Schraubgewinde für 3D-Druckteile

Bei Formlabs konstruieren wir viele Funktionsteile für den 3D-Druck mit unserem Stereolithografie-Drucker (oder SLA-Drucker) Form 2. Dazu gehören u. a. interne Prototypen für unsere Forschungs- und Entwicklungsabteilung, Werkzeuge und Vorrichtungen für unsere Fertigungslinien sowie Modelle für Designprüfungen vor der endgültigen Spritzgussfertigung des Teils.

Bei vielen Anwendungen müssen wir mehrere Teile miteinander verschrauben, und da wir jetzt eine optimierte Zusammensetzung unseres technischem belastbarem Kunstharz auf den Markt gebracht haben, wird der Unterschied zwischen ästhetischen Prototypen und funktionalen Prototypen immer geringer.

Dieser Artikel soll als Leitfaden für die Anwendung von Schrauben in 3D-gedruckten SLA-Teilen dienen. Natürlich gibt es auch noch andere Möglichkeiten,mehrere 3D-gedruckte Teile aneinander zu befestigen, aber wenn die Teile wiederholt verbunden und getrennt werden müssen und robuste mechanische Verbindungen benötigt werden, sind echte Metallgewinde immer noch die beste Lösung.

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Designoptionen für Schraubgewinde

Schauen wir uns einmal die verschiedenen Designoptionen an, die wir im Laufe der Jahre im Rahmen unserer Arbeit bei Formlabs und mit den Anregungen unserer Nutzer zusammengestellt haben. Was die Reihenfolge dieser Optionen angeht, so kommt die unserer Meinung nach beste Gesamtlösung zuerst. Für jede Option führen wir dann je nach Anwendungsfall die Vor- und Nachteile auf.

Design options for screw threads

Expandierbare Gewindeeinsätze für Kunststoffe

Screw-to-Expand Inserts for Plastics

Vorteile: Feste Verankerung in 3D-gedruckten Teilen ohne Klebstoff. Metallgewinde ist robust und wiederverwendbar.

Nachteile: Einsätze können sich bei höheren Temperaturen lösen.

Drucken Sie einen Schraubdom, dessen Tiefe und Durchmesser auf den technischen Daten des Einsatzes beruhen. Waschen Sie das Druckteil mit Isopropylalkohol (IPA) und lassen Sie es ohne Aushärtung trocknen. Schieben Sie den Einsatz mit einem Kugelkopf-Schraubendreher in den Schraubdom und drehen Sie eine Schraube ein, um den Einsatz vollständig zu expandieren und im umgebenden Kunststoff zu verankern. Härten Sie das Teil dann aus, um Kriecheffekte zu reduzieren und die Verankerung des Einsatzes im Kunststoff weiter zu festigen. Sie sollten diesen Schritt zum Schluss durchführen, weil dann ein geringeres Risiko besteht, dass der Schraubdom beim Expandieren des Einsatzes bricht.

Screw-to-expand inserts for plastics

Einsätze für das Warm-Einbetten in Kunststoff

Glue in Heat-Set Inserts for Plastics

Vorteile: Sehr feste Verankerung in 3D-gedruckten Teilen. Metallgewinde ist robust und wiederverwendbar.

Nachteile Es wird Klebstoff benötigt (nicht mit Löteisen versuchen!).

Einsätze für das Warm-Einbetten werden in Thermokunststoffen eingebaut. Dafür wird ein Löteisen mit Installationsspitze verwendet. Sie können konstruktionsgemäß in Akrylplatten und in im Schmelzdruckverfahren (FDM) hergestellten Teilen verwendet werden, dürfen aber nicht in SLA-Teile aus Photopolymer eingebaut werden, weil diese bei der Erwärmung nicht schmelzen, sondern sich verbiegen.

Aufgrund der Noppen und Rippen an den Oberflächen sind diese Gewindeeinsätze jedoch sehr effektiv, solange sie entweder mit Zweikomponenten-Epoxid- oder CA-Klebstoff eingeklebt werden. Wählen Sie als Größe für den Schraubdom den größten Durchmesser des Einsatzes und tragen Sie vor dem Einbau einen kleinen Tropfen Klebstoff auf. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, muss das Teil vollständig trocken und ausgehärtet sein.

Heat-set inserts for plastics

Mutter in einem maßgefertigten 3D-gedruckten Fach

Nut in a Custom 3D Printed Pocket

Vorteile: Muttern sind für alle möglichen benötigten Schraubengrößen erhältlich.

Nachteile: Mit Seitenfächern für Muttern kann man zwar ohne Klebstoff auskommen, aber es ist möglich, dass sie das Abstützen des Teils beim Drucken erschweren.

