L6: Diseño 3D. FreeCAD - myTeachingURJC/Mecatronica GitHub Wiki

Sesión Laboratorio 6

  • Tiempo: 2h
  • Objetivos de la sesión:
    • Introducción al diseño 3D
    • Introducción al programa FreeCAD
    • Primeros diseños con FreeCAD y Geometría constructiva
    • ¡Practicar!

Contenido

Introducción

Para hacer los diseños en 3D hay muchas técnicas. Empezaremos con la técnica más sencilla: la geometría constructiva, que nos permitirá aprender y hacer nuestros primeros objetos. Utilizaremos la herramienta Freecad, que es libre y multiplataforma, y que pertenece al patrimonio tecnológico de la humanidad

Introducción a FreeCAD

  • FreeCAD es un programa de diseño 3D Libre y multiplataforma
  • La versión que usaremos en este curso es la: 1.0RC2

[!Note] La versión instalada en los laboratorios es la última estable: 0.21. Pero nosotros usaremos la que será la próxima estable

Las fuentes de FreeCAD están en el repositorio en Github. Echemos un vistazo, a ver qué se cuece

Tutoriales FreeCAD

Puedes aprender sobre FreeCAD con estos Videotutoriales. Son un poco antiguos, y se basan en la versión 0.13 de FreeCAD, que está obsoleta. Pero te pueden ayudar a comenzar y a familiarizarte con el diseño 3D

Configuración de FreeCAD la primera vez

La primera vez que ejecutamos FreeCAD, recién instalado, nos aparecerá una pantalla como esta

Los ficheros de configuración se encuentran en el directorio: .config/FreeCAD en el directorio home. Basta con Borrar esta carpeta para volver al estado inicial

Seleccionamos el idioma. Yo normalmente lo dejo en Inglés. Elegimos el sistema de navegación. Yo suelo usar el de blender. También escogemos el tema. En mi caso prefiero los temas oscuros (Dark). Por último pinchamos en done

Nos aparece la pantalla de inicio de FreeCAD. Pinchamos en Crear un fichero nuevo

[!Note] Si se ha cambiado el tema, puede que esta pantalla salga con colores diferentes. Para que se cargue correctamente el tema cierra Freecad y vuelve a arrancarlo. Aparecerá esta pantalla con los colores correctos

Nos aparece esta pantalla. Aquí ya podríamos empezar a diseñar

Configurando los paneles

Vamos a configurar los paneles de diseño para organizarlos de una manera que sea más cómoda. Esto depende de cada diseñar. Yo lo voy a configurar como yo creo que resulta más sencillo

Por defecto Nos aparece un panel en la izquierda, que tiene dos pestañas en la parte superior: Model y Tasks. Pinchamos en la pestaña Model para verla

El panel Model está dividio en dos partes: la superior y la inferior. En la superior pone Unnamed: Esto es el nombre del documento actual. Aquí es donde se irá creando el árbol de operaciones. Es el equivalente a las Fuentes de nuestro diseño: Se indica qué operaciones se han hecho para crear el diseño final

En la parte inferior se muestran las Propiedades de los objetos. Tiene dos pestañas Data y View, que nos sirven para mostrar las propiedades de los objetos (Data) y sus atributos de visualización (View)

Resulta más cómodo si estas dos partes las tenemos por separado: Un panel independiente para el árbol y otro para sus propiedades. Para configurarlo así nos vamos al menú Edit/Preferences

Se nos abre la pantalla de configuración. Hay muchísimas cosas que se pueden configurar. Nosotros lo dejaremos todo con sus opciones por defecto, salvo la separación de los paneles de árbol y propiedades. Esto lo hacemos marchando la opción Independent en la propiedad Tree view and Property view mode, dentro de la configuración general

Pinchamos en OK. Nos pedirá que reiniciemos Freecad. Pulsamos en Restart Now:

Esta es la nueva pantalla que nos aparece al arrancar:

Volvemos a pinchar en Crear un documento nuevo

Organizando los paneles

Tenemos 3 paneles: Task, Property y Tree view. En la izquierda colocamos el Tree View y en la derecha Task y Property. Pero los dos paneles de la derecha los apilaremos para que ocupen el mismo espacio. Cambiaremos de uno a otro mediante sus pestañas correspondientes

Así es como nos debe quedar:

El proceso lo realizamos arastrando primero la ventana de Tree View a la izquierda (y poniéndolo apilado con la ventana de Task), y luego moviendo el panel Tasks a la derecha, apilándolo con el del Property

Activando el modo overlay de los paneles

Los paneles los estamos viendo en el modo clásico. Sin embargo es posible activa el modo overlay para que los paneles no tengan bordes. Para ello primero pinchamos en el el botón de Toggle overlay del panel Tree View

Al hacerlo los bordes desaparecen:

Si pasamos con el ratón por encima vemos que cambia a un color más oscuro. En la parte superior pinchamos en el icono para activar el modo transparente

Así es como nos queda. La ventana es transparente, pero queda visible la barra superior

¡Ya tenemos el entorno listo!

