开源 3D 参数化 CAD 建模器

FreeCAD 入门指南

FreeCAD 提供适用于 Windows、macOS 和 Linux 的预编译安装程序，可在 最新发布页面获取。 在 Linux 上，通常可以通过发行版的包管理器或软件中心获取。 对于开发者和高级用户，支持使用 CMake 从源码构建。 官方的 开发者手册提供详细的构建说明。 安装后，启动 FreeCAD 并通过工具栏浏览工作台。 Python 控制台和宏系统可实现自动化和自定义。 如需学习资源，请访问 FreeCAD wiki 上的 入门指南。

# Ubuntu/Debian
sudo apt install freecad

# macOS (Homebrew)
brew install --cask freecad

# Windows: Download from https://github.com/FreeCAD/FreeCAD/releases/latest

使用 Python API 的参数化 3D 建模

FreeCAD 的参数化建模引擎允许用户使用可编辑参数定义对象，只需调整数值即可进行设计迭代。Python API 公开了整个建模堆栈，使开发者能够以编程方式创建复杂几何体。使用 Part 和 PartDesign 工作台，你可以生成原始体，执行布尔运算，添加圆角/倒角，并创建垫片、凹槽和旋转等特征——全部通过 Python 实现。这一能力对于生成式设计、拓扑优化以及将 CAD 与仿真或制造工作流集成至关重要。API 同时支持面向对象和函数式两种方式，适用于脚本、宏以及功能完整的插件。凭借对底层 OpenCASCADE 核心的访问，FreeCAD 在保持初学者易用性的同时，提供专业级的几何运算。

import FreeCAD as App
import Part

# Create document and object
doc = App.newDocument()
cube = doc.addObject("Part::Box", "Cube")
cube.Length = 10
cube.Width = 20
cube.Height = 30
App.ActiveDocument.recompute()

# Modify dimensions later
cube.Length = 15
App.ActiveDocument.recompute()

二维草图与制图工作台

FreeCAD 包含一个强大的 2D 草图环境，集成在 3D 建模流水线中。Sketcher 工作台允许用户使用直线、弧线、圆和样条曲线绘制受几何约束的 2D 轮廓。水平、垂直、平行、正交和尺寸约束确保对草图几何的精确控制。完成后，这些草图作为挤出、旋转和放样等 3D 特征的基础。此外，Draft 工作台提供用于创建无约束 2D 矢量图的工具，适用于建筑平面图或技术插图。Drawing 工作台能够从 3D 模型生成正投影、剖视图和带注释的图纸，支持符合 ISO 标准的技术文档，包括尺寸标注、公差和物料清单功能。

import FreeCAD as App
import Sketcher
import PartDesign

doc = App.newDocument()
Part = doc.addObject("PartDesign::Body")
Sketch = doc.addObject("Sketcher::SketchObject", "Sketch")
Sketch.Placement = App.Placement(App.Vector(0,0,0), App.Rotation(App.Vector(0,0,1),0))

# Add geometry
Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(App.Vector(-10,0,0),App.Vector(10,0,0)),False)
Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(App.Vector(10,0,0),App.Vector(10,10,0)),False)
Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(App.Vector(10,10,0),App.Vector(-10,10,0)),False)
Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(App.Vector(-10,10,0),App.Vector(-10,0,0)),False)

# Add constraints
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',0,2,1,1))
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',1,2,2,1))
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',2,2,3,1))
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',3,2,0,1))
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Horizontal',0))
Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Vertical',1))

# Extrude
Pad = doc.addObject("PartDesign::Pad", "Pad")
Pad.Profile = Sketch
Pad.Length = 5
doc.recompute()

装配设计与约束求解

FreeCAD 通过 Assembly4 和 Assembly3 工作台支持复杂的装配建模，使用户能够将多个部件组合成功能性机构。装配是使用共面、平行、垂直、切线和距离等约束来构建的，以定义组件之间的相对位置和运动。当任何部件或约束被修改时，求解器会自动更新装配，确保设计完整性。这一功能对于齿轮传动、连杆和外壳设计等机械工程任务至关重要。装配可以导出为 STEP 文件，以便与其他 CAD 系统协作，并且通过与外部工具如 Yade 或自定义 Python 脚本的集成，可以实现运动仿真。FreeCAD 的参数化特性确保对单个部件的更改会自动传播到装配中，减少手动更新并最小化错误。

import FreeCAD as App
import Assembly4

doc = App.newDocument("Assembly")
# Add parts
Part1 = doc.addObject("Part::Box", "Block1")
Part1.Length, Part1.Width, Part1.Height = 10, 10, 10
Part2 = doc.addObject("Part::Cylinder", "Cylinder1")
Part2.Radius, Part2.Height = 3, 15

# Create assembly
asm = doc.addObject("App::Part", "Assembly")
asm.Type = "Assembly"
asm.addObject(Part1)
asm.addObject(Part2)

# Apply constraint (simplified)
# In practice, use Assembly4's Constraint class for full functionality
App.ActiveDocument.recompute()

BIM 与建筑建模工具

FreeCAD 通过 Arch 工作台提供专门的建筑信息模型（BIM）和建筑设计工具。用户可以使用直观的参数化对象创建墙体、楼层、屋顶、窗户、门以及结构构件。这些对象在参数变化时会自动更新，支持迭代设计并符合建筑规范。该工作台支持 IFC（Industry Foundation Classes）导入/导出，实现与行业标准 BIM 软件如 Revit 和 Archicad 的互操作性。场地规划、能耗分析设置和材料清单等功能使 FreeCAD 适用于早期建筑设计和文档编制。此外，Draft 和 Sketcher 工作台无缝集成，可创建精确的平面图和立面图，而 Drawing 工作台则生成带有注释、尺寸和表格的施工文件。

import FreeCAD as App
import Arch

doc = App.newDocument("Building")
# Create wall
Wall = Arch.makeWall(length=5000, width=200, height=3000)
Wall.Base = Arch.makeSketch([0,0,0], [5000,0,0], [5000,200,0], [0,200,0])

# Create window
Window = Arch.makeWindow(1200, 1500)
Window.Base = Arch.makeSketch([1000,100,0], [2200,100,0], [2200,1600,0], [1000,1600,0])
Window.Host = Wall

App.ActiveDocument.recompute()