Material/de

Übersicht

Diese Seite erklärt das Materialdatensystem in FreeCAD.

Diese Seite befindet sich zurzeit noch in Bearbeitung, um die Änderungen am Materialsystem widerzuspiegeln, das sich aktuell in Entwicklung befindet.

Zusammenfassung

Im Gegensatz zu früheren Versionen werden Materialien nicht mehr als einfaches Wörterbuch implementiert. Das bisherige System hatte den Vorteil der Einfachheit, jedoch den Nachteil einer begrenzten Bandbreite bei der Beschreibung von Materialeigenschaften.

Im neuen System werden Eigenschaften separat als eine Reihe von YAML-Dateien definiert. Die Eigenschaften werden dann zu einer Eigenschaftsbeschreibung mit Werten für die erforderlichen Eigenschaften zusammengefasst. Neuere Datentypen wie Arrays bedeuten, dass der Zugriff nicht mehr über einfache Wörterbücher erfolgen kann. Stattdessen wird eine API verwendet, um auf die Materialeigenschaften und Datenwerte zuzugreifen. Dies ermöglicht größere Möglichkeiten als bisher.

Werkzeuge

Es gibt einige gute Ressourcen, mit denen sich Materialien einfacher handhaben lassen:

• Einheitenrechner um die Materialinformationen in den für FreeCAD erforderlichen Einheiten zu erhalten
• http://www.matweb.com/ kostenlose Materialdatenbank mit Tausenden von Materialwerten
• UUID-Generator um eindeutige UUIDs für neue Modelle zu erstellen. Eine UUID der Version 4 wird empfohlen.

Eigenschaften

Im Gegensatz zum bisherigen Materialstandard sind die Materialeigenschaften klar definiert. Sie wurden so konzipiert, dass sie granular und erweiterbar sind. Eigenschaften können mehrere Eigenschaften erben und nur das hinzufügen, was sich unterscheidet. Dies verbessert die Suche und vereinfacht die Implementierung.

Derzeit gibt es keinen speziellen Eigenschaften-Editor. Die Bearbeitung kann mit jedem YAML-Tool oder einem einfachen Editor wie nano oder Notepad erfolgen.

Die Eigenschafts-Definitions-Dateien werden als Modelle bezeichnet.

Beispiel für eine Eigenschaften-Modell-YAML-Datei

Model:
  Name: 'Linear Elastic'
  UUID: '7b561d1d-fb9b-44f6-9da9-56a4f74d7536'
  URL: 'https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_elasticity'
  Description: >
    Materials that are linearly elastic obey Hooke's law i.e. the stress and
    strain relationship is linear
  DOI: "10.1016/j.ijplas.2004.06.004"
  Inherits:
    - Density:
      UUID: '454661e5-265b-4320-8e6f-fcf6223ac3af'
    - IsotropicLinearElastic:
      UUID: 'f6f9e48c-b116-4e82-ad7f-3659a9219c50'
  AngleOfFriction:
    Type: 'Quantity'
    Units: 'deg'
    URL: 'https://en.wikipedia.org/wiki/Friction#Angle_of_friction'
    Description: >
      Further information can be found at
      https://en.wikipedia.org/wiki/Mohr%E2%80%93Coulomb_theory
  CompressiveStrength:
    Type: 'Quantity'
    Units: 'kPa'
    URL: 'https://en.wikipedia.org/wiki/Compressive_strength'
    Description: "Compressive strength in [FreeCAD Pressure unit]"

Anstelle einer großen monolithischen Definitionsdatei sind die Eigenschaften granular und konzentrieren sich in der Regel auf eine bestimmte Aufgabe. Modelle lassen sich in zwei grundlegende Kategorien einteilen:

• Physikalische Modelle: Diese sind durch das Schlüsselwort „Model” gekennzeichnet, wie hier gezeigt, und definieren die physikalischen Eigenschaften des Materials.
• Erscheinungsmodelle: Diese sind durch das Schlüsselwort „AppearanceModel” gekennzeichnet und definieren, wie das Material dargestellt wird.

Jedes Modell verfügt über eine eindeutige Kennung (UUID), die intern zur Referenzierung verwendet wird. Die Konsistenz dieser UUID ist wichtig, da eine Änderung für ein Dokument auch Auswirkungen auf andere Dokumente haben kann. In der Regel erfordern Ergänzungen der Definition keine Änderung der Kennung, da sie weiterhin in anderen Dokumenten verwendet werden können. Wertänderungen würden jedoch eine neue UUID erfordern.

