Mit Onyx, unserem neuen Verbundstoff, haben wir neue Möglichkeiten getestet. Eine unserer Entdeckungen war, dass Onyx durch seine Oberflächenbeschaffenheit und Dimensionsstabilität besonders gut für spezielle Verbindungsformen geeignet ist.
In der Holzbearbeitung werden Verbindungen häufig durch speziell aufeinander abgestimmte Geometrien erzeugt. Im besten Fall werden dabei keine zusätzlichen Befestigungselementen wie Nägel oder Schrauben benötigt. Dies vereinfacht den Montageprozess, das Designen ist jedoch aufwendig.
Ein klassisches T-Zügelgelenk, mit Onyx gedruckt.
Im 3D-Druck ist das Drucken komplizierter Geometrien oft nicht teurer als das Drucken eines Blocks. Stattdessen ist der FFF-Druck durch Materialeigenschaften und den geschichteten Aufbau des Teils begrenzt. Nutzt man die geometrischen Freiheiten aus, kann man Aufwand und Kosten der Endmontage reduzieren. Im Folgenden geht es darum, was man während des Designens beachten muss, um genau das zu erreichen.
Schwalbenschwanz
Eine klassische Schwalbenschwanzverbindung.
Wenn zwei Teile miteinander verhakt werden sollen, scheinen rechte Winkel naheliegend. Diese sind meist effizient, denn in der Regel viel einfacher und schneller zu erzeugen als ungerade Winkel, sie erfordern weniger Setups und keine speziellen Bits oder Indizierungstabellen. Im 3D-Druck spielt das jedoch keine Rolle. Schwalbenschwänze sind problemlos herzustellen. Das ist überall praktisch, egal ob Sie eine Gleitmontage oder ein verschlussloses T-Gelenk brauchen.
Box mit Schiebe-Schwalbenschwanz-Verschluss, zerlegt.
Die aufgeweiteten Wände und engen Toleranzen lassen diese Box glatt gleiten.
Die etablierte Schwalbenschwanzform ist nicht die einzige Möglichkeit. Die Verbindung des zweiteiligen Schiebekastens oben ist gleichwertig, sieht aber eher aus wie eine Platte mit abgewinkelten Seiten. Dies ermöglicht einfaches Auf- und Zuschieben. Am Ende rastet der Deckel sogar ein wenig ein, sodass die Box geschlossen bleibt. Im Gegensatz zu den meisten anderen Maschinen und Geräten kann der Mark Two diese Form ohne zusätzliche Materialien direkt sauber und passend drucken.
Auch in anderen Bereichen des 3D-Drucks kann der Aufwand durch gut durchdachte Winkelgeometrien reduziert werden. Das V-Profil, links im Bild unten, wäre schwierig konventionell herzustellen, aber leicht zu drucken. Im Gegensatz dazu würde der Überhang an einer klassischen Verbindung mit Feder und Nut (rechts) durch die schlecht unterstützte Unterseite zu Ungenauigkeiten im Druck führen.
Profile einer seitlichen V-Wand (links) und einer Nut-Feder-Fuge (rechts).
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Schnappverschlüsse
Eine häufig verwendete Methode zur kostengünstigen Verbindung von Spritzgussteilen ist der Einsatz von Schnappverschlüssen. Kunststoffe sind dafür besonders geeignet, weil sie sich elastisch verformen und dann wieder in Form rasten können. Schnappverschlüsse lassen sich auch hervorragend drucken, nur muss hierbei die Anordnung des Teils auf den Ebenen unbedingt beachtet werden. Durch ihren geschichteten Aufbau brechen 3D-gedruckte Teile eher entlang der Z-Achse (senkrecht zum Boden im Drucker). Der Schnappverschluss muss also liegend gedruckt werden, um auch nach wiederholter Benutzung funktionstüchtig zu bleiben.
Schema der Cantilever-Schnappverbindung, in drei möglichen Ausrichtungen gedruckt.
Dieses Diagramm illustriert die Schichten eines gedruckten Schnappverschlusses. Wenn er aufrecht steht (links abgebildet), führen die Biegekräfte zu Spannung zwischen den Schichten und erhöhen das Risiko eines Bruchs. Ein auf dem Rücken gedruckter Schnappverschluss (in der Mitte abgebildet) ist definitiv stabiler, die beste Möglichkeit ist aber der Druck auf der Seite (rechts). Für noch mehr Stabilität können jetzt sogar Verbundfasern bis in den Zahn vorne verlegt werden. Das gleiche gilt für Zahnradzähne, Ratschenzähne und andere Vorsprünge, die erhebliche Belastungen aushalten müssen.
Vergessen Sie nicht, dass Schnappverschlüsse viele Formen haben können. In Bezug auf Dicke und Form haben Sie alle Freiheiten und können Kreativ werden. Prototypen sind schnell hergestellt, sodass sich auch ein paar Geometrien ausprobieren lassen, bevor Sie sich auf die endgültige Form festlegen.
Ein bündiger Schnappverschluss mit Zapfenverbindung.
Querschnitt des bündigen Schnappverschlusses mit Zapfenverbindung.
Zusammengesetzt: Handyhalter
Um Schiebeverbindungen und Schnappmechanismen zu demonstrieren, haben wir diese Halterung für den Mark Two entworfen. Sie hält jedes Handy zwischen 2,5 und 4 Zoll, sodass der Bediener ein Zeitraffer-Video aufnehmen oder einen sensiblen Druck überwachen kann.
Der Handyhalter greift ein Handy.
Dieser Telefonhalterung hat nur drei Teile, zwei Schnittstellen. Eine davon wirkt als Scharnier. Obwohl es nicht so aussieht wie ein Schwalbenschwanz, dient es dem gleichen Zweck: Es ermöglicht eine leicht druckbare Gleitpassung, dank komplementärer Winkel.
Demontierte Telefonhalter (links) und Haken (rechts).
Rotationsgelenk rastet ein.
Die andere Schnittstelle arbeitet wie eine lineare Ratsche mit abgewinkelten Wänden und Zähnen. Hiermit wird die Breite des Halters eingestellt. Das wäre mit den meisten anderen Mittel sehr schwierig zu fertigen, ist aber einfach und schnell zu drucken.
Die Zähne der linearen Ratsche mit dem entsprechenden Gegenstück (rechts).
Die Ratsche wird eingeschoben.
Der Handyhalter im Einsatz am Mark Two.
Ein Hinweis zu Toleranzen
Wie überall muss auch hier mit Toleranzen geplant werden. Bei dem Mark Two reicht ein Abstand von 0,08 mm zwischen zwei Wänden meist aus, um eine Gleitpassung zu erhalten. Bei Verwendung unterstützender Materialien sollte die Lücke mindestens 0,15 mm betragen. Perfektionieren Sie Ihr Ergebnis mit Unit Tests und Prototypanalysen.
Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie gut geplante Verbindungen den Druck und die Montage erleichtern und verbessern können.
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toller Beitrag. Vielen Dank fürs Teilen! können auch farbige Objekte gedruckt werden?
Hallo Herr Hermann,
farbige Objekte können nicht gedruckt werden. Die Bauteile können jedoch im Nachgang eingefärbt werden.
Viele Grüße, Jonathan Schlawer
ich finde den Artikel auch klasse – hat mir sehr weitergeholfen
Super hilfreich. Gibt es die 3d-Modelle auch zum Download bzw. zum Kauf?