Gewinde für Schrauben Tutorium

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Einleitung

Dieses Tutorium ist eine Sammlung von Techniken zur Modellierung von Schraubgewinden in FreeCAD.

This tutorial is a collection of techniques to model screw threads in FreeCAD. It was updated for v0.19, although the overall process has been essentially the same since v0.14, when the tutorial was originally written. The updated content focuses on the use of the Workbench PartDesign.svg PartDesign Workbench to create the thread, and new illustrations for methods 0 to 3.

Von der Modellierung von Gewinden wird abgeraten, da sie sowohl den Modellierungskern als auch die Renderingseite stark belastet. Die Gewindeformen benötigen viel Speicherplatz, und mit nur einem Gewinde in einem FreeCAD Projekt kann die Dateigröße leicht in den Megabyte Bereich steigen. Es gibt jedoch einige Situationen, in denen es wichtig ist, den Thread bis ins Detail zu modellieren, und dafür ist das Tutorial gedacht.

Many of the techniques presented here have been collected from different forum threads:

See also helpful videos:

Remember that thread shapes take a lot of memory, and having just one thread in a document can increase the file size significantly, so the user is advised to create threads only when absolutely necessary.

Methode 0. Eins aus der Teilebibliothek beziehen

Die Verwendung von Modellen, die andere Leute geschaffen haben, ist einfach und zeitsparend. Sieh dir Makro SCHRAUBEN an, eine Benutzeroberfläche zum Einfügen von Standardteilen aus der SCHRAUBEN Bibliothek.

Using models that other people have made is easy and saves time. See the external workbenches page for information on external tools.

In particular, two resources are recommended that can be installed from the Addon Manager:

  • Fasteners Workbech, to place parametric screws and washers that follow ISO standards. The screws and nuts by default don't show a thread, but this can be controlled with an option.
  • BOLTSFC, to place standard parts from the BOLTS library, which also follow ISO standards.

T13 00 Threads fasteners.png

Various ISO standard screws inserted with the Fasteners Workbench. An option controls whether an object shows the real thread or just a plain cylinder.


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.

  • In the past, the Macro BOLTS was used to insert the parts from the BOLTS library. This is now deprecated. Use the BOLTSFC workbench instead.
  • In the past the stand-alone Screw Maker macro, by ulrich1a, was used to create individual bolts, screws, and washers. This is now deprecated. The Fasteners workbench, by shaise, includes the screw maker macro completely, together with a toolbar to select the right component.

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.

In many cases we don't need real threads, we just need a visual indication that the threads will be there.

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.

T13 01 Threads comparison fake real.png

Left: simple bolt with a fake, non-helical thread. Right: simple bolt with a real helical thread. When 3D printing is not needed, a simulated thread is often sufficient for visualization.


Revolving sawtooth profile

  1. Click on PartDesign Body.svg PartDesign Body.
  2. Click on PartDesign NewSketch.svg PartDesign New sketch. Select XZ_Plane.
  3. Draw a closed sketch with the required inner diameter 10 mm, outer diameter around 12.6 mm, pitch 3 mm, number of teeth 8, and total height 30 mm.
  4. Select the sketch, then click on PartDesign Revolution.svg PartDesign Revolution. Select Vertical sketch axis, and press OK.

T13 02 Threads Sawtooth sketch profile.png

Profile used to create the revolution that will simulate a thread.


T13 03 Threads Sawtooth revolution 1.png T13 04 Threads Sawtooth revolution 2.png

Sectional view of the resulting non-helical thread produced by revolving the sawtooth profile around the vertical axis.


Stacking discs

  1. Repeat the first two steps from the previous section.
  2. Draw a closed sketch with the required inner diameter 10 mm, outer diameter around 12.6 mm, and pitch 3 mm, but draw only a single tooth of the sawtooth.
  3. Select the sketch, then click on PartDesign Revolution.svg PartDesign Revolution. Select Vertical sketch axis, and press OK.
  4. Select the Revolution, then click on PartDesign LinearPattern.svg PartDesign Linear pattern. Select Vertical sketch axis. For a fake thread with a pitch of 3 mm, set the Length to 3, and Occurrences to 2, then press OK. This will create two discs, one on top of the other.
  5. You can add more discs by increasing the value of Occurrences in the linear pattern, and by raising the Length, which is the total length of the fake thread.