En esta animación se muestra el proceso:

Navegación básica

¡Empezamos con FreeCAD! Vamos a navegar por algunos proyectos ya hechos, para familiarizarnos con la interfaz gráfica y la navegación en 3D

Ejemplo 1: Prusa i3

Vamos a ver el modelo 3D de la impresora 3D Prusa i3. Descarga este fichero: 01-prusa-hephestos-assembly.fcstd. Lo abrimos con FreeCAD (File/Open)

El fichero pesa bastante, por lo que FreeCAD tardará unos minutos en abrirlo. Este modelo contiene sólo el ensamblaje de la Impresora. Para ver cómo están modelados los diferentes elementos consultar:

Las piezas se muestra en varios estilos de dibujo. Para ver la impresora mejor cambiamos al modo Sombreado. Aquí los objetos se muestran con sus respectivos materiales, y sin líneas que recorran sus contornos

Estilo de la navegación

Notas

  • Enseñar a cambiar el estilo de la navegación
  • Configurar para navegación Blender
  • Zoom in/out: Con rueda del ratón
  • Rotación de la cámara: Apretar botón central + mover ratón
  • Desplazamiento de la cámara: Apretar botón central + mover ratón + shift
  • Ajustar el modelo 3D a la pantalla
  • Ajustar el modelo 3D seleccionado a la pantalla
  • Vista ortográfica / perspectiva (teclas p, o)
  • Botón de vistas: axonometrica, frontal, lateral, superior
  • Botón de estilo
  • crear una vista nueva
  • Organizar las ventanas en mosaico
  • Acoplar/desacoplar ventanas (teclas d, u)
  • Quitar y poner panel (vista combinada)
  • Desacoplar panel
  • Ocultar/ver piezas (espacio)
  • Arbol de piezas
  • Vistas: Congelacion y almacenamiento

Ejemplo 2: Cúpula geodésica (domo)

En este ejemplo vemos una cúpula geodésica, formada por varillas de madera y piezas impresas, de 4m de diámetro y 2m de alto

Notas

  • Ver las diferentes carpetas del domo
  • Ver las piezas impresas de cerca
  • Ver la lista de materiales

Ejemplo 3: Piezas de referencia

Hay una biblioteca de objetos de FreeCAD, donde la comunidad va subiendo sus modelos: FreeCAD Library

En la carpeta de Objetos genéricos hay objetos familiares, como una moneda de un euro, una botella, una lata de coca-cola... Vamos a trabajar con ellos

Estos objetos están a escala real, y nos servirán como referencia, para saber de un golpe de vista las dimensiones aproximadas de nuestros diseños

Geometría Constructiva

Hay varias técnicas de modelado en 3D. Una muy sencilla es la Geometría constructiva. Los objetos primitivos, como cubos, esferas, cilindros, etc se combinan entre sí aplicando las operaciones booleanas: uniones, diferencias e intersecciones. Primero se colocan los objetos primitivos (traslaciones, rotaciones) y luego se aplican estas operaciones

Traslaciones y rotaciones

  • Abrimos el fichero con los objetos de referencia: 03-bottle-can-euro.fcstd

  • Selecciona el Escenario de trabajo Parts

  • Ejemplo: Mover y rotar la moneda de Euro

Nota Avanzada

En realidad, para colocar los objetos se usan las herramientas disponibles en el escenario Draft, que nos permiten colocar objetos exactamente donde queremos: en el extremo de una línea, en su punto medio, en el centro de una circunferencia, etc.