Eine optionale URL kann zu einer detaillierten Beschreibung der beschriebenen Materialeigenschaft verweisen. Da es sich hierbei um eine Beschreibung der Eigenschaft und nicht des Materials selbst handelt, sollte diese an dieser Stelle recht allgemein gehalten sein. Eine kürzere Beschreibung, in der Regel ein bis zwei Zeilen, kann ebenfalls in die Modellbeschreibung aufgenommen werden.

Jedes Material kann auch einen DOI (Digital Object Identifier) enthalten, der über https://www.doi.org/ zu einer Forschungsveröffentlichung oder einem ähnlichen Artikel von Interesse führt.

Vererbung

Vererbung ist eine neue Funktion. Es gibt zwei Hauptanwendungsfälle.

Ein Anwendungsfall ist die Möglichkeit, Modelle anzupassen, ohne andere Dokumente zu beschädigen. Wenn beispielsweise ein Eigenschaftstyp unterschiedlich ist, kann ein abgeleitetes Eigenschaftsmodell definiert werden, das nur diese bestimmte Eigenschaft ändert, ohne vorhandene Dokumente zu beschädigen, die darauf verweisen.

Ein zweiter Anwendungsfall ist die Gruppierung von Eigenschaften auf suchbare Weise. Beispielsweise haben alle physikalischen Objekte eine Dichte, und in vielen Fällen sind dies alle verfügbaren Informationen zu diesem Material. In Fällen, in denen lineare Elastizitätseigenschaften verfügbar sind, möchten wir diese ebenfalls einbeziehen. In einem weiteren Beispiel, bei dem die Elastizität in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist, wie beispielsweise bei Holz, können wir ein weiteres Modell definieren, das von der Dichte abgeleitet ist. Die Informationen werden in den drei Eigenschaftsmodellen nicht dupliziert. Zusätzlich können wir nach Materialien suchen, die die Eigenschaft Dichte aufweisen, und alle drei Modelle zurückgeben.

Das oben gezeigte Beispiel erbt von zwei anderen Eigenschaftsdefinitionen. Dazu wird das Schlüsselwort „Vererbt“ gefolgt von einer Liste der Modellnamen und Kennungen angegeben. Wenn keine Vererbung stattfindet, kann dieser Abschnitt weggelassen werden.

Eigenschaften

Eigenschaften werden durch Angabe des Namens der Eigenschaft gefolgt von einer Reihe von Deskriptoren definiert. Der Deskriptor „Typ“ ist immer erforderlich. Die übrigen Deskriptoren sind nur erforderlich, um die Typinformationen zu vervollständigen. Die URL und die Beschreibung sind optional, werden jedoch nach Möglichkeit empfohlen.

Arten von Eigenschaften

Listen

Es gibt drei Listentypen: „List“, „FileList“ und „ImageList“. Tatsächlich sind alle drei identisch, außer dass sie unterschiedliche Editoren verwenden. Bei „FileList“ verfügt jeder Eintrag über einen Dateiauswahldialog. Ebenso öffnet „ImageList“ den Bildeditor. „ImageList“ unterscheidet sich dadurch, dass es sich um eine sehr große Zeichenfolgenrepräsentation eines Bildes handelt und extrem große Materialkartendateien erzeugen kann. Mit Vorsicht verwenden.

2D-Anordnungen

Anordnungen haben im Vergleich zu anderen Eigenschaftstypen einige einzigartige Eigenschaften. Jede der Anordnungs-Spalten muss beschrieben werden, was das Hinzufügen der Eigenschaft „Spalten“ erforderlich macht. Die Eigenschaft „Spalten“ ist dann eine Liste von Eigenschaften, die jede Spalte beschreiben.

2D-Anordnungen haben mindestens 2 Spalten und unterstützen nur den Eigenschaftstyp „Menge“. Dies kann in Zukunft auf andere Eigenschaftstypen erweitert werden.

Die Werte in der Anordnung werden durch Angabe eines Werts aus der ersten Spalte festgelegt.

