Handbuch:Modelle für den 3D Druck vorbereiten

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Einer der Haupteinsatzbereiche von FreeCAD ist die Herstellung von Objekten aus der realen Welt. Diese können in FreeCAD entworfen und dann auf verschiedene Weise realisiert werden, z.B. indem sie anderen Personen mitgeteilt werden, die sie dann bauen, oder, immer häufiger, direkt an einen 3D Drucker oder eine CNC Fräse geschickt werden. Dieses Kapitel zeigt dir, wie du deine Modelle für den Versand an diese Maschinen vorbereiten kannst.

Wenn du beim Modellieren vorsichtig warst, sind die meisten Schwierigkeiten, auf die du beim Drucken deines Modells in 3D stoßen könntest, bereits vermieden worden. Dies betrifft im Wesentlichen:

Making sure that your 3D objects are solid. Real-world objects are solid, the 3D model must be solid too. We saw in earlier chapters that FreeCAD helps you a lot in that regard, and that the PartDesign Workbench will notify you if you do an operation that prevents your model to stay solid. The Part Workbench also contains a Check Geometry tool that is handy to check further for possible defects.
Making sure about the dimensions of your objects. One millimeter will be one millimeter in real-life. Every dimension matters.
Controlling the degradation. No 3D printing or CNC milling system can take FreeCAD files directly. Most of them will only understand a machine language called G-Code. G-code has dozens of different dialects, each machine or vendor usually has its own. The conversion of your models into G-Code can be easy and automatic, but you can also do it manually, with total control over the output. In any case, some loss of quality of your model will unavoidably occur during the process. When printing in 3D, you must always make sure this loss of quality stays below your minimum requirements.

Im Folgenden gehen wir davon aus, dass die ersten beiden Kriterien erfüllt sind und dass du von nun an in der Lage bist, feste Objekte mit korrekten Abmessungen herzustellen. Wir werden nun sehen, wie wir den dritten Punkt angehen können.

Exportieren zu Zerschneidern

Dies ist die für den 3D Druck am häufigsten verwendete Technik. Das 3D Objekt wird in ein anderes Programm (den Slicer) exportiert, das den G Code aus dem Objekt erzeugt, indem es es in dünne Schichten zerschneidet (daher der Name), die die Bewegungen reproduzieren, die der 3D Drucker ausführen wird. Da viele dieser Drucker selbst gebaut sind, gibt es oft kleine Unterschiede von einem zum anderen. Diese Programme bieten in der Regel erweiterte Konfigurationsmöglichkeiten, die es dir ermöglicht, die Ausgabe genau auf die Eigenschaften deines 3D Druckers zuzuschneiden.

Der tatsächliche 3D Druck ist jedoch ein zu umfangreiches Thema für dieses Handbuch. Aber wir werden sehen, wie diese Zerschneider exportiert und verwendet werden können, um zu überprüfen, ob die Ausgabe korrekt ist.

Umwandeln von Objekten in Polygonnetze

Keiner der Zerschneider wird zu diesem Zeitpunkt direkt die Volumenkörpergeometrie übernehmen, wie wir sie in FreeCAD erzeugen. Daher müssen wir jedes Objekt, das wir in 3D drucken wollen, zuerst in ein Polygonnetz konvertieren, das der Zerschneider öffnen kann. Glücklicherweise ist die Konvertierung eines Netzes in einen Volumenkörper ein komplizierter Vorgang, während die Konvertierung eines Volumenkörpers in ein Netz im Gegenteil sehr einfach ist. Alles, worauf wir achten müssen, ist, dass genau hier die oben erwähnte Verschlechterung eintritt. Wir müssen überprüfen, ob die Verschlechterung innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt.

