3D-Druck von ineinandergreifenden Teilen und Verzahnungen

Verbindungen sind allgegenwärtig, und da der 3D-Druck in immer mehr Branchen und Anwendungsbereichen als Fertigungslösung eingesetzt wird, ist es wichtig zu wissen, wie man ineinandergreifende Baugruppen mit 3D-Druck umsetzt.

Ineinandergreifende Verbindungen nutzen die Reibung zwischen zwei Bauteilen aus und beinhalten typischerweise einen Vorsprung und eine entsprechende Aussparung (meist Nut genannt), in die dieser Vorsprung passen muss. Die Verbindung bleibt dann aufgrund der Reibung und der Form dieser beiden Verbindungsstücke stabil und verhindert die Demontage in einer bestimmten Richtung, während sie bei Krafteinwirkung aus anderen Richtungen möglich ist. Derartige Verbindungen sind bei Anwendungen mit sehr steifen Materialien, wie z. B. Holz, weit verbreitet. Aber auch 3D-gedruckte Teile beinhalten häufig ineinandergreifende Merkmale.

Im Gegensatz dazu sind Schnappverbindungen so konzipiert, dass sich ein vorstehendes Merkmal leicht verformt, wenn die andere Komponente der Verbindung darüber geschoben wird, und dann in seine ursprüngliche Position zurückschnappt, sodass die andere Komponente verriegelt wird. Da Kunststoffe wiederholt verformt werden können (und zwar besser als Materialien wie Holz), sind 3D-gedruckte Schnappverbindungen eine weit verbreitete Methode zur Erstellung von Baugruppen.

Es gibt zahlreiche Beispiele für Verbindungen durch ineinandergreifende Komponenten, von den ältesten Holzbautechniken mit Balken, Bohlen und Trägern über Kettenhemden bis hin zu Motorbaugruppen mit verzahnten Bauteilen, die sich drehen und bewegen. Diese Art von Verbindungen bietet zahlreiche Vorteile und ermöglicht unter anderem Folgendes:

• Einfache Montage und Demontage einer Struktur
• Erstellen von Systemen, die größer sind als die verfügbaren Einzelkomponenten
• Verbindung zweier oder mehrerer Materialien oder Farben
• Optimierung eines Designs oder einer Baugruppe durch Verringerung des Bedarfs an manuellen Verbindungen durch Schrauben, Klebstoffe etc. bei gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeit

Der 3D-Druck macht es möglich, verzahnte Baugruppen in einem Stück zu drucken, im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden, bei denen ineinandergreifende Bauteile separat erstellt und dann zusammengefügt werden müssen. Bei traditionellen Beispielen wie Fachwerkhäusern etwa werden zwei große Hölzer abgeschrägt, also am Übergang zwischen zwei Flächen schräg zugeschnitten, sodass sich ihre Flächen berühren. Dann werden sie mit Stiften oder Zapfen zusammengehalten. Im traditionellen Zimmerer-Handwerk werden solche schrägen Verbindungen als Schäftung bezeichnet, oder ihre spezifischen Varianten beispielsweise als schräges Blatt oder Gerberstoß. 

Bei der traditionellen Fertigung von Kettenhemden werden die geöffneten Einzelglieder mit dem vorhergehenden Ring verbunden und anschließend sorgfältig verschweißt. An derartigen traditionellen Rüstungen besteht in der heutigen Zeit zwar kaum noch Bedarf, doch das Herstellen von Ketten oder größeren Kettenhemden für die Prototypenentwicklung oder für Modezwecke ist mit 3D-Druck einfacher und schneller möglich. 

Der 3D-Druck ineinandergreifender Bauteile bietet viele Vorteile beim Design großer Produkte oder komplexer Baugruppen. Ein Hauptvorteil ist, dass sich ineinandergreifende Merkmale umsetzen lassen, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht möglich sind. Bei manchen formschlüssigen Verbindungen können die Vertiefungen, in die ein Vorsprung, eine Lasche oder eine Rippe eingreift, mit spanenden Verfahren oder Gussverfahren nicht umgesetzt werden. Auch im untenstehenden Beispiel kann das ineinandergreifende Teil nur mit 3D-Druck hergestellt werden. 

