Problemstellung

Foto des Tubenwicklers
Foto

Die Senftube wird nicht richtig leer? Vom vielen Biegen bekommt die Tube Risse? Hier hilft der Tubenwickler.

Prinzip: Der Tubenwickler wird von der Seite her über den Endfalz einer Alu-Tube geschoben und mithilfe der Hebel (Griffe) kann man die Tube um die Haspel wickeln.
Vollständig ausgequetscht wird die Tube zwar nicht - da helfen Finger, Messergriffe o.ä. -, aber dafür ist die Konstruktion simpel.

Ziel: Das folgende Tutorial beschreibt, wie man den Tubenwickler mit FreeCAD konstruieren kann, und ist hoffentlich ausführlich genug, dass auch Anfänger damit zurecht kommen. Zusätzlich Hinweise für den 3D-Druck erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Vorbereitungen in FreeCAD

Falls FreeCAD noch nicht installiert ist: FreeCAD installieren.

Entwurf per Handskizze

Entwurf für einen Tubenwickler
Entwurfsskizze für einen Tubenwickler
mit den Maßen einer typischen Tube
unmaßstäblich, Maße in [mm]

Beginnen Sie jede Konstruktion mit einer Handskizze!
Mit dem Bleistift in der Hand hat man den Kopf frei für die Konstruktion. Wenn man dagegen vor dem PC überlegt, braucht man 30-90% seiner Gehirnkapazität für das CNC-Programm - und die könnte an der Konstruktion fehlen. Meine Skizze finden Sie rechts.

Neue Datei erstellen und benennen


Der Tubenwickler in der Baumansicht

Das Erstellen einer neuen Datei ist noch nichts besonderes.

Zu tun:

  • Icon Body (Neues Dokument erstellen)
    oder
    Menuleiste - Datei - Neu
    oder
    Tastatur - Strg-N
    • → In Combo-Ansicht - Modell erscheint das Element Unbenannt1
    • → Das Element Unbenannt1 wird aktiviert und in der Baumansicht hervorgehoben dargestellt.
  • Icon Body (Aktives Dokument speichern)
    oder
    Menuleiste - Datei - Speichern
    oder
    Tastatur - Strg-S
  • Dateiname: Tubenwickler.FCStd - Speichern
    • Unbenannt1 heißt jetzt Tubenwickler

Links und Hinweise:

Arbeitsbereich | Workbench wählen


Arbeitsbereich - Part Design

Workbench bedeutet wörtlich Werkbank und bezeichnet in FreeCAD Arbeitsbereiche für unterschiedliche Aufgaben. Der Arbeitsbereich PartDesign ist zum Erstellen von Einzelteilen nach Skizzen gedacht.

Zu tun:

  • Arbeitsbereich - Icon des Arbeitsbereiches PartDesign Part Design
    (anfangs unter Start verborgen)

Links und Hinweise:

  • FreeCAD Wiki: Arbeitsbereiche und Arbeitsbereich PartDesign
  • Interner Link: ---
  • Arbeitsbereich heißt in FreeCAD auch Workbench
  • PartDesign heißt in FreeCAD auch Teilekonstruktion

Neuen Körper | Body öffnen


Body in der Baumansicht

Mit Körper | Body ist ein einzelnes Bauteil (Einzelteil) gemeint. https://wiki.freecadweb.org/Feature_editing/ definiert es als "Behälter, der eine Folge von Formelementen gruppiert, die einen einzigen zusammenhängenden Volumenkörper bilden." (20.02.2021, 23:21) Alles klar?

Zu tun:

  • Arbeitsbereich - PartDesign
  • Icon Body (Erzeugen und Aktivieren eines neuen Körpers)
    oder
    Menuleiste - PartDesign - Körper erstellen
    oder
    Combo-Ansicht - Aufgaben - Start Part - Körper erstellen
    • → In Combo-Ansicht - Modell erscheint das Element Body

Links und Hinweise:

  • FreeCAD Wiki: PartDesign - Body
  • Interner Link:
  • Außerhalb dieses Tutorials würde ich Body und alle folgenden Elemente des Baumes aussagekräftig umbenennen. In diesem Tutorial verzichte ich darauf, damit es auf andere Einzelteile übertragbar bleibt.
  • Body heißt in FreeCAD manchmal auch Körper. Ich nenne es auch Teil oder Einzelteil

Lage des Einzelteiles im Koordinatensystem festlegen


Isometrische Darstellung
des Tubenwicklers
mit Koordinatensystem

Eine günstige Lage im Koordinatensystem kann die CAD-Konstruktion erleichtern. Also sollte man sich vor der ersten Skizze überlegen, wie man sein Einzelteil im Koordinatensystem anordnet. Mein Wahl für den Tubenwickler ist im Bild erkennbar. /// habe ich in der Entwurfsskizze (ganz oben) eingetragen.