TestArray2D3Column:
  Type: '2DArray'
  Columns:
    Temperature:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'C'
      URL: ''
      Description: "Temperature"
    Density:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'kg/m^3'
      URL: 'https://en.wikipedia.org/wiki/Density'
      Description: "Density in [FreeCAD Density unit]"
    InitialYieldStress:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'kPa'
      URL: ''
      Description: >
        Saturation stress for Voce isotropic hardening [FreeCAD Pressure unit]
  URL: ''
  Description: >
    2 Dimensional array showing density and initial yield stress with temperature

3D-Anordnungen

3D-Anordnungen ähneln in ihrer Implementierung den in den vorherigen Abschnitten beschriebenen 2D-Anordnungen. Es gibt ein Schlüsselwort „Spalten“, gefolgt von einer Liste von Eigenschaften, die die Spalten beschreiben. Die erste Spalte beschreibt die Tiefe oder dritte Dimension der Anordnungen, während die übrigen Spalten die übrigen Spalten beschreiben. Man kann sich dies als eine indizierte Liste von zweidimensionalen Anordnungen vorstellen.

Da ein zweidimensionales Felder mindestens zwei Dimensionen erfordert, sind mindestens drei Spalten erforderlich.

Auf die Werte in der Anordnung wird zugegriffen, indem zuerst die Tiefe und dann der Wert aus der ersten Spalte der 2D-Anordnung (hier die zweite Spalte) angegeben wird.

TestArray3D:
  Type: '3DArray'
  Columns:
    Temperature:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'C'
      URL: ''
      Description: "Temperature"
    Stress:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'MPa'
      URL: ''
      Description: "Stress"
    Strain:
      Type: 'Quantity'
      Units: 'MPa'
      URL: ''
      Description: "Strain"
  URL: ''
  Description: >
    3 Dimensional array showing stress and strain as
    a function of temperature

Ein Hinweis zu Anordnungen

Dies ist eine neue Funktion, die zuvor nicht verfügbar war. In Zukunft werden möglicherweise viele Funktionen hinzugefügt, die derzeit noch nicht implementiert sind. Beispielsweise sind Felder mit Spalten aus Zeichenfolgen potenziell nützlich, derzeit jedoch noch nicht implementiert.

Interpolation ist eine wichtige Funktion, die derzeit noch nicht implementiert ist. Beispielsweise gibt ein Feld mit Zeileneintragswerten von 1 und 2 nur exakte Übereinstimmungen zurück. Eine Suche nach 1,5 würde also einen Fehler zurückgeben. In Zukunft werden die Felder einen ungefähren Wert durch Interpolation aus den verfügbaren Daten ermitteln.

Material-Datenbank

Da der oben genannte Standard implementiert ist, wäre es nicht sinnvoll, alle Eigenschaften immer wieder in Objekten zu speichern. Grundsätzlich können wir eine Materialdatenbank mit dem Namen als Primärschlüssel aufbauen. Wenn Sie also keine besonderen Anforderungen an Ihr Material haben, definieren Sie einfach z. B. Name=Stahl, und FreeCAD kann alle Eigenschaften aus dieser Datenbank abrufen. Jede zusätzliche Eigenschaft, die Sie in der Zuordnung festlegen, überschreibt diejenige aus der Datenbank.

In Zukunft können wir diese Datenbank irgendwo im Internet hosten und eine allgemeine Open-Source-Materialdatenbank aufbauen.

Im Moment stelle ich mir eine Datenbank vor, die aus einem Mini-Datensatz mit einer Reihe von „grundlegenden” Materialien und deren grundlegenden Eigenschaften sowie einer SQLite-basierten Vollversion besteht.

Material.py

Da die Bearbeitung von Materialeigenschaften eine mühsame Arbeit ist, sollten wir ein Python-Frontend-Modul namens Material.py [Quelle] implementieren. Hier werden alle Arten von Hilfsmethoden für die Materialhandhabung implementiert.

• Berechnung der Masse aus Volumen und Dichte
• Umrechnung in verschiedene Einheitensysteme
• Berechnung, die in einer speziellen Anwendung (z. B. FEM) benötigt wird
• Und alles andere, was wir noch nicht wissen

Das Modul sollte so implementiert werden, dass es in FreeCAD oder eigenständig über die Befehlszeile ausgeführt werden kann (die Material-Eigenschafts-Zuordnung muss als Python-Zuordnung angegeben werden).

Das FreeCAD-Materialkarten-Dateiformat

Die Arbeit mit Materialien erfordert häufig das Importieren/Exportieren von Materialdefinitionen. Daher wird ein Dateiformat benötigt. Da wir nur über ein Schlüssel/Wert-Format verfügen, können wir ein einfaches und leicht lesbares Dateiformat zum Lesen und Parsen verwenden. Daher wurde das Format ini-file gewählt. Es ist standardisiert und es gibt bereits Parser dafür. Zum Beispiel das Config-Parser-Modul in Python.

Jede Materialdefinition befindet sich in einer Datei mit der Endung .FCMat. Einige dieser Dateien sind Teil des FreeCAD-Quellcodes und werden in die Binärdatei kompiliert. Dies dient dazu, Aufwand bei der Verteilung und beim Zugriff zu sparen. Außerdem können Dateien an verschiedenen Orten abgelegt und gesucht werden, um zusätzliche nicht standardmäßige Materialdefinitionen zu ermöglichen.

Beispiel einer .FCMat-Datei

; 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]
EmissiveColor = 255,255,255

Materialeigenschaften

Hier findet sich die Beschreibung der vereinbarten Materialeigenschaften. Es können gerne Unterabschnitte für die Materialeigenschaften des Fachgebiets hinzufügt werden.

Allgemein

Aufgaben: Einige Eigenschaften mit einem Ordnungssystem für Materialien (Metall, Legierung, Mineral, Holz, ...) hinzufügen.

Mechanisch

Aufgaben: Weitere für die mechanische Konstruktion erforderliche Eigenschaften hinzufügen.

Graphisch

In diesem Abschnitt werden Materialeigenschaften definiert, die sich auf das Aussehen des Materials beziehen.

Thermisch

Architektur und BIM

Aufgaben

• Nachhaltigkeit und LEED-Eigenschaften hinzufügen

BIM

• 2D drafting: Sketch, Line, Polyline, Circle, Arc, Arc From 3 Points, Fillet, Ellipse, Polygon, Rectangle, B-Spline, Bézier Curve, Cubic Bézier Curve, Point

---

• 3D/BIM: Project, Site, Building, Level, Space, Wall, Curtain Wall, Column, Beam, Slab, Door, Window, Pipe, Connector, Stairs, Roof, Panel, Frame, Fence, Truss, Equipment
  • Reinforcement Tools: Custom Rebar, Straight Rebar, U-Shape Rebar, L-Shape Rebar, Stirrup, Bent-Shape Rebar, Helical Rebar, Column Reinforcement, Beam Reinforcement, Slab Reinforcement, Footing Reinforcement
  • Generic 3D Tools: Profile, Box, Shape Builder, Facebinder, Objects Library, Component, External Reference

---

• Annotation: Text, Shape From Text, Aligned Dimension, Horizontal Dimension, Vertical Dimension, Leader, Label, Hatch, Axis, Axis System, Grid, Section Plane, New Page, New View
  • Create 2D Views: 2D Drawing, Section View, Section Cut

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• Snapping: Snap Lock, Snap Endpoint, Snap Midpoint, Snap Center, Snap Angle, Snap Intersection, Snap Perpendicular, Snap Extension, Snap Parallel, Snap Special, Snap Near, Snap Ortho, Snap Grid, Snap Working Plane, Snap Dimensions, Toggle Grid, Working Plane Front, Working Plane Top, Working Plane Side, Working Plane

---

• Modify: Move, Copy, Rotate, Clone, Create Simple Copy, Create Compound, Offset, 2D Offset, Trimex, Join, Split, Scale, Stretch, Draft to Sketch, Upgrade, Downgrade, Add Component, Remove Component, Array, Path Array, Polar Array, Point Array, Cut With Plane, Mirror, Extrude, Difference, Union, Intersection

---

• Manage: BIM Setup, Views Manager, Setup Project, Manage Doors and Windows, Manage IFC Elements, Manage IFC Quantities, Manage IFC Properties, Manage Classification, Manage Layers, Material, Schedule, Preflight Checks, Annotation Styles