Der 3D-Druck von Verbindungen mit guter Passung ist einfach, wenn man einige grundlegende Design-Prinzipien verstanden hat und weiß, wie man den richtigen 3D-Drucker und das richtige Material für das jeweilige Projekt wählt.

Schmelzschichtung (FDM), Stereolithographie (SLA) und selektives Lasersintern (SLS) können alle zum Erstellen von ineinandergreifenden Teilen verwendet werden. Die einzelnen Technologien bieten jedoch spezifische Vorteile für unterschiedliche Anwendungen.

Ein wichtiger Faktor beim 3D-Druck von ineinandergreifenden Teilen ist die Toleranz – die zulässige Abweichung vom Nennmaß. Bei spritzgegossenen Teilen liegt die Toleranz in der Regel bei 0,1 mm. Beim 3D-Druck wirken jedoch mehr Faktoren auf den Fertigungsprozess ein. Die Hitzeeinwirkung zum Extrudieren, Aushärten oder Sintern des Kunststoffs kann zur Schrumpfung der Verbindungskomponente führen, oder ein Bindemittel kann das Volumen vergrößern, sodass die Abmessungen größer als beabsichtigt ausfallen. Da einige 3D-Drucker in der Lage sind, Verbindungen in einem Stück zu drucken, bieten sie allerdings immer noch erhebliche Vorteile gegenüber dem Spritzguss zweier separater Teile, die dann durch einen Verbindungsmechanismus zusammengefügt werden.

Wie unsere Beispiele zeigen, kann das Design einfacher ineinandergreifender Merkmale für den 3D-Druck recht einfach sein. Bei der Konstruktion von Verbindungen für den 3D-Druck ist vor allem die Toleranz der 3D-Drucktechnologie und des Materials zu berücksichtigen. Dabei spielt auch eine Rolle, was für ein Teil Sie drucken – ob es etwa sehr groß und klobig oder kleiner und dünner ist. Dies wirkt sich auf die Toleranzen aus, sodass Sie Ihr Design entsprechend anpassen können – wobei sowohl die SLA- als auch SLS-Drucker von Formlabs enge Toleranzen erreichen und eine einheitlich hohe Genauigkeit aufweisen.

Für kleinere, dünnere Teile können Sie Abstände von 0,2 mm verwenden, wenn Sie mehrteilige Baugruppen mit ineinandergreifenden Teilen konstruieren. Bei größeren, klobigeren Komponenten ist es ratsam, die Toleranzen etwas größer zu anzusetzen, bis zu 0,4 mm. 
Formlabs' SLS-3D-Drucker Fuse 1+ 30W eignet sich ideal für den Druck von ineinandergreifenden Teilen, die in einem Stück gedruckt werden, wie das verkettete Hacky Sack im zweiten Beispiel. Ineinandergreifende Ringe können ohne Stützstrukturen gedruckt werden und lassen sich im Fuse Blast ganz einfach nachbearbeiten, ohne dass manuelle Arbeiten nötig sind, um ungesintertes Pulver aus Ringen zu entfernen.

Formlabs' SLA-Drucker wie der Form 4 und Form 4L eignen sich gut für den Druck von Teilen mit extrem scharfen Kanten und glatten Oberflächen, was bei Teilen, die mit minimaler Reibung zusammengeschoben werden sollen, ein großer Vorteil ist.

Erfahren Sie mehr über die SLA- und SLS-3D-Drucker von Formlabs auf unserer Webseite. Um ein kostenloses 3D-gedrucktes SLA- oder SLS-Musterteil mit Verzahnungen zur Begutachtung zu erhalten, fordern Sie auf unserer Webseite einen Probedruck an.