3D-gedruckte Verbindungselemente Vereinfachung der Montage

Verbindungselemente bestehen in der Regel aus zwei Einzelteilen, die durch ihre spezifischen geometrischen Merkmale perfekt zueinander passen. Gute Verbindungselemente sorgen für starke Verbindungen mit nur wenigen oder keinen Befestigungsmitteln wie Nägel oder Schrauben. Solche Verbindungselemente bieten Vorteile, weil sie eine starke Verbindung ohne komplizierte Montageprozesse gewährleisten. Allerdings handelt es sich dabei in der Regel um komplizierte Formen, deren Entwurf und Herstellung viel Zeit in Anspruch nimmt, während für Bolzen und Schrauben lediglich ein Loch und ein serienmäßig hergestelltes Verbindungselement erforderlich sind.

Der 3D-Druck ist als Herstellungsverfahren interessant, da das Drucken komplizierter Geometrien oft nicht teurer ist als das Drucken eines Blocks. Stattdessen ist der FDM-Druck durch die Materialeigenschaften und den schichtweisen Aufbau begrenzt. Entwürfe für den 3D-Druck erfordern deshalb eine neue Herangehensweise, und ein Teil dieser Herangehensweise ist die Nutzung der geometrischen Freiheit eines 3D-Druckers, um die Komplexität und die Kosten der Endmontage zu reduzieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die für die Holzbearbeitung und das Spritzgießen erfundenen Verbindungselemente heranzuziehen und auf den 3D-Druck mit seinen Einschränkungen anzupassen. In diesem Blog gehe ich auf die Nutzung einfacher Verbindungen wie Schwalbenschwänze und Schnappverbindungen ein, um Ihre 3D-gedruckten Verbindungsdesigns zu verbessern, und ergänze dies mit einigen Beispiele.

Schwalbenschwänze

Wenn es darum geht, zwei Teile miteinander zu verbinden, denken viele Menschen an rechte Winkel. Dies ist vor allem in der maschinellen Bearbeitung effizient, da rechte Winkel im Allgemeinen einfach und schnell herzustellen sind, weniger Vorbereitungen, keine speziellen Bits oder Rundschalttische erfordern. Für einen 3D-Drucker sind Schwalbenschwänze und gerade Seiten jedoch dasselbe. Ohne zusätzlichen Aufwand erhalten Sie dadurch weitere Freiheiten. Das ist überall nützlich, egal ob Sie eine Schiebeverbindung oder eine T-Verbindung ohne Verbindungselemente wünschen.

Beachten Sie bei der Nutzung von Winkeln auch, dass die bekannte Schwalbenschwanzform nicht die einzige Anwendung ist. Das oben abgebildete zweiteilige Schiebekästchen erzielt die gleiche Wirkung wie ein Schwalbenschwanz, sieht aber eher wie eine Platte mit abgewinkelten Seiten aus. Dadurch lässt sie sich leicht mit der anderen Hälfte der Schachtel zusammenschieben und verfügt sogar über eine kleine Raste am Ende, um sie zu schließen. Diese Form wäre mit den meisten anderen Methoden nur sehr schwer herzustellen. Der Mark Two konnte die Verbindungsteile jedoch ohne Stützmaterialien drucken und eine hervorragende Passform erzielen.

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Eine näherer Betrachtung ergibt, dass winklige Geometrie im 3D-Druck generell helfen. Das unten links abgebildete seitliche V-Profil kann beispielsweise eine Einschränkung für andere Bearbeitungsmethoden darstellen, ist jedoch einfach zu drucken. Die rechts abgebildete klassische Nut- und Federverbindung ist dagegen für die meisten Drucker aufgrund des Überhangs, der dabei entsteht, nur schwer herzustellen. Dieser Überhang führt zu einer schlecht abgestützten Unterseite mit schlechter Maßhaltigkeit und sollte möglichst vermieden werden.

Schnappverbindungen

Schnappverbindungen sind ein häufig verwendetes Verfahren zum kostengünstigen Verbinden von Spritzgussteilen. Diese Formen eignen sich gut für Kunststoffe, da sie nicht den geometrischen Beschränkungen des Formenbaus unterliegen und die Fähigkeit des Kunststoffs nutzen, sich elastisch zu verformen und dann wieder in Form zu springen. Da Schnappverbindungen für Kunststoff konzipiert sind, können sie leicht für den 3D-Druck übernommen werden... auf der XY-Ebene. Die meisten Benutzer von 3D-Druckern wissen, dass Objekte, die auf FDM-Desktopdruckern gedruckt werden, aufgrund der Schichtgrenzen in der Z-Achse (aus der Bauplatte heraus) wesentlich anfälliger für Spannungen sind als in X- und Y-Richtung. Da Schnappverbindungen in der Regel dünne Querschnitte besitzen (um das Biegemoment des Clips zu verringern), müssen 3D-gedruckte Schnappverbindungen „liegend“ auf der Bauplatte gedruckt werden, um nach wiederholtem Gebrauch kein Ausreißen zu riskieren.