Überlegungen:

  • Für den 3D-Druck lege ich die z-Achse gerne in Druckrichtung, also nach oben.
  • Hier liegt die xy-Ebene unten, aber das muss nicht so sein, zB. wenn die xy-Ebene als Symmetrieeeben geeignet ist.
  • Die x-Achse lege in Richtung der Hebel und die y-Achse entlang der Haspel, weil dies in diesem Fall für die standardmäßige isometrische Darstellung günstig ist.
  • Die yz-Ebene soll eine Symmetrieebene sein und liegt deshalb in der Mitte des Tubenwicklers.

Die 1. Skizze: Querschnitt der Haspel

Um die Haspel mit der Nut für den Endfalz zu erzeugen, zeichne ich den Querschnitt der Haspel in eine Skizze und lasse anschließend den Querschnitt durch Extrusion | Aufpolstern zu einem Volumen wachsen.

Dazu gehören folgende Schritte:

Neue Skizze anlegen


Sketch in der Baumansicht

Zuerst muss eine Skizze | Sketch angelegt werden. Damit die Haspel in y-Richtung wachsen kann, muss die Skizze senkrecht dazu in der xz-Ebene liegen.

Zu tun:

  • Arbeitsbereich - PartDesign
  • Icon Body (Neue Skizze erstellen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizze erstellen
    oder
    Combo-Ansicht - Aufgaben - Start Body - Skizze erstellen
  • Combo-Ansicht - Aufgaben - Element auswählen: XZ-Ebene - OK
  • Combo-Ansicht - Aufgaben - Schließen
    • → In Combo-Ansicht - Modell erscheint das Element Sketch (Skizze) als Unterelement von Body.

Links und Hinweise:

  • FreeCAD Wiki: PartDesign - NewSketch
  • Interner Link: ---
  • Wenn man in der Baumansicht das Element Sketch anklickt = auswählt, kann man bei Eigenschaft und Wert die Einstellungen der Skizze einsehen und ändern.
  • Sketch heißt in FreeCAD manchmal auch Skizze. Ich nenne es Skizzenblatt, während die Skizze das ist, was ins Skizzenblatt skizziert wird.

Vorhandenes Skizzenblatt | Sketch öffnen


Leeres Skizzenblatt von Sketch

Zum Bearbeiten muss man das Skizzenblatt | Sketch öffnen.

Zu tun:

  • Arbeitsbereich - PartDesign
  • Combo-Ansicht - Modell - Sketch (anklicken = auswählen, siehe Bild Sketch in der Baumansicht)
  • Icon Body (Ausgewählte Skizze bearbeiten)
    oder
    Combo-Ansicht - Modell - Sketch (mit Doppelklick öffnen)
    • → Der Arbeitsbereich und die Symbolleisten schalten auf Sketcher um.
    • → Das Skizzenblatt erscheint mit Raster und Koordinatensystem.

Profil grob skizzieren


grobe Skizze
des Querschnittes

Zunächst skizziert man den groben Querschnitt der Haspel.

Zu tun:

  • Arbeitsbereich - Sketcher
  • Combo-Ansicht - Modell - Sketch (anklicken = auswählen, siehe Bild Sketch in der Baumansicht)
  • Icon (Einen Linienzug in der Skizze erstellen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzengeometrien - Linienzug erstellen
  • Klick für Klick den Linienzug erstellen.
    • Die Icons Icon und Icon bedeuten, dass die zugehörigen Linien senkrecht bzw. waagerecht stehen. Achten Sie schon beim Zeichnen der Linien darauf, dann müssen Sie diese Beschränkungen nicht nachträglich ergänzen.
    • Die Schenkel des Querschnittes sind um die z-Achse herum skizziert, weil die z-Achse später als Symmetrielinie genutzt werden soll.
    • Keine Linie wurde AUF eine Achse des Koordinatensystems gelegt, weil übereinander liegende Linien immer Ärger machen, wenn man eine davon anklicken will. Die Anbindung einer Skizze ans Koordinatensystem ist zwar sinnvoll, sollte aber zuletzt geschehen.
    • Die z-Achse liegt außermittig und die Schenkel sind unterschiedlich lang, weil man so besser sieht, wo später noch Beschränkungen ergänzen werden müssen.
    • Dieser Linienzug ist geschlossen, d.h., sein letzter und sein erster Punkt sind verbunden. Icon ist das Icon für diese Beschränkung Deckungsgleich | Coincident.

Links und Hinweise:

Beschränkungen und Maße zuweisen

Die Skizze hat noch viele Freiheiten, d.h. man kann Linien und Knotenpunkte mit der Maus packen und verschieben. Für eine stabile Zeichnung müssen diese Freiheiten nach und nach entfernt werden, indem man Beschränkungen und Maße hinzufügt.