Sin embargo, para aprender a modelar con la técnica de geometría descriptiva empezaremos haciendo traslaciones simples

Objeto primitivo "Hola mundo": un cubo

  • Activar el sistema de referencia origen (cruz de los ejes)
  • Colocar un cubo

Vemos que el cubo que sale por defecto es muy pequeño. Lo sabemos porque tenemos los otros objetos de referencia para comparar

  • Ver las propiedades del Cubo
  • Cambiar sus dimensiones
  • Ejemplo: Dejar las dimensiones 10x10x3mm

Objeto primitivo: cilindro

  • Colocamos un cilindro
  • Lo seleccionamos y lo visualizamos para que ocupe toda la pantalla (u ocultamos los objetos de referencia)
  • Vemos sus propiedades
  • Cambiamos el radio a 1.6mm
  • Ejemplo: Lo situamos en el centro de la caja, en la posicion x=5, y=5, z=0

Operanción de Diferencia

Realizaremos un taladro en la caja. Usaremos el cilindro como broca de la taladradora y la operación de diferencia para restárselo a la caja

  • Desplazamos el cilindro en el eje z para que atraviese la caja por completo

  • Relizamos la diferencia

Al hacer la operación de diferencia, aparece un nuevo objeto resultado de la restar al primer objeto el segundo. En total tendremos 3 objetos. Los objetos originales están ocultos

Esto nos permite poder modificar la pieza sin tener que volver a hacer la operación. Si modificamos el radio del cilindro, automáticamente se recalculará la pieza. Lo mismo con las dimensiones de la caja

Al ir creando el árbol de operaciones, es imporante nombrar los diferentes objetos (documentar) para poder encontrarlos más fácilmente cuando el diseño crezca

Para eliminar el corte, simplemente borramos el nuevo objeto creado. Los objetos originales no se borrarán

Operación de Unión

Usaremos la operacion de unión para fusionar dos cubos por sus esquinas

Cada vez que se hace una operación, queremos que automáticamente se refine el nuevo objeto creado, para eliminar las aristas sobrantes. Esto hay que configurarlos en Preferencias/Diseño de Piezas en la pestaña de General hay que activar las tres primeras opciones que aparecen

La operación de unión se puede usar también con objetos que no se tocan. Esto nos resultará muy útil para agrupar objetos, y poder restarlos todos de una vez

Ejemplo: Pieza plana con dos taladros

  • Situar un cube
  • Cambiar sus dimensiones para alargarlo y aplanarlo
  • Situar un cilindro
  • Copy & paste del cilindro
  • Situar segundo cilindro
  • Agrupar cilindros
  • Taladrar restando!!

Referenciando objetos

  • En la pieza de anterior los dos taladros son iguales. ¿Qué ocurre si queremos aumentar el tamaño de los taladros? Tal y como la hemos diseñado, habría que ir uno a uno cambiándolo manualmente

  • La solución es usar la operación de enlazado (link): Uno de los cilindros será el "máster" y los otros los clones. Al cambiar un parámetro en el master, automáticamente se cambiará en los clones

Con esto se podría rehacer la pieza de mecano de manera que al cambiar los parámetros del taladro máster, se cambien todos los demás

Imprimiendo una pieza en 3D

Utilizamos la pieza del reto 3: Una pieza de mecano como ejemplo para imprimir en una impresora 3D. Sigue los siguientes pasos:

  • Paso 1: Exportar el objeto a formato STL

Seleccionar el objeto a imprimir y darle a la opción Archivo/Exportar. Sleccionar el formato STL mesh

  • Paso 2: Abrir el fichero STL en con el laminador

Se puede usar cualquier laminador, por ejemplo Cura

  • Paso 3: Imprimir

El laminador genera el fichero .gcode, que es el que entiende la impresora 3D. Este es el resultado:

¡A Practicar!

Para practicar las diferentes técnicas de dibujo te propongo estos retos. Aprovecha además, para subirlos al repositorio Mecatrónica-2021-2022, e incluirlos en tu bitácora (en la wiki)

Reto 1: Vistas

Abre el ejemplo del domo y configura la pantalla de FreeCAD para mostrar 3 vistas: plata (superior), alzado (frontal) y axonométrica

Reto 2: Traslaciones y rotaciones

Abre el ejemplo de los objetos de referencia. Coloca los objetos como se muestra en esta imagen:

Reto 3: Pieza de mecano

Diseñar una pieza de mecano con 5 taladros. Usar copy&paste para duplicar los cilindros de los taladros

Reto 4: Portapendrives

Haz este Portapendrives, usando geometría constructiva

Reto 5: Castillo

Reto 6: Anillo osito

Reto 7: Anillo de diablillo

Reto 8: Pieza retro: marcianito del space invaders

Resumen de tareas a realizar

  • Instala Freecad
  • Haz los ejemplos mostrados en esta sesión, para practicar
  • ¡Haz todos los retos que puedas!

Conclusiones

La Geometría constructiva es muy fácil de entender y de aplicar y nos permite construir gran cantidad de objetos de una forma fácil e intutitiva

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