The Length and Occurrences are related. If the length is too large, but the number of occurrences is not high enough, you will have disconnected discs, and the Body computation will fail, as the resulting object must always be a single contiguous solid. For example, to get a total height of 30 mm, set Length to 27 mm and Occurrences to 10.

If you wish, you may add a PartDesign AdditiveCylinder.svg PartDesign Additive cylinder with a diameter equal to the inner diameter of the discs, and as high as the total thread height. This will join all discs into a single solid, thus guaranteeing that there will not be disconnected discs.

T13 05 Threads Stacked discs sketch.png

Profile used to create a revolved disc that will be used to simulate a thread.


T13 06 Threads Stacked discs 1.png T13 07 Threads Stacked discs 2.png

Left: single disc created by revolution. Right: multiple discs placed in a linear pattern in the Z direction simulating a helical thread.


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.

PartDesign

A true thread consists of a closed profile sweeping a solid along a helical path.

  1. In the Workbench Part.svg Part Workbench, click on Part Primitives.svg Part Primitives to create a Part Helix.svg Part Helix. Give it the appropriate values for Pitch 3 mm, Height 23 mm, and Radius 10 mm.
  2. Move to the Workbench PartDesign.svg PartDesign Workbench, and click on PartDesign Body.svg PartDesign Body.
  3. Click on PartDesign NewSketch.svg PartDesign New sketch. Select XZ_Plane.
  4. Draw a closed sketch with the required profile for the thread teeth, normally a triangular shape. In this case we will use a height of 2.9 mm, which is slightly smaller than the 3.0 mm pitch used for the helix path. The profile must not create any self intersections when moved along the helix, neither between the turns nor in the middle, thus the sketch as shown for stacking disks cannot be used.
  5. Select the sketch, then click on PartDesign AdditivePipe.svg PartDesign Additive pipe. In Path to sweep along, click on Object, and choose the helix object previously created. Then change Orientation mode to Frenet so that the profile sweeps the path without twisting; then press OK.
  6. When the dialog asks for a reference, choose Create cross-reference.
  7. The helical coil is created, but there is no central body or shaft.
  8. Click on PartDesign AdditiveCylinder.svg PartDesign Additive cylinder with the appropriate Radius 10 mm and Height 29.9 mm to touch the rest of the helical thread and automatically fuse to it.
  9. Additional boolean operations are needed to shape up the abrupt ends of the coil. For example, you can use additive features to provide a head to the screw, and a tip.

T13 08 Threads Helical thread profile.png T13 09 Threads Helical thread path.png

Left: profile for a helical thread. Right: helical path that will be used to create a sweep.


T13 10 Threads Helical thread coil.png T13 11 Threads Helical thread coil sliced.png

Left: helical coil resulting from the sweep operation of the closed profile along the helical path. Right: sectional view of the coil produced from the sweep.


T13 12 Threads Helical thread cylinder.png T13 13 Threads Helical thread finished.png

Left: helical coil fused to a central cylinder to form the body of the screw. Right: more features, a head and a tip, added to improve the shape of the screw.


Part

This process can also be done with the tools of the Part Workbench.

  1. In the Workbench Part.svg Part Workbench, click on Part Primitives.svg Part Primitives to create a Part Helix.svg Part Helix. Give it the appropriate values for Pitch 3 mm, Height 23 mm, and Radius 10 mm.
  2. In this case, you don't need a PartDesign Body.svg PartDesign Body. Switch to the Workbench Sketcher.svg Sketcher Workbench, then click Sketcher NewSketch.svg Sketcher New sketch, and choose the global XZ plane.
  3. Then return to the Workbench Part.svg Part Workbench, and use Part Sweep.svg Part sweep.
  4. Select the appropriate sketch from Available profile and click the arrow to pass it to Selected profiles.
  5. Click Sweep path, and choose all edges of the existing helix in the 3D view. Click Done.
  6. Make sure to tick CheckBoxTrue.svg Create solid and CheckBoxTrue.svg Frenet. Obtaining a solid is the key to be able to perform Part Boolean operations with the resulting coil, otherwise only a surface will be produced.
  7. Click OK to exit the dialog and create the coil.

