In this series, we will be examining the world of FreeCAD, an open-source CAD modelling application that it still in Beta, but has been gaining acceptance in recent years. Naturally, it is readily available in the Ubuntu repositories. In the first article on using FreeCAD, we went over the basics of choosing and installing a CAD application for Ubuntu or GNU/Linux, and reviewed some salient points of the FreeCAD user interface. In this part, we will be creating a simple planar object to illustrate the use of the main workspaces, drawing and extrusion tools. Constructive Solid Geometry will also be demonstrated, to punch holes in an unsuspecting piece of plain material. Here is a quick sketch of our new object: basically, it will be a flat piece of material 2mm thick, with an external shape made out of straight lines and arcs, and two circular pieces cut out from the inside. Since the author is a European, all dimensions are in millimeters, though the reader can easily convert them into the units of his or her choice.
Dans cette série, nous examinerons le monde de FreeCAD, une application Open Source de modélisation par CAO qui est encore en bêta, mais qui a reçu un bon accueil ces dernières années. Naturellement, elle est déjà disponible dans les dépôts d'Ubuntu. Dans le premier article sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons passé en revue les bases du choix d'installation d'une application de CAO pour Ubuntu ou GNU/Linux, et analysé quelques points marquants de l'interface utilisateur de FreeCAD.
Dans ce numéro, nous créerons un simple objet plan pour illustrer l'utilisation des principaux espaces de travail, et des outils de dessin et d'extrusion. La Géométrie constructive des solides sera aussi présentée, pour percer des trous dans une innocente pièce de métal ordinaire. Voici une esquisse rapide de notre nouvel objet : en gros, ce sera une pièce plate de métal, épaisse de 2 mm, avec une forme extérieure faite de lignes droites et d'arcs, et à l'intérieur de laquelle deux pièces circulaires seront enlevées. Comme l'auteur est européen, toutes les dimensions seront en millimètres, bien que le lecteur puisse facilement les convertir dans les unités de son choix.
Using the Drawing workbench Once inside FreeCAD, to begin a new project we can head over to menu option File > New. Alternatively, we can choose the appropriate tool from the default bar (the leftmost icon), or even use the keyboard shortcut Ctrl+N. As discussed in the previous article, the FreeCAD user interface has a series of workbenches, each with a specific selection of toolbars. In order to start a new project, one of the most useful is “Draft”. As its name suggests, the preset toolbars in this bench contain the tools most usually used to draw up the main characteristics of the object quickly, which can then be refined with the tools in other benches. Once inside Draft mode, there are several interface items than can be set up to facilitate working with our object. In the first place, this workbench shows us by default a grid pattern set up within the X-Y plane, that we are watching from above (down the Z axis). This grid has lines set up, with spacing of one millimeter, which may be a bit fiddly with the dimensions of our piece. So the first thing to do may be to head over to menu option Edit > Preferences. Here, we can configure the Draft workbench to our specific needs. One of the option panes, “Snapping settings”, allows us to specify grid spacing. I set this to 10 millimeters, which makes it easier to get a clear sense of the dimensions of each element in our drawing.
Utilisation de l'atelier de dessin
Une fois FreeCAD lancé, pour commencer un nouveau projet, nous pouvons aller à l'option de menu Fichier > Nouveau. Ou, nous pouvons choisir l'outil approprié dans la barre par défaut (l'icône la plus à gauche), ou même utiliser le raccourci clavier Ctrl+N.
Comme présenté dans l'article précédent, l'interface utilisateur de FreeCAD a une série d'ateliers, chacun avec sa sélection spécifique de barres d'outils. Au commencement d'un nouveau projet, un des plus utiles est « Draft » (Ébauche). Comme son nom le suggère, la barre d'outils prédéfinie pour cet atelier contient les outils les plus utilisés habituellement pour dessiner rapidement les principales caractéristiques de l'objet, qui pourra ensuite être affiné avec les outils des autres ateliers.
Une fois dans le mode Draft, plusieurs éléments d'interface peuvent être paramétrés pour faciliter le travail sur notre objet. En premier lieu, l'atelier nous montre par défaut un motif en grille paramétré dans le plan X-Y, que nous regardons du dessus (vers le bas, suivant l'axe Z). La grille a des lignes définies, avec un espacement d'un millimètre, qui peut être un peu trop fin pour notre pièce. Aussi, la première chose à faire pourrait être d'afficher l'option de menu Édition > Préférences. Là, nous pouvons configurer l'atelier Draft à nos besoins particuliers. Une des sections de l'option, « Paramètres d'accroche », nous permet de spécifier l'espacement de la grille. Je le règle à 10 millimètres, ce qui facilitera notre compréhension des dimensions de chaque élément de notre dessin.
