Thread for Screw Tutorial

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Base ExampleCommandModel.png Tutorial

Thema
Modellierung
Niveau
Fortgeschrittene
Zeit zum Abschluss
Autor
DeepSOIC, Murdic
FreeCAD version
0.14 oder neuer (je nach Methode)
Beispieldatei(en)


Einleitung

Dieses Tutorial beschreibt mehrere Vorgehensweisen zum Modellieren von Gewinden in FreeCAD.

Gewinde in FreeCAD zu modellieren ist nicht empfehlenswert, weil die notwendigen Berechnungen das Programm stark beanspruchen und den Speicherverbrauch in die Höhe treiben. Bereits ein einziges Gewinde in einer FreeCAD-Datei kann die Dateigröße auf mehrere Megabyte erhöhen. Es gibt jedoch Situationen, in denen sich eine präzise Modellierung von Gewinden nicht vermeiden lässt und für diese Situationen ist dieses Tutorial gedacht.

Methode 0: Das Gewinde aus einer Bibliothek beziehen

Bereits fertiggestellte Modelle anderer Personen zu verwenden ist besonders einfach und zeitsparend. Mit dem Macro BOLTS können verschiedene standardisierte Bauteile aus der Blibliothek BOLTS in FreeCAD eingefügt werden.

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.

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.

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.

Thread-stack-vs-proper.png

Methode 3: Ein vertikales Profil entlang einer Kurve extrudieren

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

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

Erstellen eines Gewindes durch Extrudieren eines Profils entlang einer Kurve. 1 - das Profil (eine Zeichnung). 2 - die Verlaufskurve (Helix). 3 - das Ergebnis der Operation (Sweep)

Tipps und Tricks

Thread-by-vertical-profile-rule1.png

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.

1000

Regel 2: Behalten Sie im Hinterkopf, dass das Werkzeug Helix Part Helix.png 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 Part Sweep.png erzeugt wurden und anderen Elementen besser vermieden werden.

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.

Vor- und Nachteile

+ Sehr realitätsnahes Verfahren zum Definieren von Gewindeprofilen

+ einfach zu verstehen

+ keine Probleme beim Generieren von Polygongittern des 3D-Modells (im Gegensatz zu Methode 4)

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

- Bool'sche Operationen werden für brauchbare Ergebnisse benötigt, was den Zeitaufwand und die Fehleranfälligkeit erhöht

- Gewinde mit vielen Windungen sind problematisch

Methode 4: Ein horizontales Profil entlang einer Kurve extrudieren

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.

Thread-by-horz-profile.png

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 Part Common.png).

Profil für ein dreieckiges Gewinde
  1. Erstellen Sie eine (archimedische) Spirale in der XY-Ebene
    1. Setzen Sie die Anzahl der Windungen auf 0.5
    2. Der Radius der Spirale sollte dem Innenradius des Gewindes entsprechen
    3. Das Wachstum muss gleich dem Doppelten der Schnitttiefe des Gewindes sein.
  2. Spiegeln Sie die Spirale gegen die XY-Ebene (Spiegeln Part Mirror.png)
  3. Vereinigen Sie beide Spiralen, um einen geschlossenen Draht zu erhalten (Vereinigung Part Union.png)

Fertig!

