Material

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Diese Seite erklärt das Materialdatensystem in FreeCAD.

Diese Seite befindet sich noch in der Übersetzung!

Überblick

Weil es schwierig bis unmöglich ist, einen festen oder vollständigen Satz an Materialeigenschaften festzulegen, wählen wir einen offeneren Weg. Jedes Objekt in FreeCad, das mit Materialien zu tun hat, hat eine Eigenschaft, die mit "Material" benannt ist und eine Schlüssel/Wert-Liste ist, die eine unendliche Zahl an Materialeigenschaften enthalten kann. Weil dieser Weg mit solchen Daten umzugehen, sehr offen und erweiterbar ist, besteht auch die Gefahr von Chaos. Deswegen beschreibt diese Seite einige Regeln und grundsätzliche Eigenschaften, um mit solchen Materialeigenschaften-Listen umzugehen.

Regeln

Jeder Eigenschaftssatz hat nur einen notwendigen Eintrag, der "Name" benannt ist. Dies ist der primäre Schlüssel des Materials. Die restlichen Materialeigenschaften sind optional oder können aus einer Materialdatenbank bezogen werden.

Eigenschaftsnamen (Schlüssel) werden nach Wörtern geordnet, die durch Unterstriche getrennt sind. Der erste Teil-String wird nach der Anwendung oder Standard (standard) benannt, das Folgende kann benutzt werden, um die Eigenschaften weiter zu gruppieren. Die Werte können ebenfalls durch Unterstriche gruppiert werden, z.B. um verschiedene Stahlsorten zu unterscheiden. Beispiele:

  • Name=Steel_Cast
  • SpecificWeight=7.85 (at 20° in kg/mm3)
  • EN10027_name = S235JR+AR (steel standard EN 10027-1)
  • FEM_YoungsModulus = xx ( in mm−1·kg·s−2)
  • FEM_YoungsModulus_Z
  • FEM_YoungsModulus_X

Jede Eigenschaft auf dieser Seite hat eine für Menschen lesbare Beschreibung, mit Verbindungen zu weiteren Informationen (z.B. Wikipedia)

Für jede Eigenschaft muss eine Maßeinheit angegeben werden, basierend auf dem FreeCAD-internen Einheitensystem mm-kg-s! Dies ermöglichte eine einheitliche Nutzung und Übersetzung.

Der Schlüssel (Name) und der Wert der Eigenschaft darf nur ASCII-Zeichen (7-Bit) beinhalten. Die Schlüssel werden in Camel-Case (Binnenmajuskel) geschrieben, aber case-insensitiv (unabhängig von der Groß- und Kleinschreibung) interpretiert.

Die Unterstriche ermöglichen später einen Eigenschaftseditor in Baumansicht, der eine Faltung erlaubt.

Werkzeuge

Es gibt einige Quellen, um Materialien einfacher zu handhaben:

Material-Datenbank

Sobald der obige Standard implementiert ist, wäre es dumm, die Eigenschaften wieder und wieder in den Objekten zu speichern. Grundsätzlich können wir eine Material-DB mit den Namen als Primärschlüssel aufbauen. Falls du dann keine speziellen Voraussetzungen an das Material hast, gibst du einfach z.B. Name=Steel an und FreeCAD holt sich die entsprechenden Eigenschaften aus der Datenbank. Jede zusätzliche Eigenschaft, die du in der Liste (map) setzt, überschreibt die entsprechende aus der DB.

Zukünftig können wir die DB irgendwo im Netz ablegen und daraus eine grundsätzliche Open-Source Material-DB machen.

Momentan denke ich an einen einkompilierten Minidatensatz, mit einem Satz "Basis"-Materialien und ihren Grundeigenschaften und einer SQLite-basierten Vollversion.

Material.py

Da die Handhabung von Materialeigenschaften mühselig ist, sollten wir ein Python-Frontend-Modul mit Namen Material.py entwickeln. Dies wäre der Platz, um alle möglichen Helfermethoden zur Materialhandhabung zu implementieren.

  • Berechnung von Masse aus Volumen und Dichte
  • Umrechnung in verschiedene Einheitensysteme
  • Berechnungen, die in speziellen Anwendungen benötigt werden (z.B. FEM)
  • und alles weitere, von dem wir momentan noch nichts wissen

Das Modul sollte so entwickelt sein, dass es sowohl in FreeCAD als auch unabhängig auf der Kommandozeile laufen kann (Material-Eigenschafts-Liste gegeben als Python-Liste (map)).

Das FreeCAD Material-Karten Dateiformat

Mit Materialien zu arbeiten heißt häufig Material-Definitionen zu importieren und exportieren. Dafür wird ein Dateiformat benötigt. Da wir nur Schlüssel-Wert-Paare haben, können wir ein einfaches und leicht zu lesendes und parsendes Dateiformat wählen. Hierfür wurde das Initialisierungsdatei-Format gewählt. Es ist standardisiert und Parser sind bereits verfügbar. Z.B. das Konfigparser-Modul in Python.

Jede Materialbeschreibung befindet sich in einer Datei mit der Endung .FCMat. Einige dieser Dateien sind Bestandteil der FreeCAD-Quellen und werden in die Binärdatei eincompiliert. Dies wird gemacht um zusätzlichen Aufwand bei der Verteilung und beim Zugang zu vermeiden. Außerdem können Dateien an verschieden Orten abgelegt und gesucht werden, um nicht-Standard Material-Definitionen zu ermöglichen.

Beispiele

; last modified 1 April 2001 by John Doe

Name=Steel_Cast
Father=Steel
Source=Some material book everyone knows (or not) ;Some comment
 
[EN10027]
; steel standard EN 10027-1
Name=S235JR+AR      

[Graphic]
Color_Emissiv = 255,255,255

Materialeigenschaften

Hier nun die Beschreibung von beschlossenen Materialeigenschaften. Du kannst gerne einen Unterabschnitt für die Materialeigenschaften des Bereichs einfügen, in dem Du Dich auskennst.