We can now adjust the zoom factor (e.g. with the mouse wheel, or swiping vertically on a laptop’s touchpad) so as to see at least four vertical grid divisions spanning 40 mm - note the view’s visible dimensions in the window’s lower right corner. As for the toolbars, for some reason the bar related to snapping points to the grid is usually collapsed. Snapping, or letting the user interface guide the point indicated with the mouse, is one of the most powerful features that is shared by many CAD programs. In this toolbar, we can configure snapping options to help up easily draw clean diagrams with object elements precisely aligned. As with all toolbars in FreeCAD, we can move the snapping toolbar to a place where we can examine its contents better. As a matter of personal choice, I tend to activate the options for snapping to the grid, which in this case will ensure the endpoints of our lines, for example, get coordinates that are integer multiples of 10 mm. I also tend to activate snapping to endpoints, which helps when drawing the last element of a multiple-segment closed path.
Nous pouvons maintenant régler le facteur d'agrandissement (par exemple avec la molette de la souris ou en glissant verticalement avec deux doigts sur le pavé tactile d'un portable), de façon à voir au moins quatre divisions verticales de la grille, soit 40 mm - notez l'affichage des dimensions, visible en bas à droite de la fenêtre.
Comme pour les barres d'outils, pour une raison quelconque, la barre en lien avec l'aimantation des points sur la grille est en général masquée. L'aimantation, c'est-à-dire laisser à l'interface utilisateur le soin de guider le point indiqué par la souris, est l'une des fonctionnalités les plus puissantes partagées par de nombreux programmes de CAO. Dans cette barre d'outils, nous pouvons configurer les options d'aimantation pour nous aider à dessiner facilement des croquis clairs avec les éléments d'objets alignés précisément. Comme avec toutes les barres d'outils de FreeCAD, nous pouvons bouger la barre d'aimantation à un endroit où nous pouvons mieux examiner son contenu.
C'est un choix personnel, mais j'ai tendance à activer les options d'aimantation à la grille, ce qui, dans notre cas, assurera que les extrémités de nos lignes seront placées sur des coordonnées en multiples entiers de 10 mm. J'ai aussi tendance à activer l'aimantation aux extrémités, qui aide à dessiner le dernier élément d'un tracé fermé à segments multiples.
As for the drawing tools themselves, they are grouped into another toolbar. FreeCAD does show commendable consistency across toolbar icons, so while the previous (snapping) toolbar had icons all in the same shade of green, drawing tools are all shown with icons in yellow and black. In this project, we will be using the tool to draw a straight line from two points, the tool to draw a full circle from its center and a point, and the tool to draw a circular arc. Let us begin (above) by drawing the top line of our shape, from coordinates (-30, 20) to (30, 20). Since we have snapping to the grid activated, we will see the mouse icon change to show a green grid icon whenever it detects we are close to a grid intersection, and thinks we may wish to place this point at this place. We can then go on to draw the bottom segment, from coordinates (-30, -20) to (30, -20). Once we have the two horizontal lines set up, let us change to the arc drawing tool. To draw the circular arc closing the right end of our piece, first select the center of the arc at coordinates (30, 0). Then click on the end of the top horizontal line at coordinates (30, 20) once to indicate the radius of our arc, and a second time to indicate the point where we are beginning our arc. Finally, click on the end of the lower horizontal line at (30, -20) to give the endpoint of our arc. When clicking on the end of the horizontal lines, our mouse cursor should change to the appropriate green icon to show us FreeCAD has detected a previous line and is placing the new point at these precise coordinates. The drawing, so far, should resemble the following capture.
En ce qui concerne les outils de dessin, ils sont groupés dans une autre barre. FreeCAD montre vraiment une cohérence appréciable avec les icônes des barres d'outils ; ainsi, alors que les icônes de la précédente barre (aimantation) sont toutes dans des teintes de vert, les outils de dessin sont présentés avec des icônes en jaune et noir. Dans ce projet, nous utiliserons l'outil pour dessiner une ligne droite de deux points, l'outil pour tracer un cercle entier à partir de son centre et d'un point et l'outil pour dessiner un arc circulaire.
Commençons (ci-dessus) par dessiner la ligne du haut de notre forme, entre les coordonnées (-30, 20) et (30, 20). Comme nous avons activé l'aimantation à la grille, nous verrons l'icône de la souris changer pour montrer une icône de grille verte s'il détecte une intersection proche et qu'il pense que nous souhaitons placer le point à cet endroit.