Profil bei beliebigen Querschnitten

Thread-by-horz-profile-profileMake.png

  1. Erstellen Sie ein (vertikales) Schnittprofil in der XZ-Ebene. Stellen Sie dabei sicher, dass die maximale Höhe des Profils mit der Steigung des Gewindes übereinstimmt.
  2. Erstellen Sie eine Helixkurve, bei der die Höhe und die Steigung gleich der Gewindesteigung sind und der Radius gleich 0.42 mal Gewindedurchmesser ist.
  3. Wichtig: Das zuvor erstellte Profil muss nun in Z-Richtung vollständig unterhalb der Helix liegen! Dies kann entweder durch eine Verschiebung der Helix nach oben oder eine Verschiebung des Profils nach unten realisiert werden.
  4. Extrudieren Sie das Profil entlang der Helixkurve mit dem Sweep-Werkzeug Part Sweep.png (Erzeuge Volumenkörper und Frenet müssen aktiv sein).
  5. Zeichnen Sie einen ausgefüllten Kreis in die XY-Ebene, dessen Radius dem Radius des Gewindes entspricht.
  6. Wählen Sie erst den Kreis und dann den zuvor entstandenen Volumenkörper aus und klicken Sie auf Ausschneiden Part Cut.png.
  7. Erstellen Sie eine Kopie des resultierenden Objektes (Arbeitsbereich Part > Einfache Kopie erstellen ).
  8. Wandeln Sie die Schnittfläche in einen Draht um (Arbeitsbereich Draft > Herabstufen Draft Downgrade.png).
  9. Erstellen Sie eine Helixkurve, deren Steigung gleich der Gewindesteigung und deren Durchmesser gleich dem Gewindedurchmesser ist. Die Höhe der Kurve ist beliebig wählbar.
  10. Nutzen Sie das Sweep-Werkzeug, um den beim Herabstufen erhaltenen Draht entlang der gerade erstellten Helixkurve zu extrudieren (Erzeuge Volumenkörper und Frenet müssen aktiv sein).

Fertig.

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

+ Weniger oder sogar keine Bool'schen Operationen notwendig, sodass die Rechenzeit deutlich geringer ausfällt als bei Methode 3

+ Endflächen der Gewinde sind schön gerade geschnitten

+ Längere Gewinde sind problemlos möglich, falls keine Bool'schen Operationen notwendig sind. Andernfalls ist es kaum besser als Methode 3.

+ Lückenlose Gewinde sind kein Problem

- Definieren des Profils ist aufwendig und kompliziert

- Beim Umwandeln des 3D-Modells in ein Polygongitter kann es, je nach verwendetem Algorithmus, zu Problemen kommen. Dabei zeigt Mefisto die besten Ergebnisse.

- hoher Speicherverbrauch [1]


Methode 5: Lofting between helical extruded faces

Idee

Helical splines will extrude coaxial faces that are able to be lofted, while FreeCAD's parametric helix won't. It takes two helical splines to define a thread. Those two can be scaled from a library spline, then located and extruded appropriately to get the form right.


FreeCAD's parametric helixes aren't truly helical, but helical b-splines aren't difficult to lay out. One manual method is to array dodecagons (12-sided polygons) with 5mm radius/10mm diameter at 1/12mm (0.08333.mm) z intervals and trace splines from vertex to vertex in ascending and rotating order, and to consider doing it once with, say, 10 turns, so that that spline can be re-used as a library file for import and reuse. It's convenient to use 10mm diameter/1mm pitch for ease of scaling. If you are doing it manually, drawing a Dwire and then converting it to a b-spline is easier than drawing a spline. Dwires don't have curvature computed while being drawn, so they follow the cursor and snap more obediently.

Once the splines are scaled to the right size and located so that the loft will have the right included angle between the thread flanks, they're extruded along their axis, a pitch length's worth for the inner spline, the outer pitch/8.


Splineextrudeloft.png


ISO and other threads have relieved, ie flat, inner and outer edges rather than sharp, which suits FreeCAD users with this method, because we can loft to the helical face at the nominal fastener size, while an inner face can't be lofted to an outer edge spline because a face is a closed profile, a spline is open. ISO standard says the nominal size of external threads have a face width pitch/8. The picture shows how the geometry is arranged, and the helical faces that result. Then, loft between the faces, and then a cylinder that gives the inner helical face, which ISO puts at pitch/4 width, is added to the threads.


761PX


This method produces reliable solids that boolean properly. While it doesn't produce "parametric" screw threads in standard sizes in the sense of having simple access to form by fastener size, it's an easy way of producing an accurate library for reuse, and models of specialised forms like ACME, or Archimedian screws, are also uncomplicated as one-offs.