Durch das Anlegen eines Sechskantfachs an der Rückseite einer Außenfläche, in die eine Mutter eingepresst werden kann, entsteht eine wiederverwendbare, robuste Metall-zu-Metall-Verbindung. Um zusätzliche Ausdrehfestigkeit zu erzielen, können Sie eine Vierkantmutter verwenden. Diese Mutter kann auch aus Kunststoff bestehen oder Sicherungsmerkmale aufweisen. Falls erforderlich, kann die Mutter mit etwas CA-Kleber zusätzlich fixiert werden, aber durch Modellierung eines Seitenfachs erübrigt sich die Notwendigkeit eines Klebstoffes. Für das Einpressen ist ein 0,1-mm-Versatz um die Mutter herum vorzusehen sowie eine Durchgangsbohrung um die Schraube selbst.

Gewindeschneidende oder -formende Spezialschrauben für Kunststoffe

Thread-Forming Screw Designed for Plastics

Vorteile: Man verwendet genau dieselben Kleinteile für das Prototyping wie für Spritzgussteile in der Serienfertigung. Um Schraubdome aus Belastbarem (und Polypropylenähnlichem) Kunstharz vor Beschädigungen zu schützen, sind die Anweisungen des Schraubenherstellers für das Design von Schraubdomen zu befolgen.

Nachteile: Die Schrauben sind fest verankert, aber das Gewinde ist bei wiederholtem Gebrauch nicht so widerstandsfähig wie ein Metallgewinde. Standardkunstharze können verwendet werden, unterliegen aber einem höheren Bruchrisiko.

Follow the manufacturer’s guidelines for boss dimensions and print using engineering materials with high impact strength (such as our Tough or Durable resins). Fully post-cure parts before using the screws. If you’re creating a prototype for an injection molded part that will use threadforming or threadcutting screws in its final assembly, this is a good option for printing it out and testing it.

Befolgen Sie die Schraubdom-Spezifikationen des Herstellers und drucken Sie mit technischen Materialien hoher Schlagfestigkeit (z.B. mit unserem belastbaren oder polypropylenähnlichen Kunstharz). Härten Sie die Teile vollständig aus, bevor Sie die Schrauben verwenden. Wenn Sie einen Prototyp für ein Spritzgussteil anfertigen, für dessen endgültige Montage gewindeformende oder -schneidende Schrauben verwendet werden sollen, ist dies eine gute Option für Druck und Prüfung.

Holzschrauben

Wood Screw

Vorteile: Es müssen keine Spezialschrauben für Kunststoffe gekauft werden.

Nachteile: Die Schrauben sind fest verankert, aber das Gewinde ist bei wiederholtem Gebrauch nicht so widerstandsfähig wie ein Metallgewinde.

Wir haben auch Holzschrauben in unserem Belastbaren Kunstharz getestet und dabei festgestellt, dass sie genauso gut funktionierten, wie für Kunststoff vorgesehene gewindeschneidende Schrauben. Es ist wichtig, den Bohrungsdurchmesser des Schraubdoms zu so bemessen, dass er zwischen dem Außendurchmesser (Gewinde) der Schraube und dem Innendurchmesser liegt. Die abgebildete Schraube ist eine Holzschraube Nr. 8 in einer Bohrung mit 0,16 Zoll (4,06 mm) Durchmesser.

Gedruckte Gewinde

Printed M4 Threaded Coupler

Vorteile: Dieser Ansatz ist für das Prototyping größerer Gewinde und maßgefertigter Gewindedesigns geeignet.

Nachteile: Keine dauerhafte oder wiederverwendbare Befestigungslösung, insbesondere bei kleineren Maßstäben.

Der Gewindedruck funktioniert besser mit unseren Standardkunstharzen als mit dem belastbaren Kunstharz, weil die Standard-Kunstharzen weitaus härter sind. Aber auch diese Gewinde sind, je nach Größe, relativ empfindlich und nicht die beste Option für ein dauerhaftes, wiederverwendbares Befestigungssystem.

Generell müssen Funktionsteile für Gewindegrößen ab ¼–20 nicht ausgehärtet werden. Bei kleineren Schrauben sollten die Gewinde maßgefertigt werden, um eine bessere Verbindung zu erzielen. So wird beim Drucken eines halbkreisförmigen Gewindeprofils (Schraube und Mutter) mit einem Versatz von 0,1 mm ein besserer Gewindeeingriff mit besseren Verschleißeigenschaften erreicht. Bei allen Schrauben empfiehlt es sich, die Teile so auszurichten, dass die Stützstrukturen möglichst keine Gewindegänge berühren.

Passung und Toleranz: Design- Optimierung für funktionale 3D-gedruckte Bauteile

Die Entwicklung von Toleranz und Passgenauigkeit verringert die Nachbearbeitungszeit und vereinfacht die Montage und reduziert die Materialkosten der Iteration.

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Schlussbemerkung

Wir hoffen, dass Ihnen dieser Leitfaden einen nützlichen Überblick über einige der mechanischen Befestigungsoptionen gegeben hat, die für 3D-gedruckte Teile zur Verfügung stehen. Wenn Sie an dem Modell interessiert sind, das wir für die Tests verwendet haben, >laden Sie die .STL-Datei herunter

.STL File herunterladen

Sie können die in diesem Leitfaden erwähnten Teile über die nachstehenden Links bei McMaster bestellen.

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