Markforged Mechanical Features (MMF, “Markforged Technische Funktionselemente”) ist eine Blogpostserie über das konstruieren technischer Bauteile für den faserverstärkten 3D-Druck mit unseren Markforged 3D-Druckern.

Hiermit startet die MMF-Blogpostserie. Unsere Kunden fragen uns oft, wie ihre gewohnten technischen Funktionselemente 3D-gedruckt werden können. Sie wollen die Eigenschaften der Markforged Materialien nutzen. In diesem und den folgenden Artikeln greifen wir solche Themen auf. Erfahren Sie, wie Sie Ihren Markforged 3D-Drucker am effektivsten nutzen können!

In diesem Post geht es um Filmscharniere. Bei Filmscharnieren wird ein dünnwandiges Element zwischen zwei Komponenten integriert. Das Element ist elastisch verformbar, sodass das Teil scharnierartig gebogen werden kann. Weil solche Verbindungen sowohl robust, als auch einfach herzustellen sind, finden Sie sie oft an Kunststoffbehältern von Konsumgütern, zum Beispiel bei Shampoo-Flaschen. Mit Ihrem Markforged 3D-Drucker können Sie Ihre Filmscharniere selber herstellen.

Technische Begriffe

In der Grafik unten sehen Sie eine beschriftete Darstellung unseres Beispielscharniers.

Beachten Sie das Filmscharnier und die Verschlussflexur. Beide Elemente sind flexibel und lassen sich nur um eine Achse biegen. Beide Elemente sind Filmscharniere, erfüllen aber verschiedene Zwecke. Dies indizieren schon ihre unterschiedlichen Geometrien.

Bennetts Filmscharniere

Bennett ist Maschinenbauingenieur bei Markforged. Er arbeitet mit 3D-Modellen und verbessert Bauteile gerne mithilfe des 3D-Drucks. Seine ersten 3D-gedruckten Scharniere waren von seinem Bruder entworfe Musterteile. Sein Bruder arbeitet in der Unterhaltungselektronik, wo Schnappverschlüsse und Scharniere einen wesentlichen Teil des Hardware-Designs ausmachen. Prototypen dieser Art werden normalerweise mit einem 3D-Druckverfahren auf Stereolithographie-Basis (SLA) hergestellt. Dabei geht es vor allem um die Visualisierung äußerer Formen in mehreren Konfigurationen. Die verwendeten Materialien sind spröde. Ein Scharnier bricht nach dem ersten Probelauf. Die kostspielige und zeitaufwändige Alternative zu SLA-Prototypen wäre die Produktion mithilfe einer Testspritzgussform. Bennetts Bruder sah in einem Markforged 3D-Drucker eine dritte und um Längen bessere Option. Er sendete Bennett die STL-Dateien, und noch am selben Tag waren die Prototypen fertig.

So kam Bennett dazu, mit Filmscharnieren zu experimentieren. An der von ihm designten Beispielbox kann man einige Konstruktionsrichtlinien veranschaulichen.

Bennetts Beispielteil in der Isometrie: Eine einfache Box mit Filmscharnier und Verschlussflexur.

Ausrichtung des Filmscharniers

Bei dem 3D-Druck von Filmscharnieren ist die Ausrichtung des Teils in Eiger von Bedeutung. Für viel Flexibilität kann aus Nylon gefertigt werden. Für ein steiferes, aber belastbareres Scharnier verwenden Sie zusätzlich Kevlar-Verstärkung. In beiden Fällen muss das Teil auf der Seite liegend 3D-gedruckt werden. Die Biegeachse des Scharniers muss zum Druckbett (XY-Ebene) senkrecht stehen.

Bennetts Box in der Seitenansicht. Oben im Bild ist sie geöffnet, darunter ist sie geschlossen.

Es gibt zwei Gründe, aus denen das Scharnier wie beschrieben ausgerichtet werden sollte. Erstens kann Verstärkungsfaser nur in Schichten parallel zur XY-Ebene verlegt werden und sie soll Zug- und Biegekräften in Längsrichtung entgegenwirken. Zweitens ist die Zugfestigkeit von Nylon innerhalb einer Schicht größer als die Adhäsionsfestigkeit zwischen zwei Schichten. Diese beiden Tatsachen spielen für die Stabilität des Scharniers eine enorme Rolle.

Beachten Sie die Ausrichtung des Teils. Für größtmögliche Stabilität müssen die Materialeigenschaften sinnvoll genutzt werden.

Terminologie: Anisotropie

Wer 3D-gedruckte Teile konstruiert, muss deren Anisotropie verstehen. Anisotropes Material ist ein Material mit oft mechanischen richtungsabhängigen Materialeigenschaften. Ein großartiges Beispiel dafür ist Holz. Viele Holzarten lassen sich entlang ihrer Maserung leicht trennen. Quer dazu kann man es aber nur sehr schwer brechen oder schneiden. Isotrope Materialien, wie z.B. viele Metalle, verhalten sich gegenteilig. Ihre Eigenschaften sind unabhängig der Ausrichtung viel gleichförmiger.

Konstruktion des Filmscharniers

Wie bereits beschrieben wird der Filmscharnierquerschnitt auf die horizontale Y-Ebene gelegt. Das Scharnier wird steifer, je mehr Sie es verdicken. Unser Beispielteil hat ein Deckel- und ein Riegelscharnier. Das Deckelscharnier muss um volle 180 Grad bewegt werden können. Das Riegelscharnier wird kaum gebogen, muss aber den Deckel geschlossen halten. Diesen Anforderungen entsprechend ist das  Deckelscharnier möglichst dünn. Das Riegelscharnier ist dicker und steifer, damit sich die Box nicht von allein öffnet. Der Deckel ist in seiner neutralen Position (90 Grad offen) modelliert. Das Riegelscharnier ist leicht geschlossen, damit es einrastet. 3D-gedruckte flexible Teile neigen, ähnlich wie ihre spritzgegossenen Pendants, zur Rückkehr in ihren gedruckten Zustand. Es sei denn, sie unterliegen einer erheblichen plastischen Verformung. Sie sollten dies bei der Gestaltung der gewünschten neutralen Position Ihrer Teile berücksichtigen.

Die Druckfertige Teilekonfiguration: Der Deckel steht im 90°-Winkel zur Box und der Schnappverschluss ist vorgespannt.

3D-Druck des Filmscharniers

Das Teil wird in Eiger hochgeladen und ausgerichtet. Die konzentrische Faserverstärkung wird für das gesamte Teil eingeschaltet. Die Scharniere erreichen die erforderliche Mindestdicke nicht. Diese Bereiche bleiben unverstärkt. Basis und Deckel legt der Mark Two im Gegensatz zum Mark One problemlos mit Faser aus. Auch die dünnen hohen Wände werden verstärkt.

Technische Details

• Stärke des Deckelscharniers: 0,7 mm (maximale Flexibilität)
• Stärke des Verriegelungsscharniers: 1,2 mm (steifer, um unbeabsichtigtem Öffnen vorzubeugen)
• Für die Teile werden im offenen und geschlossenen Zustand konfiguriert, um den geeigneten Biegeradius herauszufinden. Danach wird die Druckkonfiguration gewählt.

Wollen Sie die Beispielbox selber 3D-drucken?

Hier können Sie die SWX-Dateien herunterladen.

Hier können Sie die Eiger-fertigen STL-Dateien herunterladen.

Sehen Sie sich den Mitschnitt unseres Webinars über Biegeelemente und Filmscharniere an, um mehr zu deren Konstruktion zu erfahren.

Dieser Artikel wurde ursprünglich im Blog von Markforged veröffentlicht. Hier kommen Sie zum Originalartikel.

Übersetzt von Antje Kasemann