Vorbemerkungen:

  • Auch einfache Skizzen bergen Überraschungen, deshalb sollten Sie Schritt für Schritt vorgehen. Im Zweifelsfall nehmen Sie einen Schritt zurück und versuchen einen anderen Weg oder auch nur eine andere Reihenfolge.
  • (Bild - Ortsbeschreibung) FreeCAD zeigt die Anzahl der Freiheiten und Fehlermeldungen an. Haben Sie immer ein Auge darauf und ignorieren Sie nichts, denn je länger Sie warten, desto mehr müssen Sie später zurück nehmen.
  • Wenn FreeCAD überflüssige Beschränkungen anzeigt, sollte man sie als Anfänger einfach löschen und sein Glück auf's neue versuchen. Die Ursache zu finden ist meist viel schwieriger.
  • Wenn Sie eigene Skizzen bearbeiten, gehen Sie in möglichst kleinen Schritten vor. Besser eine Linien nach der anderen skizzieren und gleich beschränken, denn als ein komplexes ele Linien zu skizzieren und dann erst zu beschränken.
  • FreeCAD ist so gestrickt, dass man normalerweise erst Punkte und/oder Linien wählt und danach die gewünschte Funktion, z.B. vertikaler Abstand. Manchaml geht es auch umgekehrt.
  • In FreeCAD gibt es nicht einen Knopf zur Bemaßung, sondern viele: Horizontaler Abstand, vertikaler Abstand, noch ein Abstand, Durchmesser/Radius, Winkelbemaßung ..

symmetrische Punkte

Machen Sie die Punktepaare symmetrisch zur z-Achse:
Der Vorgang muss für jedes Punktepaar wiederholt werden.


Zwei Punkte auf
dem Wegzur Symmetrie
  • Auf dem Skizzenblatt - 1.Punkt anklicken → wird grün
  • Auf dem Skizzenblatt - 2.Punkt anklicken
  • Auf dem Skizzenblatt - z-Achse anklicken
  • Icon (Die Symmetrie .. festlegen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzenbeschränkungen - Symmetrie festlegen oder
    Tastatur - S

horizontale Bemaßung

Weisen Sie das waagerechte Maß 1,5 mm zu:


Horizontales Maß 1,5 mm
  • Auf dem Skizzenblatt - 1.Punkt anklicken → wird grün
  • Icon (Den horizontalen Abstand .. festlegen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzenbeschränkungen - Den horizontalen Abstand festlegen oder
    Tastatur - Umschalt-H
  • Länge: 1,5 mm (eintippen)
  • OK

vertikale Bemaßung

Weisen Sie das senkrechte Maß 1 mm zu:


Vertikales Maß 1 mm
  • 1. und 2.Punkt anklicken
  • Icon (Den vertikalen Abstand .. festlegen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzenbeschränkungen - Den horizontalen Abstand festlegen oder
    Tastatur - Umschalt-V
  • Länge: 1 mm

Winkel-Bemaßung

Weisen Sie den Winkel 145° zu:


Winkel 135°
  • 1. und 2.Punkt anklicken
  • Icon (Winkel .. festlegen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzenbeschränkungen - Winkel festlegen oder
    Tastatur - Umschalt-A
  • Winkel: 135° mm

Restliche Beschränkungen

Ergänzen Sie die fehlenden Beschränkungen und Maße:


Querschnitt mit allen Maßen
  • Beschränkungen und Maße vergeben → siehe oben
  • Beachten Sie die Meldungen des Lösers
    • Am Ende sollte 1 Freiheit übrig bleiben (= 1 degree od freedom), weil der Querschnitt noch in einer Richtung bewegt werden kann: senkrecht.
    • Under-constrained (=unterbestimmt) bedeutet, dass die Skizze noch nicht eindeutig ist.
  • Bemaßung verschieben oder löschen:
    • Maßzahl anklicken und schieben oder löschen
  • Beschränkungen löschen:
    • Combo-Ansicht - Modell - Einschränkungen:
    • Wenn man ein Constraint anklickt, wird es auf dem Skizzenblatt hervorgehoben.
    • Mit dem Kontextmenu (rechter Mausklick) auf einem Constraint kann man es löschen.
  • Konstruktive Hinweise:
    • Die Maße 1,5 mm und 3,5 mm passen zum Endfalz der gewählten Tube. Diese Maße können Sie an Ihre Tube anpassen.
    • Maße wie 1,3 mm (=3 Wandstärken) und 1,1 mm (für eine Schichtdicke von 0,15 mm auf der ersten Schicht von 0,2 mm) orientieren sich an empfohlenen Werten für den 3D-Druck.
    • Der Winkel 135° ist für den 3D-Druck notwendig, weil geplant ist, von unten nach oben zu drucken, und man ohne Stützmaterial nicht waagerecht über das Nichts drucken kann. 45° Überhang funktioniert mit den meisten Druckern und Filamenten.