---

• Utils: Toggle Bottom Panels, Move to Trash, Working Plane View, Select Group, Set Slope, Working Plane Proxy, Add to Construction Group, Split Mesh, Mesh to Shape, Select Non-Manifold Meshes, Remove Shape From BIM, Close Holes, Merge Walls, Check, Toggle IFC B-Rep Flag, Toggle Subcomponents, Survey, IFC Diff, IFC Explorer, New IFC Spreadsheet, Image Plane, Unclone, Rewire, Glue, Re-Extrude
  • Panel Tools: Panel, Panel Cut, Panel Sheet, Nest
  • Structure Tools: Structure, Structural System, Multiple Structures
  • IFC Tools: IFC Diff, IFC Expand, Create IFC Project, IfcOpenShell Update
  • Nudge: Nudge Switch, Nudge Up, Nudge Down, Nudge Left, Nudge Right, Nudge Rotate Left, Nudge Rotate Right, Nudge Extend, Nudge Shrink

---

• Additional: Preferences, Fine tuning, Import Export Preferences, IFC, DAE, OBJ, JSON, 3DS, SHP

FEM

• New Analysis

• Materials: Solid Material, Fluid Material, Non-Linear Mechanical Material, Reinforced Material (Concrete); Material Editor

• Element Geometry: Beam Cross Section, Beam Rotation, Shell Plate Thickness, Fluid Section for 1D Flow

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• Electromagnetic Boundary Conditions: Electrostatic Potential Boundary Condition, Current Density Boundary Condition, Magnetization Boundary Condition, Electric Charge Density

• Fluid Boundary Conditions: Initial Flow Velocity Condition, Initial Pressure Condition, Flow Velocity Boundary Condition

• Geometrical Analysis Features: Plane Multi-Point Constraint, Section Print Feature, Local Coordinate System

• Mechanical Boundary Conditions and Loads: Fixed Boundary Condition, Rigid Body Constraint, Displacement Boundary Condition, Contact Constraint, Tie Constraint, Spring Boundary Condition, Force Load, Pressure Load, Centrifugal Load, Gravity Load

• Thermal Boundary Conditions and Loads: Initial Temperature, Heat Flux Load, Temperature Boundary Condition, Body Heat Source

• Overwrite Constants: Constant Vacuum Permittivity

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• Mesh: Mesh From Shape by Netgen, Mesh From Shape by Gmsh, Mesh Boundary Layer, Mesh Refinement, Mesh Group, Erase Elements, FEM Mesh to Mesh

• Solve: Solver CalculiX, Solver Elmer, Solver Mystran, Solver Z88; Mechanical Equations: Elasticity Equation, Deformation Equation; Electromagnetic Equations: Electrostatic Equation, Electricforce Equation, Magnetodynamic Equation, Magnetodynamic 2D Equation, Static Current Equation; Flow Equation, Flux Equation, Heat Equation, Solver Job Control, Run Solver

• Results: Purge Results, Show Result, Apply Changes to Pipeline, Post Pipeline From Result, Pipeline Branch, Warp Filter, Scalar Clip Filter, Function Cut Filter, Region Clip Filter, Contours Filter, Glyph Filter, Line Clip Filter, Stress Linearization Plot, Data at Point Clip Filter, Calculator Filter; Filter Functions: Plane, Sphere, Cylinder, Box; Data Visualizations: Create Lineplot, Create Histogram, Create Table

• Utilities: Clipping Plane on Face, Remove All Clipping Planes, FEM Examples; Clear FEM Mesh, Display Mesh Info

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• Additional: Preferences; FEM Install, FEM Mesh, FEM Solver, FEM CalculiX, FEM Concrete; FEM Element Types

Anwenderdokumentation

• Erste Schritte
• Installation: Herunterladen, Windows, Linux, Mac, Zusätzliche Komponenten, Docker, AppImage, Ubuntu Snap
• Grundlagen: Über FreeCAD, Graphische Oberfläche, Mausbedienung, Auswahlmethoden, Objektname, Voreinstellungseditor, Arbeitsbereiche, Dokumentstruktur, Objekteigenschaften, FreeCAD unterstützen, Spenden

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• Hilfe: Anleitungen, Videoanleitungen
• Arbeitsbereiche: Std Base, Arch, Assembly, BIM, CAM, Draft, FEM, Inspection, Material, Mesh, OpenSCAD, Part, PartDesign, Points, Reverse Engineering, Robot, Sketcher, Spreadsheet, Surface, TechDraw, Test Framework

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• Addon: Addon-Manager, Externe Arbeitsbereiche, Skripten und Makros

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• Hubs: Anwenderzentrum, Hauptanwenderzentrum, Entwicklerzentrum