Manual:Traditional modeling, the CSG way/de

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CSG steht für Constructive Solid Geometry und beschreibt die grundlegende Arbeitsweise mit dreidimensionaler Festkörpergeometrie. Dabei werden komplexe Objekte erstellt, indem mithilfe von Booleschen Operationen wie Vereinigung, Subtraktion oder Schnittmenge Teile zu Festkörpern hinzugefügt oder entfernt werden.

Wie bereits früher in diesem Handbuch erläutert, unterstützt FreeCAD verschiedene Geometriearten. Die bevorzugte und praktischste Art für das Entwerfen realer 3D-Objekte in FreeCAD ist jedoch die BREP-Festkörpergeometrie, die hauptsächlich vom Arbeitsbereich Part verarbeitet wird. BREP legt 3D-Objekte fest, indem ihre räumlichen Grenzen (boundary representations) beschrieben werden. Die wichtigsten Aspekte von BREP beinhalten: Flächen, die Oberflächenelemente des Objekts, Kanten, die Grenzlinien, an denen zwei Flächen aufeinandertreffen, und Knotenpunkte, die Punkte, an denen Kanten zusammenlaufen.

BREP bietet mehrere Vorteile. Erstens definiert es Oberflächen mithilfe mathematischer Gleichungen und ermöglicht so eine präzise und genaue Modellierung. Diese Präzision ist für technische Anwendungen, bei denen genaue Abmessungen erforderlich sind, von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus stellt BREP glatte und detaillierte Oberflächen bereit, anders als Polygonnetze, die gekrümmte Oberflächen mit Facetten annähern. Dies ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen Vektorbildern, die ohne Qualitätsverlust skaliert werden können, und Bitmap-Bildern, die bei Vergrößerung pixelig erscheinen können. BREP behält umfassende topologische Informationen über das Objekt bei, einschließlich der Beziehungen zwischen Flächen, Kanten und Knotenpunkten, was für komplexe Operationen wie boolesche Berechnungen und Abrundungen unerlässlich ist.

Links eine Netzdarstellung und rechts eine BREP-Darstellung

Polygonnetze bestehen aus Knotenpunkten, Kanten und Flächen, die Dreiecke oder Vierecke bilden. Netze sind einfacher und schneller zu rendern, weisen jedoch keine hohe Präzision auf. Beim Vergrößern oder Drucken in großem Maßstab zeigen Netze facettierte Oberflächen statt glatter Kurven. Im Gegensatz dazu verwendet BREP mathematisch definierte Kurven und Oberflächen und stellt so überragend genaue und glatte Geometrie bereit. BREP-Modelle sind für CAD-Anwendungen vorzuziehen, bei denen Präzision erforderlich ist.

In FreeCAD wird BREP-basierte Geometrie von OpenCasCade verwaltet, einer Open-Source-Softwarebibliothek. Die primäre Schnittstelle zwischen FreeCAD und dem OpenCasCade-Kernel ist der Arbeitsbereich Part, der als Grundlage für die meisten anderen Arbeitsbereiche dient und grundlegende Werkzeuge zum Erstellen und Bearbeiten von BREP-Objekten bereitstellt. Der Arbeitsbereich Part enthält Werkzeuge zum Erstellen von Grundelementen, wie z. B. die Grundformen Quader, Zylinder und Kugel. Er enthält auch Werkzeuge zum Ausführen der booleschen Verknüpfungen Vereinigen, Schneiden und Differenz an Formen sowie Werkzeuge zum Verschieben, Drehen, Skalieren und Klonen von Objekten.

Während andere FreeCAD-Arbeitsbereiche, wie z. B. die Arbeitsbereiche PartDesign und Surface, fortgeschrittenere Werkzeuge zum Erstellen und Bearbeiten von Geometrie bereitstellen, sind diese auf den zugrundeliegenden Arbeitsbereich Part angewiesen. Es ist von Vorteil, wenn man versteht, wie Part-Objekte intern funktionieren, und mit den grundlegenden Part-Werkzeugen vertraut ist. Oft können diese einfacheren Werkzeuge Probleme lösen, die komplexere Werkzeuge möglicherweise nicht effektiv bewältigen können.

Um die Verwendung des Arbeitsbereichs Part zu veranschaulichen, modellieren wir diesen Tisch, wobei wir ausschließlich CSG-Operationen verwenden (mit Ausnahme der Schrauben, für die wir eines der Addons verwenden, und der Abmessungen, die wir im nächsten Kapitel sehen werden):

Erstellen wir ein neues Dokument (Strg+N oder Menü Datei → Neu) für den Entwurf unseres Tisches. Das Dokument wird zunächst auf der Registerkarte „Modell“ im Bedienfeld „Combo-Ansicht“ als „unbenannt“ bezeichnet. Sobald das Dokument als "table.FCStd" gespeichert wird (Strg+Umschalt+S oder Menü Datei → Speichern unter), wird das Dokument in „table“ umbenannt, was das Projekt deutlicher identifiziert. Wir werden Millimeter (mm) als Längeneinheit verwenden. Einheiten können nach Belieben den eigenen Vorlieben angepasst werden, indem das Menü in der unteren rechten Ecke verwendet wird.

Jetzt können wir zum Arbeitsbereich Part wechseln und unser erstes Tischbeins erstellen.

Jetzt sollten zwei hohe Quader zu sehen sein, der eine um 8 mm sowohl in X- als auch in Y-Richtung vom anderen versetzt:

Das neu erzeugte Objekt, "Cut" genannt, enthält noch die beiden Quader, die wir als Operanden benutzt haben. Tatsächlich sind die beiden Quader weiterhin im Dokument und wurden lediglich ausgeblendet und in der Baumansicht unterhalb des Cut-Objekts angeordnet. Sie können weiterhin ausgewählt werden, indem der Pfeil neben dem Cut-Objekt ausgeklappt wird. Wenn gewünscht können sie wieder eigeblendet werden, indem die Augensymbole neben ihren Benennungen angeklickt werden, durch Auswahl in ihren Rechts-Klick-Menüs oder durch Ändern ihrer Eigenschaften.