Skizze am Koordinatensystem anbinden


Zwei Punkte auf dem Weg zur Symmetrie

Es ist häufig nützlich, wenn eine Skizze ans Koordinatensystem gebunden ist. Beim Querschnitt des Tubenwicklers ist die x-Achse bereits durch eine Symmetrie-Beschränkung fixiert und die y-Achse durch die Skizzenebene, also fehlt nur noch die z-Achse.

Binden Sie die untere Linie der Skizze an den Koordinatenursprung

  • Unterste waagerechte Linie anklicken
  • Koordinatenursprung anklicken
  • Icon (Punkt auf ein Objekt festlegen)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizzenbeschränkungen - Punkt auf Objekt festlegen
    oder
    Tastatur - O

Links und Hinweise:

  • FreeCAD Wiki: Arbeitsbereich Skizzierer enthält neben Erklärungen auch Listen aller Funktionen und Beschränkungen mitsamt den Links zu detaillierten Beschreibungen. Das finde ich gut, weil ich da nix erklären muss ;-)
  • Beschränkung heißt in FreeCAD manchmal auch Einschränkung, Abhängigkeit oder Constraint.
  • Deckungsgleich heißt in FreeCAD manchmal auch Coincident.

Skizze wieder verlassen

Solange eine Skizze geöffnet ist, sind viele andere Funktionen außer Kraft gesetzt. Das klingt selbstverständlich, kann aber für Anfänger zum Problem werden, auch weil die Skizze-Aus-Schalter in FreeCAD nicht immer sichtbar sind!

  • Arbeitsbereich - Sketcher
  • Combo-Ansicht - Aufgaben - Schließen
  • Icon Skizze verlassen (Bearbeitung der aktiven Skizze beenden)
    oder
    Menuleiste - Sketch - Skizze verlassen
    oder
    Combo-Ansicht - Aufgaben - Schließen
    • → Der Arbeitsbereich und die Symbolleisten schalten auf PartDesign um (oder den Arbeitsbereich, der vorher eingestellt war).

Volumenkörper aus der Skizze erzeugen

Links und Hinweise:

  • FreeCAD Wiki: Arbeitsbereich PartDesign enthält neben Erklärungen auch Listen aller Funktionen und Beschränkungen mitsamt den Links zu detaillierten Beschreibungen.
  • FreeCAD Wiki: PartDesign - Formelemente bearbeiten erklärt, wie mit PartDesign gearbeitet werden soll. Das würde ich nicht gleich, aber bei Gelegenheit lesen, weil es hilft, einige Probleme mit dem Konzept von PartDesign zu vermeiden.
  • heißt in FreeCAD manchmal auch , oder .
  • heißt in FreeCAD manchmal auch .

Nacharbeiten

Um Kanten etwas gefälliger zu machen, verwendet man Radien | Fillets und Fasen | Chamfers

Grundsätzlich haben 3D-Drucker kein Problem damit, auch noch so viele Formelemente zu drucken.
Aber eine auf dem Druckbett liegende Kante mit Radius beginnt mit einer extremen Auskragung und kann Probleme machen. Deshalb verwende ich für (in Druckrichtung) waagerechte Kanten bevorzugt Fasen mit einem Winkel von 45°, weil 3D-Drucker diesen Winkel in der Regel problemlos erzeugen.
Für (in Druckrichtung) senkrechte Kanten verwende ich bevorzugt Radien, unter anderem, weil es anschließend das Verlegen der Fasen erleichtert - sofern die Fasen kleiner als die Radien sind (0,1 mm genügt).

Ein Problem beim 3D-Druck sind schmale Grundflächen. Das Problem wird verstärkt, wenn schmale Grundflächen durch Fasen weiter verringert werden. Die letzte Steigerung sind die Stirnflächen von schmalen Grundflächen.

Achtung: Wenn Fasen schmale Auflageflächen schwächen, kann man Probleme mit der Haftung beim Andruck bekommen.

  • Radien für senkrechte Kanten
  • Wenn man Radien verschiedener Größen wünscht, muss man die Funktion Fillets mehrfach aufrufen.
  • Fasen für senkrechte Kanten. für senkrechte Kanten
    • Icon Fase | ChamferArbeitsbereich PartDesign - Fase

Korrekturen

Export einer STL-Datei für den 3D-Druck

Export einer STL-Datei für den 3D-Druck

Technische Zeichnung

Links und Hinweise: