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Aus Raspberry Pi Geek 03/2016

3D-Konstruktion mit FreeCAD auf dem Raspberry Pi

© Raik Fischer

Klötzchenbau

Raik Fischer

FreeCAD macht 3D-Konstruktion auf dem RasPi auch für Einsteiger problemlos möglich. Den Ausdruck der Objekte erledigt dann ein Dienstleister.

Für das Umsetzen von 3D-Druck-Projekten braucht man neben einem 3D-Drucker vor allem ein 3D-CAD-Programm, mit dem sich das zu druckende Objekt im Detail konstruieren lässt. Beruflich hatte der Autor bisher nur mit 2D-CAD zu tun, rudimentäre Erfahrungen mit 3D-CAD resultieren ausschließlich aus seinem Maschinenbaustudium Anfang der 1990er-Jahre. Im Zuge der Recherche testete der Autor eine Reihe verschiedener CAD-Anwendungen auf verschiedenen Systemen durch: Autosketch, Blender, 3DScratch, ThinkerCAD und einige mehr; mit keinem davon konnte er sich wirklich anfreunden.

Als FreeCAD [1] an der Reihe war, stimmte die Chemie jedoch auf Anhieb. FreeCAD steht für Linux, Mac OS X und Windows zur Verfügung. Als Portable-Variante [2] funktioniert es sogar ohne Installation auf Windows-Systemen mit eingeschränkten Rechten. Erste Schritte mit FreeCAD gelingen mithilfe der Video-Tutorials von BPLRFE [3] nach kurzer Einarbeitungszeit, als ebenfalls sehr hilfreich erweist sich eine ausführlich bebilderte Dokumentation aus dem Landesinstitut für Schulentwicklung [4]. Nach etwa 15 Minuten hat man mit einem einfachen Blech das erste kleine Projekt abgeschlossen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Mit einem kleinen Blech machen Sie die ersten Schritte in FreeCAD.

Abbildung 1: Mit einem kleinen Blech machen Sie die ersten Schritte in FreeCAD.

FreeCAD auf dem RasPi

Wer nicht immer einen ausgewachsenen Rechner zur Hand hat, der kann den Raspberry Pi für CAD-Aufgaben mit FreeCAD ausstatten. Aufgrund der nicht gerade herausragenden Rechenleistung von CPU und GPU des RasPi mag dies zunächst als relativ sinnfreies Unterfangen anmuten, doch mit der unlängst bei Raspbian eingeführten OpenGL-Unterstützung [5] arbeitet FreeCAD für kleinere Projekte hinreichend schnell. Für eigene Tests sollten Sie daher das auf Ihrem Raspberry Pi installierte System auf den aktuellen Stand bringen und den RasPi neu starten (Listing 1).

Listing 1

 

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get dist-upgrade
$ sudo reboot

Vor der Installation des aktuell noch experimentellen OpenGL-Treibers empfiehlt die Raspberry Pi Foundation, das aktuelle System des RasPi zu sichern. Ziehen Sie daher bei Bedarf ein Image der aktuellen Installation [6]. Wenn Sie aber ohnehin mit einem frisch installierten Raspbian ohne besondere Einstellungen starten, dürfen Sie diesen Schritt durchaus überspringen.

Anschließend installieren Sie in Raspbian den OpenGL-Treiber (beachten Sie dazu den Kasten “OpenGL aktivieren”) und am besten im selben Schritt auch gleich FreeCAD (Listing 2).

Listing 2

 

$ sudo apt-get install xcompmgr libgl1-mesa-dri
$ sudo apt-get install freecad freecad-doc

OpenGL aktivieren

Trotz installierten OpenGL-Treibers läuft FreeCAD auf dem RasPi ohne weitere Konfiguration nicht wirklich rund: Die Hardware-Beschleunigung möchte noch in den Einstellungen des Mini-Rechners aktiviert werden. Rufen Sie dazu sudo raspi-config auf und schalten Sie in 9 Advanced Options die Option AA GL Driver ein (Abbildung 2).

Beachten Sie, dass diese Funktion nur mit dem RasPi 2 und 3 funktioniert, da nur diese über ausreichend Speicher verfügen. Aktivieren Sie die Option auf einem passenden Gerät und verfrachten die Speicherkarte später einmal in einen RasPi der ersten Generation oder einen Pi Zero, dann weigert sich der Rechner zu starten.

Beim Aktivieren der OpenGL-Unterstützung lässt das System zudem Vorsicht walten und schaltet etwaige Voreinstellungen zum Erhöhen der Taktrate ab. Die entsprechenden Abschnitte in der /boot/config.txt kommentiert die Routine automatisch vollständig aus. Nachträgliches Aktivieren führte auf unserem Test-RasPi der zweiten Generation zu einem schwarzen Bildschirm. Der RasPi 3 erlaubt bekanntlich von Haus aus kein Übertakten mehr.