Die gesamte Netzbehandlung wird in FreeCAD von einem anderen spezifischen Arbeitsbereich durchgeführt, dem Arbeitsbereich Netz. Dieser Arbeitsbereich enthält neben den wichtigsten Werkzeugen zur Konvertierung zwischen Teil- und Netzobjekten auch verschiedene Hilfsprogramme zur Analyse und Reparatur von Netzen. Obwohl die Arbeit mit Netzen nicht im Mittelpunkt von FreeCAD steht, musst du dich bei der 3D Modellierung oft mit Netzobjekten befassen, da deren Verwendung unter anderen Anwendungen sehr weit verbreitet ist. Mit diesem Arbeitsbereich kannst du sie in FreeCAD vollständig bearbeiten.

Let's convert one of the objects we modelled in the previous chapters, such as the lego piece (which can be downloaded from the end of the previous chapter).
Open the FreeCAD file containing the lego piece.
Switch to the Mesh Workbench
Select the lego brick
Select menu Meshes -> Create Mesh from Shape
A task panel will open with several options. Some additional meshing algorithms (Mefisto or Netgen) might not be available, depending on how your version of FreeCAD was compiled. The Standard meshing algorithm will always be present. It offers less possibilities than the two others, but is totally sufficient for small objects that fit into the maximum print size of a 3D printer.

Select the Standard mesher, and leave the deviation value to the default value of 0.10. Press Ok.
A mesh object will be created, exactly on top of our solid object. Either hide the solid, or move one of the objects aside, so you can compare both.
Change the View -> Display Mode property of the new mesh object to Flat Lines, in order to see how the triangulation occurred.
If you are not happy, and think that the result is too coarse, you can repeat the operation, lowering the deviation value. In the example below, the left mesh used the default value of 0.10, while the right one uses 0.01:

In den meisten Fällen werden die Standardwerte jedoch ein zufriedenstellendes Ergebnis liefern.

Wir können jetzt unser Netz in ein Netzformat exportieren, wie z.B. STL, das derzeit das am weitesten verbreitete Format beim 3D Druck ist, indem wir das Menü Datei -> Export benutzen und das STL Dateiformat wählen.

If you don't own a 3D printer, it is usually very easy to find commercial services that will print and send you the printed objects by mail. Among the famous ones are Shapeways and Sculpteo, but you will usually find many others in your own city. In all major cities, you will nowadays find Fab labs, which are workshops equipped with a range of 3D manufacturing machines, almost always including at least one 3D printer. Fab labs are usually community spaces, that will let you use their machines, for a fee or for free depending on the Fab lab, but also teach you how to use them, and promote other activities around 3D manufacturing.

Verwendung von Slic3r

Slic3r is an application that converts STL objects into G-code that can be sent directly to 3D printers. Like FreeCAD, it is free, open source and runs on Windows, Mac OS and Linux. Correctly configuring things for 3D printing is a complicated process, where you must have a good knowledge of your 3D printer, so it is not very useful to generate G-code before actually going to print (your G-code file might not work well on another printer), but it is useful for us anyway, to check that our STL file will be printable without problems.

Dies ist unsere exportierte STL Datei, die in Slic3r geöffnet wurde. Durch verwenden des Vorschau Reiters und bewegen des rechten Schiebereglers, können wir den Pfad visualisieren, dem der 3D Druckkopf folgen wird, um unser Objekt zu konstruieren.

Verwendung der Cura Erweiterung

Warnung: die Cura Erweiterung ist derzeit nicht funktionsfähig für FreeCAD 0.17!

Cura ist eine weitere freie und quelloffene Zerschneider Anwendung für Windows, Mac und Linux, die vom Hersteller des 3D Druckers Ultimaker gepflegt wird. Einige FreeCAD Benutzer haben einen Cura Arbeitsbereich erstellt, der intern Cura verwendet. Der Cura Arbeitsbereich ist über das FreeCAD Erweiterungs Repositorium verfügbar. Um den Cura Arbeitsbereich zu verwenden, musst du auch Cura selbst installieren, das nicht im Arbeitsbereich enthalten ist.