Puis, nous pouvons tracer le segment du bas, entre les coordonnées (-30, -20) et (30, -20). Une fois que les deux lignes horizontales sont faites, passons à l'outil de dessin d'arc. Pour dessiner l'arc circulaire fermant le côté droit de notre pièce, sélectionnons d'abord le centre de l'arc au point (30,0). Puis cliquons sur la fin de la ligne horizontale supérieure au point (30, 20), une fois pour indiquer le rayon de notre arc et une seconde fois pour indiquer le point où nous commençons notre arc. Enfin, cliquez à l'extrémité de la ligne horizontale du bas en (30, -20) pour indiquer le point final de notre arc. Quand nous cliquons sur l'extrémité des lignes horizontales, notre pointeur de souris se transforme en icône verte pour nous montrer que FreeCAD a détecté une ligne précédente et place un nouveau point à ces coordonnées exactes. Le dessin, à ce moment, doit ressembler à la capture suivante.
We can now proceed to draw the arc on the other side of the piece, closing the outside shape. With the tool to draw circles, we can put in the two circles at coordinates (-30, 0) and (30, 0), both with radius 10 mm. One final point is that the outside of our piece is, for the moment, a collection of four different segments: two Line objects, and two Arc objects. This can clearly be seen in the “Combo View” window at the left hand side of the screen. Further on, we will need to convert this object into a 3D object, and for this reason we must convert the collection of four segments into a single path. This is done with the “join objects” tool in the modification toolbar. Select all four segments, either in the combo view or in the drawing itself - holding down to Ctrl key to select multiple objects - and use this tool. In the combo view, we will see the four segments disappear, to be replaced by a single Wire object.
Nous pouvons maintenant réaliser le tracé de l'arc de l'autre côté de la pièce, pour fermer la forme extérieure de la pièce. Avec l'outil pour tracer des cercles, nous pouvons placer les deux cercles aux points (-30, 0) et (30, 0) avec un rayon de 10 mm.
Un dernier point : la forme extérieure de notre pièce est, pour le moment, un ensemble de quatre segments différents, deux objets Lignes et deux objets Arcs. Ceci se voit clairement dans la fenêtre « Vue combinée » dans la partie gauche de l'écran. Pour continuer, nous aurons besoin de convertir cet objet en un objet 3D et, pour cette raison, nous devons convertir le paquet des quatre segments en un seul chemin. Ceci est fait avec l'outil « Joindre les objets » dans la barre de modification. Sélectionnez les quatre objets, soit dans la vue combinée, soit sur le dessin lui-même - maintenez la touche Ctrl appuyée pour une sélection de plusieurs objets - et utilisez cet outil. Dans la vue combinée, nous verrons disparaître les quatre objets, remplacés par un seul objet Wire (fil).
In the Part workbench Once we have the planar part of our project set up - in essence, a horizontal projection of the final piece - we can switch workbenches and choose “Part”. This is where we will give the piece its 3D touches. To begin with, let us use the views toolbar to switch to a 3D projection view, to see the piece in its current shape as a flat drawing contained within the X-Y plane. Depending on the current zoom factor, it may be useful to also choose the “fit to view” button to get the whole part nicely centered in the view window. Below is what we should see at this point: the outer Wire and the two inner Circles. One of the toolbars that come by default with the Part workbench contains tools to transform flat parts into volumes. Begin by choosing one of the circles, and then use the “extrude” tool. Since the circle is contained within the X-Y plane, extrusion will take place along the Z axis. Increment the length of extrusion to 4 mm, so the final piece will be a cylinder 4 mm in length. Also make sure the “Create solid” option is checked, as otherwise only the walls of the cylinder would be created.
Dans l'atelier Part
Une fois la partie plane de notre pièce réalisée - en substance, une projection horizontale de la pièce finie - nous changeons d'atelier et choisissons « Part » (Pièce). C'est ici que nous donnerons à la pièce sa touche 3D. Pour commencer, utilisons la barre de visualisation pour passer à une vue 3D en projection, et voir la pièce dans sa forme actuelle comme un dessin plat contenu dans le plan X-Y. En fonction du facteur de zoom courant, il peut être utile de choisir le bouton « Afficher l'ensemble du contenu à l'écran » pour voir toute la pièce bien centrée dans la fenêtre.
Ci-dessous, voici ce que nous devrions voir en ce moment : le Wire extérieur et les deux Circles (cercles) intérieurs.
Une des deux barres d'outils qui s'affichent par défaut dans l'atelier Part contient les outils pour transformer les objets plats en volumes. Commençons par choisir un des deux cercles, puis utilisons l'outil « Extrusion ».
Comme le cercle est contenu dans un plan X-Y, l'extrusion se fait dans l'axe Z. Incrémentez la longueur d'extrusion à 4 mm ; ainsi, la pièce finale sera un cylindre de 4 mm de longueur. Assurez-vous aussi que l'option « Créer un solide » est activée, car, autrement, seules les parois du cylindre seront créées.