Differenz und andere boolesche Verknüpfungen können auch mit dem Werkzeug Boolesche Verknüpfung ausgeführt werden.

Anstatt den Basiswürfel sechsmal zu duplizieren, hätten wir das gesamte Bein dreimal duplizieren können, indem das oben erstellte Cut-Objekt aus den ersten beiden Quadern kopiert, eingefügt und jedes ausgeschnittene Bein in die richtige Ausrichtung gedreht wird. In FreeCAD gib es oft mehrere Möglichkeiten, das gleiche Ergebnis zu erzielen. Dies sollte man sich merken, da man es oft als einfacher oder effizienter empfindet, verschiedene Techniken in unterschiedlichen Zusammenhängen einzusetzen.

Wir stellen fest, dass die Zylinder über die Tischbeine hinausragen. Der Grund ist, dass, wie in allen auf Festkörpern basierenden 3D-Applikationen, boolesche Verknüpfungen in FreeCAD manchmal fehlschlagen, wenn Flächen von Objekten komplanar verlaufen. Wir können potentielle Fehler vermeiden, indem die Enden der Zylinder außerhalb der Beinoberflächen liegen.

Wie man sieht, wird jetzt jedes Bein von einer Folge mehrerer Operationen beschrieben, die in der Baumansicht eingebettet sind. Die gesamte Geometrie, die wir erstellt haben, bleibt parametrisch und wir können jederzeit jeden Parameter in jeder der älteren Operationen ändern. In FreeCAD bezeichnen wir diese Folge als "Modell-Historie" (modeling history), da sie die komplette Geschichte der durchgeführten Operationen aufzeichnet.

Eine weitere Eigentümlichkeit von FreeCAD ist, dass das Konzept von 3D-Objekten und das Konzept von 3D-Operationen dazu neigen, zu einem zu vermischen. "Cut" bezeichnet (im Englischen) zur gleichen Zeit eine Operation (boolesche Differenz) und auch das aus dieser Operation resultierende 3D-Objekt. In FreeCAD wird dies manchmal eher als "Formelement" bezeichnet, anstatt als "Objekt" oder "Operation".

Jetzt modellieren wir die Tischplatte. Es wird ein einfaches rechteckiges Prisma sein Holzblock sein, daher starten wir es mit einem weiteren Quader und ändern seine Abmaße auf der Registerkarte Daten wie folgt:

Auf der Registerkarte Ansicht kann ihr eine bräunliche, holzähnliche Farbe zugeordnet werden, indem ihre Eigenschaft Shape Appearance angepasst wird:

Nachdem unsere fünf Teile nun fertig sind, ist es ein guter Zeitpunkt, ihnen bessere Bezeichnungen zu geben als "Cut015". Mit einen Rechtklick in der Baumansicht (oder durch Drücken von F2, wenn ein Objekt ausgewählt ist) kann jedes Objekt umbenannt werden und so eine aussagekräftige Bezeichnung erhalten. Eine sinnvolle Benennung von Objekten kann genauso wichtig sein, wie die die Weise, wie es modelliert wird.

Wie bereits erwähnt, kann dasselbe Ergebnis erzielt werden, auch wenn man unterschiedliche Schritte ausführst. Um dies zu zeigen, erstellen wir denselben Tisch mit einer anderen Methode. Nicht vergessen, es gibt keinen richtigen oder falschen Weg - nur individuelle Kreativität.

Wir beginnen auf ähnliche Weise, indem wir einen Quader mit den folgenden Abmessungen erstellen: Länge 80 mm, Breite 8 mm und Höhe 750 mm

Lasst uns die Tischplatte erstellen.

Nun machen wir weiter, indem wir Schrauben im Arbeitsbereich Fasteners auswählen und hinzufügen.

Die interne Struktur von Teilobjekten

Wie wir oben gesehen haben, ist es in FreeCAD möglich, nicht nur ganze Objekte, sondern auch Teile davon auszuwählen, z.B. die kreisförmige Kante unseres Schraubenlochs. Dies ist ein guter Zeitpunkt, um einen kurzen Blick darauf zu werfen, wie Part-Objekte intern konstruiert werden. Jeder Arbeitsbereich, der Part-Geometrie erzeugt, basiert auf Folgendem:

In der 3D-Ansicht können die einzelnen Knotenpunkte, Kanten oder Flächen ausgewählt werden. Wird eins dieser Elemente ausgewählt, wird gleichzeitig das gesamte Objekt ausgewählt, zu dem es gehört.

Eine Anmerkung zu geteiltem Design

Wir sehen uns den Tisch oben an und denken vielleicht, dass sein Design nicht besonders gut ist. Die Beine scheinen nicht sehr sicher mit der Tischplatte verbunden zu sein! Vielleicht sollten wir Verstärkungselemente hinzufügen oder gibt es andere Verbesserungsvorschläge? Hier wird das Teilen interessant. Die Datei, die wir während dieser Übung erstellt haben, kann über den unten stehenden Link heruntergeladen und geändert werden, um sie zu verbessern. Wenn diese verbesserte Datei dann geteilt wird, können andere sie möglicherweise noch besser machen oder deinen gut gestalteten Tisch in ihren Projekten verwenden. Dein Design könnte dann andere Menschen zu neuen Ideen anregen, und vielleicht hast du dazu beigetragen, eine bessere Welt zu schaffen...

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