Im selben Zug sollten Sie den für den Grafikchip zugeteilten Arbeitsspeicher erhöhen. Er liegt in der Standardeinstellung bei lediglich 64 MByte. Mit so wenig Grafikspeicher treten jedoch beim Zoomen in das mit FreeCAD erstellte Bauteil ärgerliche Bildfehler auf. Tragen Sie daher unter 9 Advanced Options | A3 Memory Split zum Beispiel 192 für 192 MByte Grafikspeicher ein. Nach einem Neustart sollte FreeCAD dann auch bei etwas komplizierteren Bauteilen noch flüssig funktionieren.

Abbildung 2: Rufen Sie dazu »sudo raspi-config« auf und schalten Sie in »9 Advanced Options« die Option »AA GL Driver« ein.

Abbildung 2: Rufen Sie dazu »sudo raspi-config« auf und schalten Sie in »9 Advanced Options« die Option »AA GL Driver« ein.

Eigenbau-Case

FreeCAD rufen Sie nun aus dem Anwendungsmenü heraus auf. Die für den Einstieg in FreeCAD konstruierte Blechplatte ließ sich auch auf dem RasPi gut erstellen. FreeCAD fühlt sich auf dem Mini-Rechner ein wenig zäh an, aber durchaus noch nutzbar. Mit einem RasPi 3 spüren Sie hingegen kaum noch Verzögerungen.

Als erstes “richtiges” Projekt soll ein Gehäuse für das offizielle Raspberry-Pi-Display [7] mitsamt RasPi entstehen. Ziel der Operation ist ein RasPi-Tablet, auf dem dann RISC OS als Betriebssystem arbeitet. Als Vorlage für die Konstruktion dient ein von der RasPi-Foundation veröffentlichtes Datenblatt [8] mit den Abmaßen des Displays.

In FreeCAD fällt die Orientierung bei den ersten Schritten nicht gerade leicht. Eine gute Hilfestellung leisten die Quickinfos in der Statusleiste, sobald Sie mit dem Mauszeiger über ein Objekt im Programmfenster fahren. So erkennen Sie schnell, wozu ein Schalter dient. Benötigen Sie mehr Platz auf dem Display, lässt sich die Statusleiste im Menü Ansicht jedoch auch abschalten.

Für die ersten Schritte erstellen Sie nun ein neues Dokument (Datei | Neu) und schalten in der Werkzeugleiste den Arbeitsbereich auf Part um (alternativ unter Ansicht | Arbeitsbereich). Basis des Gehäuses stellt ein Würfel dar, dessen Maße Sie im Nachgang anpassen. Mit der Schaltfläche Create a cube solid erstellen Sie diesen als Rohform, für die weitere Bearbeitung wählen Sie ihn dann in der Übersicht in der Seitenleiste aus.

Im Reiter Daten der Eigenschaften passen Sie die Dimensionen des Würfels entsprechend den Abmaßen des zukünftigen Gehäuses an (Abbildung 3: Länge 196 mm, Breite 114 mm, Höhe 22 mm). Anschließend öffnen Sie Formteil | Abrunden …, wählen dort die unteren sowie die kurzen Kanten an und runden diese ab. Verdeckte Kanten erkennen Sie besser, wenn Sie unter Ansicht | Zeichenstil | Drahtgitter die Darstellung auf ein Drahtgittermodell reduzieren.

Abbildung 3: Ausgehend von einem schlichten Quader formen Sie Schritt für Schritt das Gehäuse.

Abbildung 3: Ausgehend von einem schlichten Quader formen Sie Schritt für Schritt das Gehäuse.

Vom Block zur Schale

Im nächsten Schritt soll aus dem massiven Körper eine Schale entstehen. Dazu markieren Sie die Deckfläche und wechseln den Arbeitsbereich auf Sketcher. Mit dem Button Eine neue Skizze erstellen oder die ausgewählte Skizze bearbeiten legen Sie ein Raster über die Fläche. Mithilfe der entsprechenden Werkzeuge skizzieren Sie dort dann ein abgerundetes Rechteck auf die Deckfläche (Abbildung 4), mit etwas kleineren Außenmaßen als das Display. Dadurch entsteht später ein feines Rähmchen rund um das Gehäuse, sodass der Touchscreen bündig mit dem Case abschließt.

Abbildung 4: Im Skizziermodus gestalten Sie Flächen, die Sie danach vom eigentlichen Objekt subtrahieren.

Abbildung 4: Im Skizziermodus gestalten Sie Flächen, die Sie danach vom eigentlichen Objekt subtrahieren.

Sie verlassen nun den Skizziermodus über die Schaltfläche Bearbeitung der Skizze beenden. Danach markieren Sie die Skizze und wechseln wieder zurück in den Arbeitsbereich Part Design. Im Menü Part Design wählen Sie die Funktion Tasche, geben eine Tiefe von 1 mm an und bestätigen den Dialog. Sie erhalten dadurch nun eine leicht abgesenkte Deckfläche mit einem umlaufenden Rahmen. Zum Ausarbeiten der restlichen Schale markieren Sie die neue Deckfläche und wiederholen die Schritte Sketcher und Part Design entsprechend (Abbildung 5). Auch die Durchbrüche für Schalter, USB-Ports und den Stromanschluss gestalten Sie analog.

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