Diese Abbildung zeigt eine übertriebene Visualisierung der Schichten eines gedruckten Schnapphakens. Beim senkrechten Druck (Abbildung links) führen die Kräfte, die den Schnappverschluss verbiegen, auch zu Spannungen zwischen den Lagen, wodurch ein Abbrechen wahrscheinlicher wird. Das Drucken auf der Rückseite (Abbildung in der Mitte) macht die Schnappverbindung stärker, hat jedoch immer noch eine Scherebene zwischen Zahn und Arm. Auf der Seite liegend gedruckt (Abbildung rechts) weist die Schnappverbindung jedoch keine Schichtgrenzen innerhalb ihres Querschnitts auf, was ihr eine besser vorhersehbare Festigkeit verleiht. Wenn die Schnappverbindung groß genug ist, könnte sie seitlich gedruckt werden, um Fasern durch den Zahn zu führen und so die volle Stärke eines Markforged-Teils zu nutzen. Diese Regel gilt auch für Zähne von Zahnräder, Sperrklinken und alle anderen Vorsprünge, die erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

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Denken Sie auch daran, dass Schnappverbindungen je nach Anwendung viele Formen annehmen können und dass sich das Design und die Ausrichtung der Schnappverbindung je nach Projekt ändern können. Insbesondere Schnappverbindungen aus 3D-Druckern sind nicht durch Dicken oder Formen eingeschränkt – und lassen bei der Auswahl ihrer Positionierung viel Raum für Kreativität (siehe unten). Mit Druckern lassen sich Prototypen schnell und einfach erstellen. Probieren Sie also einige Geometrien aus, bevor Sie sich für die endgültige Form entscheiden.

Anwendung aus der Praxis: Handyhalterung

Um eine Gleitpassung und einen Schnappmechanismen vorzustellen, habe ich diese Handyhalterung entworfen, die sich am Gehäuse der Mark Two befestigen lässt und jedes Handy zwischen 2,5 und 4 Zoll Breite hält. Damit könnten Bediener ein Zeitraffervideo aufnehmen oder einen empfindlichen Druck überwachen.

Diese Handyhalterung besteht aus lediglich drei Teilen und zwei Verbindungsstellen. Eine dieser Schnittstellen ist ein Drehgelenk, das wie ein Scharnier wirkt. Auch wenn es nicht unbedingt wie ein Schwalbenschwanz aussieht, dient es demselben Zweck. Dank komplementärer Winkel ist die Schiebevorrichtung leicht zu drucken.

Die andere Verbindungsstelle funktioniert wie eine lineare Sperrklinke mit abgewinkelten Wänden (damit sie nicht auseinanderrutschen) und Zähnen zur Einstellung der Breite der Halterung. Diese Verbindungsstelle wäre mit den meisten anderen Methoden nur sehr schwer herzustellen, aber sie war ganz einfach und schnell zu drucken!

Ein Hinweis zu Toleranzen

Wie bei allen anderen Dingen auch müssen Verbindungselemente gemäß bestimmten Toleranzen entworfen werden. Beim Mark Two 3D-Verbunddrucker reicht für die meisten Zwecke ein Spalt von 0,08 mm zwischen den Wänden (0,16 mm im Durchmesser) aus, damit zwei Teile durchgängig ineinander passen. Wenn eine Ihrer Oberflächen durch Stützmaterial gehalten wird, versuchen Sie, den Abstand auf 0,15 mm oder so zu erhöhen. Natürlich neigen 3D-gedruckte Teile dazu, stark zu variieren. Testen Sie deshalb vorher und fertigen Sie Prototypen an, um die gewünschte Passform zu erreichen.

Dies ist nur ein kleines Beispiel dafür, wie das Entwerfen von Verbindungselementen zu einfacheren und besser für Ihren 3D-Drucker geeigneten Designs führen kann. Wenn Sie gute Verbindungselemente zum Drucken finden, tweeten Sie uns @MarkForged und teilen Sie Ihre Entwürfe mit uns!