Allgemein

Allgemeine Materialeigenschaften
Eigenschaftsname Beschreibung Einheit/Datentyp
Name Eindeutiger Name der Eigenschaft, gemäß den o.g. Regeln ASCII-String 7-bit
Father Name der Materialgruppe, zu der dieses Material gehört. Falls definiert, erbt dieses Material alle Vatereigenschaften. Das bedeutet, falls nicht definiert, werden die Vater-Eigenschaften verwendet. ASCII-String 7-bit
Description Ein Platzhalter für eine längere Materialbeschreibung ASCII-String 7-bit
SpecificWeight Das spezifische Gewicht (auch als Gewicht pro Einheit (unit weight) bekannt) ist das Gewicht pro Volumeneeinheit eines Materials. Siehe: Wichte kg/mm^3
Vendor Gibt die Marke oder den Hersteller des Materials an ASCII-String 7-bit
ProductURL Eine URL, wo Informationen über das Material zu finden sind ASCII-String 7-bit
SpecificPrice Der Preis pro Einheit dieses Materials. Einheiten können sehr variieren (USD/m³, EUR/Stück, etc...) ASCII-String 7-bit

ToDos: füge einige Eigenschaften mit einem Ordnungssystem für Materialen (Metall, Aluminium, Mineralien, Holz, ...) hinzu

Mechanisch

Material properties used in mechanical or structural engineering
property name Description Unit/Data-Type
Young's Modulus Young's modulus, also known as the tensile modulus or elastic modulus, is a measure of the stiffness of an elastic material and is a quantity used to characterize materials. See: Young's modulus kg*mm^-1*s^-2 (kPa)
Poisson's Ratio The lateral contraction of materials under tension as a fraction of their elongation. See: Poisson's Ratio Dimensionless (-)
Yield Strength The stress at which a ductile material (like steel) starts to develop plastic (irreversible) deformation. See: Yield Strength N'*mm^-2 (MPa)
Ultimate Tensile Strength (UTS) The stress at which the material ruptures. For ductile materials this may be after experiencing significant plastic deformation (see Yield Strength). For brittle material Yield strength and Ultimate Tensile Strength coincide. See: UTS N'*mm^-2 (MPa)
Yield Points Used in a FEM non-linear material object to describe a ductile uni-axial stress-strain curve of a material. The values are entered as (yield stress, plastic strain) tuples, where the first combination is (Yield Strength, 0) and the last (UTS, Fracture Strain) See: YieldPoints (N'*mm^-2 (MPa), dimensionless (-)
Uniaxial Compressive Strength (FCK) The compressive strength of concrete, defined as the strength of a 150 mm size cube tested at 28 days. See FCK N'*mm^-2 (MPa)
Friction Angle (PHI) The angle of internal friction of a granular material like sand or concrete, as used in the Mohr-Coulomb yield criterion. See PHI degrees (-)
Hardness Des...
EN-10027-1 In case of steel material the Steel grade as defined in the European standard No. 10027-1. string ASCII 7-bit

ToDos: weitere Eigenschaften für mechanisches Design hinzufügen.

Grafisch

Dieser Abschnitt definiert Materialeigenschaften, die die visuelle Erscheinung des Materials betreffen. Die

visuelle Erscheinung
Eigenschaftenname Beschreibung Einheit/Datentyp
AmbientColor Umgebungsfarbe im Coin3D Farbmodell float,float,float range: 0.0-1.0
DiffuseColor Diffuse Farbe im Coin3D Farbmodell float,float,float range: 0.0-1.0
SpecularColor Spiegelfarbe im Coin3D Farbmodell float,float,float range: 0.0-1.0
EmissiveColor Emittierende Farbe im Coin3D Farbmodell float,float,float range: 0.0-1.0
Shininess (Glanz) Umgebungs?farbe im Coin3D Farbmodell float range: 0.0-1.0
Transparency (Transparenz) Umgebungs?farbe im Coin3D Farbmodell float range: 0.0-1.0
VertxShader Vertex shader program as defined in GlSl Multi line string ASCII 7-bit
FragmentShader Fragment shader program as defined in GlSl Multi line string ASCII 7-bit


Thermisch

Thermische Eigenschaften
Eigenschaftsname Beschreibung Einheit/Datentyp
ThermalConductivity Die Wärmeleitfähigkeit (R oder Lambda-Koeffizient) eines Materials W/m²K
ThermalExpansionCoefficient
SpecificHeat

Architektur und Gebäudedatenmodellierung

Im Architekturdesign verwendete Materialeigenschaften
Eigenschaftsname Beschreibung Einheit/Datentyp
StandardFormat Das für dieses Material benutzte Standard-Spezifikationssystem (ASTM, MasterFormat, CSI, OmniClass, etc...) String ASCII 7-bit
StandardCode Der spezifische Code dieses Materials im o.g. Standardformat String ASCII 7-bit
FireStandard Die Feuerwiderstandsklasse für dieses Material String ASCII 7-bit
FireClass Die Feuerschutzklasse des Materials nach o.g. Standard String ASCII 7-bit
SoundTransmission Der Schallübertragungskoeffizient dieses Materials W/m²K
Finish Die Art des Oberflächenzustands/Überzugs des Materials String ASCII 7-bit
Color Die Farbe des Materials String ASCII 7-bit
UnitsArea Die benötige Anzahl von Einheiten dieses Materials, um eine bestimmte Fläche zu füllen String ASCII 7-bit

ToDos: Nachhaltigkeit und LEED-Eigenschaften