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.

T13 14 Threads components.png

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

  • Rule 1. When the profile sweeps the helix, the resulting solid coil must not touch or self-intersect as it will be an invalid solid. This holds for the profile moving along the helix, as well as intersections in the center of the helix. Attempts to do boolean operations with it (fuse or cut) are very likely to fail. Check the quality of the coil with Part CheckGeometry.svg Part CheckGeometry; if self-intersections are reported, you must increase the pitch of the helix.

T13 15 Threads self intersection.png T13 16 Threads no self intersections OK.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.

  • Rule 2. When a cylinder is added to a coil to form the main shaft of a screw, the cylinder must not be tangent to the coil profile. That is, the cylinder must not have the same radius as the inner radius of the thread, as this is very likely to fail a fuse operation. In general, avoid geometry coincident to elements of the sweep, such as tangent faces, or edges tangent to faces they are not connected to. In order to produce a good boolean union, the swept coil and the cylinder must intersect. Check the quality of the fusion with Part CheckGeometry.svg Part CheckGeometry; if coplanar faces are reported increase the cylinder's radius by a small amount.
  • If the coil and the cylinder are tangent, even if the first fusion succeeds, it may fail in subsequent boolean operations with a third solid.
  • This is a limitation of the OpenCASCADE Technology (OCCT) kernel; in general, it doesn't handle well operations between coplanar surfaces.

T13 17 Threads tangent faces.png T13 18 Threads no tangent faces OK.png

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.

  • Rule 3. The inner cylinder has a seamline. You should avoid placing the start of the helix along that seam. Either turn the helix or the cylinder by some degrees.


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.

  • Tip 3. For 3D visualization and 3D printing it may be okay to leave the cylinder and the thread unfused, that is, with intersections between the two solids. Reducing the amount the boolean operations results in less memory consumption and smaller files.

Vor- und Nachteile

+ Sehr realitätsnahes Verfahren zum Definieren von Gewindeprofilen

+ einfach zu verstehen

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

Methode 4: Ein horizontales Profil entlang einer Kurve extrudieren

General

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).

Figuring out the horizontal profile to obtain a certain vertical profile is not easy. For simple cases like triangular or trapezoidal it can be constructed manually. Alternatively, it can be constructed by creating a short thread with method 3, and getting a slice of it by doing a Part Common between a horizontal plane face and the thread.

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!

  1. First create an Archimedian spiral in the XY plane.
    1. Set the number of turns to 0.5.
    2. Set the radius to the inner radius of the thread, the outer radius will be this plus the depth of the cut.
    3. Set the growth to double the depth of cut of the thread.
  2. Part Mirror the spiral against the XY plane
  3. Part Union the spiral and the mirror to obtain a closed wire, shaped like a heart.
Profil bei beliebigen Querschnitten

Thread-by-horz-profile-profileMake.png

Thread-by-horz-profile-profileMake.png

  1. ein (vertikales) Schnittprofil erstellen. Stelle sicher, dass die Höhe der Skizze mit der Steigung des benötigten Gewindes übereinstimmt.
  2. erstelle eine Helix1 mit einer Höhe, die der Steigung entspricht, und einer Steigung, die der Gewindesteigung entspricht, und einem Helixradius von 0,42*Nenndurchmesser des Gewindes.
  3. trage das Schnittprofil entlang der Helix1 aus. Hake an Erzeuge Volumenkörper und Frenet.
  4. Erstelle einen Kreis mit dem Nennradius des Gewindes in der x-y-Ebene.
  5. Erstelle eine Fläche aus dem Kreis. (Part Arbeitsbereich: erweitertes Dienstprogramm zum Erstellen von Formen oder Entwurf Hochstufen und ErstelleFläche = true)
  6. die Fläche mit dem Sweep Profil schneiden# einen Klon aus dem Schnitt erstellen (Entwurf Arbeitsbereich)
  7. Herabstufung des Klons, um einen Draht zu erlangen. (Entwurf Arbeitsbereich) Dieser Draht ist das horizontale Profil, das für diese Methode benötigt wird.
  8. Erstelle eine Spirale mit dem Radius des Nennradius des Gewindes und einer Steigung des Gewindes und der Höhe des benötigten Gewindes.
  9. Trage den Draht entlang der Spirale aus. Hake Vollmaterial und Frenet an.

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

  • Edit OK.svg a ready-to-use thread-on-a-rod solid shape is created by the sweep directly.
  • Edit OK.svg fewer or even no boolean operations are required, so generation speed is very high compared to Method 3.
  • Edit OK.svg thread ends are nicely cut straight away
  • Edit OK.svg long threads are not a problem, unless a boolean operation is needed. Otherwise, it is not going to be much better than Method 3.
  • Edit OK.svg threads without a gap are not a problem.

- Definieren des Profils ist aufwendig und kompliziert

Methode 5. Ausformung zwischen wendelförmig extrudierten Flächen

Idee

Wendelförmige Splines extrudieren koaxiale Flächen, die ausgeformt werden können, während die parametrische Wendel von FreeCAD dies nicht tut. Zur Definition eines Gewindes sind zwei wendelförmige Splines erforderlich. Diese beiden können aus einem Bibliotheks Spline skaliert und dann entsprechend positioniert und extrudiert werden, um die richtige Form zu erhalten.

Die parametrischen Wendel von FreeCAD sind nicht wirklich spiralförmig, aber wendelförmige B-Splines sind nicht schwer zu entwerfen. Eine manuelle Methode besteht darin, Zwölfeck Polygone (12-seitige Polygone) mit 5 mm Radius/10 mm Durchmesser in 1/12mm (0,08333.mm) z Intervallen anzuordnen und Splines von Knotenpunkt zu Knotenpunkt in aufsteigender und rotierender Folge zu verfolgen, und es in Betracht zu ziehen, dies einmal mit z.B. 10 Windungen zu tun, so dass dieser Spline als Bibliotheksdatei für den Import und die Wiederverwendung wiederverwendet werden kann. Es ist praktisch, 10 mm Durchmesser/1 mm Teilung zu verwenden, um die Skalierung zu erleichtern. Wenn du es manuell machst, ist es einfacher, einen DDraht zu zeichnen und ihn dann in einen B-Spline zu konvertieren, als einen Spline zu zeichnen. Bei Drähten wird die Krümmung nicht während des Zeichnens berechnet, so dass sie dem Cursor folgen und gefügiger einrasten.

Sobald die Splines auf die richtige Größe skaliert und so angeordnet sind, dass die Ausformung den richtigen Winkel zwischen den Gewindeflanken aufweist, werden sie entlang ihrer Achse extrudiert, wobei eine Steigungslänge für den inneren Spline, die äußere Steigung/8, gilt.

Splineextrudeloft.png

ISO- und andere Gewinde haben reduzierte, d.h. flache, innere und äußere Kanten statt scharfer, was für FreeCAD Anwender mit dieser Methode geeignet ist, da wir die wendelförmige Stirnfläche bei der nominalen Größe der Befestigungselemente loften können, während eine Innenfläche nicht an einen Spline an der Außenkante geloft werden kann, weil eine Fläche ein geschlossenes Profil ist, ein Spline ist offen. Die ISO Norm besagt, dass die Nenngröße von Außengewinden eine Steigung der Stirnfläche von 8 mm haben. Das Bild zeigt die Anordnung der Geometrie und die daraus resultierenden wendelförmigen Flächen. Dann ausgeformt zwischen den Stirnseiten, und dann ein Zylinder, der die innere wendelförmige Stirnfläche ergibt, die nach ISO eine Steigung von 4/4 Breite hat, wird zu den Gewinden hinzugefügt.

761PX

Diese Methode erzeugt zuverlässige Festkörper, die korrekt boolesch sind. Obwohl sie keine "parametrischen" Schraubengewinde in Standardgrößen im Sinne eines einfachen Zugriffs auf die Form durch die Größe des Befestigungselements erzeugt, ist es eine einfache Möglichkeit, eine genaue Bibliothek zur Wiederverwendung zu erstellen, und Modelle von Spezialformen wie ACME oder archimedische Schrauben sind auch als Einzelstücke unkompliziert. Template:Tutorials navi/de