide Spiralen, um einen geschlossenen Draht zu erhalten (Vereinigung [[Image:Part_Union.png|16px]])


 * 1) First create an Archimedian spiral in the XY plane.
 * 2) Set the number of turns to 0.5.
 * 3) Set the radius to the inner radius of the thread, the outer radius will be this plus the depth of the cut.
 * 4) Set the growth to double the depth of cut of the thread.
 * 5) Part Mirror the spiral against the XY plane
 * 6) Part Union the spiral and the mirror to obtain a closed wire, shaped like a heart.

Profil bei beliebigen Querschnitten




Fertig.
 * 1) ein (vertikales) Schnittprofil erstellen. Stelle sicher, dass die Höhe der Skizze mit der Steigung des benötigten Gewindes übereinstimmt.
 * 2) erstelle eine Helix1 mit einer Höhe, die der Steigung entspricht, und einer Steigung, die der Gewindesteigung entspricht, und einem Helixradius von 0,42*Nenndurchmesser des Gewindes.
 * 3) trage das Schnittprofil entlang der Helix1 aus. Hake an Erzeuge Volumenkörper und Frenet.
 * 4) Erstelle einen Kreis mit dem Nennradius des Gewindes in der x-y-Ebene.
 * 5) Erstelle eine Fläche aus dem Kreis. (Part Arbeitsbereich: erweitertes Dienstprogramm zum Erstellen von Formen oder Entwurf Hochstufen und ErstelleFläche = true)
 * 6) die Fläche mit dem Sweep Profil schneiden# einen Klon aus dem Schnitt erstellen (Entwurf Arbeitsbereich)
 * 7) Herabstufung des Klons, um einen Draht zu erlangen. (Entwurf Arbeitsbereich) Dieser Draht ist das horizontale Profil, das für diese Methode benötigt wird.
 * 8) Erstelle eine Spirale mit dem Radius des Nennradius des Gewindes und einer Steigung des Gewindes und der Höhe des benötigten Gewindes.
 * 9) Trage den Draht entlang der Spirale aus. Hake Vollmaterial und Frenet an.

Diese Vorgehensweise basiert auf einem Forumseintrag von Ulrich1a mit geringfügigen Anpassungen.

Die einzelnen Schritte werden außerdem in folgendem Video von Gaurav Prabhudesai gezeigt und erläutert: http://www.youtube.com/watch?v=fxKxSOGbDYs

Vor- und Nachteile
+ Das resultierende Gewinde ist direkt verwendbar


 * Edit_OK.svg a ready-to-use thread-on-a-rod solid shape is created by the sweep directly.
 * Edit_OK.svg fewer or even no boolean operations are required, so generation speed is very high compared to Method 3.
 * Edit_OK.svg thread ends are nicely cut straight away
 * Edit_OK.svg long threads are not a problem, unless a boolean operation is needed. Otherwise, it is not going to be much better than Method 3.
 * Edit_OK.svg threads without a gap are not a problem.

- Definieren des Profils ist aufwendig und kompliziert

Idee
Wendelförmige Splines extrudieren koaxiale Flächen, die ausgeformt werden können, während die parametrische Wendel von FreeCAD dies nicht tut. Zur Definition eines Gewindes sind zwei wendelförmige Splines erforderlich. Diese beiden können aus einem Bibliotheks Spline skaliert und dann entsprechend positioniert und extrudiert werden, um die richtige Form zu erhalten.

Die parametrischen Wendel von FreeCAD sind nicht wirklich spiralförmig, aber wendelförmige B-Splines sind nicht schwer zu entwerfen. Eine manuelle Methode besteht darin, Zwölfeck Polygone (12-seitige Polygone) mit 5 mm Radius/10 mm Durchmesser in 1/12mm (0,08333.mm) z Intervallen anzuordnen und Splines von Knotenpunkt zu Knotenpunkt in aufsteigender und rotierender Folge zu verfolgen, und es in Betracht zu ziehen, dies einmal mit z.B. 10 Windungen zu tun, so dass dieser Spline als Bibliotheksdatei für den Import und die Wiederverwendung wiederverwendet werden kann. Es ist praktisch, 10 mm Durchmesser/1 mm Teilung zu verwenden, um die Skalierung zu erleichtern. Wenn du es manuell machst, ist es einfacher, einen DDraht zu zeichnen und ihn dann in einen B-Spline zu konvertieren, als einen Spline zu zeichnen. Bei Drähten wird die Krümmung nicht während des Zeichnens berechnet, so dass sie dem Cursor folgen und gefügiger einrasten.

Sobald die Splines auf die richtige Größe skaliert und so angeordnet sind, dass die Ausformung den richtigen Winkel zwischen den Gewindeflanken aufweist, werden sie entlang ihrer Achse extrudiert, wobei eine Steigungslänge für den inneren Spline, die äußere Steigung/8, gilt.



ISO- und andere Gewinde haben reduzierte, d.h. flache, innere und äußere Kanten statt scharfer, was für FreeCAD Anwender mit dieser Methode geeignet ist, da wir die wendelförmige Stirnfläche bei der nominalen Größe der Befestigungselemente loften können, während eine Innenfläche nicht an einen Spline an der Außenkante geloft werden kann, weil eine Fläche ein geschlossenes Profil ist, ein Spline ist offen. Die ISO Norm besagt, dass die Nenngröße von Außengewinden eine Steigung der Stirnfläche von 8 mm haben. Das Bild zeigt die Anordnung der Geometrie und die daraus resultierenden wendelförmigen Flächen. Dann ausgeformt zwischen den Stirnseiten, und dann ein Zylinder, der die innere wendelförmige Stirnfläche ergibt, die nach ISO eine Steigung von 4/4 Breite hat, wird zu den Gewinden hinzugefügt.



Diese Methode erzeugt zuverlässige Festkörper, die korrekt boolesch sind. Obwohl sie keine "parametrischen" Schraubengewinde in Standardgrößen im Sinne eines einfachen Zugriffs auf die Form durch die Größe des Befestigungselements erzeugt, ist es eine einfache Möglichkeit, eine genaue Bibliothek zur Wiederverwendung zu erstellen, und Modelle von Spezialformen wie ACME oder archimedische Schrauben sind auch als Einzelstücke unkompliziert.