Once you have installed both Cura and the Cura Workbench, you will be able to use it to produce the G-code file directly from Part objects, without the need to convert them to meshes, and without the need to open an external application. Producing another G-code file from our Lego brick, using the Cura Workbench this time, is done as follows:

Load the file containing our Lego brick (it can be downloaded at the end of the previous chapter)
Switch to the Cura Workbench
Setup the printer space by choosing menu 3D printing -> Create a 3D printer definition. Since we aren't going to print for real, we can leave the settings as they are. The geometry of the printing bed and available space will be shown in the 3D view.
Move the Lego brick to a suitable location, such as the center of the printing bed. Remember that PartDesign objects cannot be moved directly, so you need either to move its very first sketch (the first rectangle), or to move (and print) a copy, which can be made with the Part -> Create Simple Copy tool. The copy can be moved, for example with Draft -> Move.
Select the object to be printed, and select menu 3D printing -> Slice with Cura Engine.
In the task panel that will open, make sure the path to the Cura executable is correctly set. Since we are not going to really print, we can leave all other options as they are. Press Ok. Two files will be generated in the same directory as your FreeCAD file, an STL file and a G-code file.

The generated G-code can also be re-imported into FreeCAD (using the slic3r preprocessor) for checking.

Erzeugung von G-Code

Warnung: Dieser Abschnitt wurde für FreeCAD 0.16 erstellt. Es wurden erhebliche Änderungen bei der Pfaderstellung vorgenommen. Bitte beachte die Dokumentation der Pfad Arbeitsbereich im Allgemeinen oder das Tutorium wie Pfadbegehung!

FreeCAD also offers more advanced ways to generate G-code directly. This is often much more complicated than using automatic tools as we saw above, but has the advantage to let you fully control the output. This is usually not needed when using 3D printers, but becomes very important when dealing with CNC milling, as the machines are much more complex.

G-code path generation in FreeCAD is done with the Path Workbench. It features tools that generate full machine paths and others that generate only parts of a G-code project, that can then be assembled to form a whole milling operation.

Generating CNC milling paths is another subject that is much too vast to fit in this manual, so we are going to show how to build a simple Path project, without caring much about most of the details of real CNC machining.

Load the file containing our lego piece, and switch to the Path Workbench.
Since the final piece doesn't contain anymore a rectangular top face, hide the final lego piece, and show the first cubic pad that we did, which has a rectangular top face.
Select the top face and press the Face Profile button.
Set its Offset property to 1mm.

Then, let's duplicate this first loop a couple of times, so the tool will carve out the whole block. Select the FaceProfile path, and press the Array button.
Set the Copies property of the array to 8, and its Offset to -2mm in the Z direction, and move the placement of the array by 2mm in the Z direction, so the cutting will start a bit above the pad, and include the height of the dots too.

Now we have defined a path that, when followed by the milling machine, will carve a rectangular volume out of a block of material. We now need to carve out the space between the dots, in order to reveal them. Hide the Pad, and show the final piece again, so we can select the face that lies between the dots.
Select the top face, and press the Face Pocket button. Set the Offset property to 1mm, and the retraction height to 20mm. That is the height to where the cutter will travel when switching from one loop to another. Otherwise, the cutter might cut right through one of our dots:

Once again, make an array. Select the FacePocket object, and press the Array button. Set the Copies number to 1 and the offset to -2mm in the Z direction. Move the placement of the array by 2mm in the Z direction. Our two operations are now done:

Now all that is left to do is to join these two operations into one. This can be done with a Path Compound or a Path Project. Since we will need nothing more and will be ready to export already, we will use the project. Press the File:Path Project.svg Project button.
Set the Use Placements property of the project is to True, because we changed the placement of the arrays, and we want that to be taken into account in the project.
In the tree view, drag and drop the two arrays into the project. You can reorder the arrays inside the project if needed, by double-clicking it.
The project can now be exported to G-code, by selecting it, choosing menu File -> Export, selecting the G-code format, and in the pop-up dialog that will open, selecting a post-processing script according to your machine.

There are many applications available to simulate the real cutting, one of them that is also multi-platform and open source, like FreeCAD, is Camotics.

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