Now do the same with the other circle, converting it also into a cylinder 4 mm high. Finally, let us make an extrusion from the Wire piece, but this time only 2 mm high. By the end of this process, if we choose a lateral orthogonal view in the view toolbar, we should see the two cylinders protruding from the main part. However, their bases are all on the same plane. This is not suitable for us, since the next operation will be to subtract the cylinders from the main part, thus creating two holes. If we leave things as they are, there may be some confusion at the lower face of each hole. It is best to make sure the cylinders protrude both above and below the main piece. To do so, we will simply displace the main part upwards by one millimeter. This is done by clicking on the part in “Combo view”, where it will probably be labeled as “Extrude002” or something similar. Then click on the tab marked “Data” at the bottom of the Combo view, unfold option Placement, then Position, and increase the value for “z” from 0 mm to 1 mm.
Maintenant, faites de même avec l'autre cercle, en le convertissant aussi en un cylindre de 4 mm de haut. Enfin, faisons une extrusion dans la pièce Wire, mais cette fois de 2 mm seulement.
À la fin de ce processus, si nous choisissons une vue orthogonale latérale dans la barre de visualisation, nous devrions voir que les deux cylindres dépassent de la pièce principale. Cependant, toutes leurs bases sont sur le même plan. Ça ne nous convient pas, car la prochaine opération sera de soustraire les cylindres de la pièce principale, créant ainsi deux trous. Si nous laissons les choses en l'état, il pourrait y avoir une confusion dans les faces inférieures de chaque trou. Il est préférable de s'assurer que les cylindres dépassent des deux côtés de la pièce principale.
Pour ce faire, nous allons simplement déplacer la pièce principale d'un millimètre vers le haut. Ceci est fait en cliquant sur la pièce dans la « Vue combinée », où elle est probablement étiquetée « Extrude002 » ou quelque chose de voisin. Cliquez ensuite sur l'onglet marqué « Données » en bas de la Vue combinée, déployez l'option Placement, puis Position, et augmentez la valeur de « z » de 0 à 1 mm.
At the same time, one should see the main part going upwards in the main view, giving this result: Finally, we can make the holes in the main part. To do so, start by selecting both cylinders in the Combo view, and then choose menu option Part > Boolean > Union. This should make the cylinders disappear from the Combo view, and be replaced by a single Fusion object. Inside the Combo view, choose first the main part Extrude002, and then (with the Ctrl key), also choose Fusion. Then choose Part > Boolean > Cut. Voilà, we have cut out the two holes from the main part. In the last operation, the order of choosing the main part, and then the fusion of the two cylinders, is important. If one proceeds otherwise, FreeCAD will try to cut the main part out from the two cylinders, giving four very thin cylinders - definitely not what we expected!
Dans le même temps, on devrait voir la pièce principale monter dans la vue principale, nous donnant ce résultat :
Enfin, nous pouvons faire les trous dans la pièce principale. Pour ce faire, commencez par sélectionner les deux cylindres dans la Vue combinée, puis choisissez l'option du menu Pièce > Opération booléenne > Union. Ceci devrait faire disparaître les deux cylindres de la Vue combinée, remplacés par un seul objet Fusion. Dans la vue combinée, choisissez d'abord la pièce principale Extrude002, puis (en appuyant sur la touche Ctrl) choisissez aussi Fusion. Ensuite, choisissez Pièce > Opération Booléenne > Couper. Voilà ! Nous avons percé les deux trous dans la pièce principale.
Dans la dernière opération, l'ordre de choix, d'abord la pièce principale puis la fusion des deux cylindres, est important. Si vous procédez à l'inverse, FreeCAD essayera de découper la pièce principale autour des deux cylindres, vous donnant quatre cylindres très fins - vraiment pas ce que nous attendons !
What next? In this article on using FreeCAD, we created a simple planar object to illustrate the use of the main workspaces (Draft and Part), drawing tools, and extrusion. Constructive Solid Geometry was used to unite two cylinders, and the resulting Fusion object was used to cut two holes in the main piece thus creating the final object. In the next part of the series, we will use further tools to create a more complex 3D object, representing a Y-junction between two pipes of different diameters.
Et ensuite ?
Dans cet article sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons créé un simple objet plan pour illustrer l'utilisation des espaces de travail principaux (Draft et Part), les outils de dessin et l'extrusion. La Géométrie constructive des solides a été utilisée pour unir les deux cylindres et l'objet Fusion résultant a été utilisé pour percer deux trous dans la pièce principale, créant l'objet final. Dans la prochaine partie de notre série, nous approfondirons l'utilisation des outils pour créer un objet 3D plus complexe, représentant une jonction suivant Y de deux tuyaux de diamètres différents.