Wie Sie Schnappverbindungen für Gehäuse, Deckel und mehr entwerfen und 3D-drucken

Schnappverbindungen sind in den Produkten des täglichen Lebens extrem weit verbreitet – die meisten Menschen sind sich vermutlich nicht einmal bewusst, dass es sich bei diesen allgegenwärtigen Mechanismen um Schnappverbindungen handelt. Sie finden sich in zahllosen Konsumgütern unseres Alltags und in industriellen Anwendungen – von Deckeln von Lebensmittelbehältern über Sitzgurte bis hin zu Türriegeln – Schnappverbindungen kommen überall zum Einsatz.

Da der 3D-Druck immer leistungsfähiger und zugänglicher geworden ist, können heute immer mehr Menschen eigene funktionale Prototypen oder Endverbrauchsteile entwerfen. Das Design hochwertiger, funktionsfähiger Schnappverbindungen will jedoch gelernt sein. Im folgenden Leitfaden gehen wir darauf ein, was eine Schnappverbindung ausmacht, wann und wie sie am sinnvollsten ist, welche Designrichtlinien für eine erfolgreiche Schnappverbindung zu beachten sind und welche 3D-Drucktechnologien und Materialien die beste Leistung erbringen.

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Es gibt keine festen „richtigen“ Abmessungen für Schnappverbindungen – die optimale Breite, Länge und Form der verschiedenen Komponenten Ihrer Schnappverbindung hängt von der Art des Materials und der Gesamtgröße ab. Es gibt jedoch einige grundlegende Richtlinien, die bei der Konstruktion von Schnappverbindungen eingehalten werden sollten, insbesondere beim 3D-Druck.

1. Ein längerer Haken verringert die auf die Basis wirkende Belastung.
2. Eine geringere Höhe reduziert die Belastung und den Kraftaufwand für die Montage und Demontage der Schnappverbindung.
3. Die Breite der Basis hat keinen Einfluss auf die Toleranz gegenüber Belastungen auf die gesamte Struktur.
4. Verjüngen Sie den Haken oder erstellen Sie einen „trapezförmigen“, verlängerten Haken anstelle eines geraden/parallelen/rechteckigen Hakens.
5. Optimieren Sie die Kanten Ihres Hakens durch Krümmungen anstelle von Abrundungen.
6. Es gibt kein perfektes Spiel für alle Anwendungen – manche Anwendungen erfordern mehr Kraft als andere, um den Haken von der Hinterschneidung abzulösen, und manche sind so konzipiert, dass sie sich leicht demontieren lassen. 
7. Im Zweifelsfall gilt die Devise: Testen und iterieren!

In diesem Projekt werden wir ein Gehäuse für einen Pine 64 konstruieren, einen Einplatinencomputer (laden Sie die STL-Datei auf Pinshape herunter, um mitzumachen). Wir verwenden in diesem Tutorial Solidworks, das im Produktdesign und im Ingenieurwesen sehr beliebt ist. Sie können jedoch auch jedwede ähnliche CAD-Software verwenden.

Verwenden Sie zuerst einen Digital-Messschieber oder setzen Sie ein Lineal ein, um Ihre elektronische Komponente zu vermessen. Wir beginnen das Gehäusedesign durch präzises Reverse Engineering der Leiterplatte, indem wir die Platinengröße, die Lage aller Montagelöcher sowie aller Ports oder Steckverbindungen vermessen, die durch das Gehäuse zugänglich sein müssen. Sie können ebenso einfach die maximalen Gesamtabmessungen als Box nehmen, jedoch ist es wichtig zu wissen, wo sich die wesentlichen Merkmale der Komponente befinden, um diese unterzubringen. Reproduzieren Sie diese Maße in Solidworks als Gruppierung von Basis-Boxen in einer einzelnen Bauteildatei.

Beim Drucken von Teilen mit Schnappverschluss mit SLA-3D-Druckern sind die Maßtoleranzen mehr als ausreichend, um die kleinen Löcher und andere Merkmale umzusetzen, die das Design erfordert. Wenn Sie sich bei Ihrem Teil nicht sicher sind, ziehen Sie die Designrichtlinien zu Rate, z. B. diesen Designleitfaden zum Form 4 für den SLA-3D-Drucker von Formlabs und diesen Designleitfaden für die Fuse-Serie von Formlabs.

Die Druckausrichtung wirkt sich nicht nur auf die Qualität und die Druckbarkeit der Teile aus, sondern auch auf die mechanischen Eigenschaften, die Nachbearbeitungszeit beim Entfernen der Stützstrukturen und die Druckdauer. SLA-Bauteile mit Schnappverbindung sollten in einem leichten Winkel zur Konstruktionsplattform ausgerichtet werden, um die Abzugskräfte zu verringern, die zu Verformungen oder einer verringerten Genauigkeit führen können. SLS-Bauteile mit Schnappverbindung sind selbststützend, sollten aber bei bestimmten Materialien, wie Nylon 11 CF Powder, so ausgerichtet werden, dass die Spannungsrichtung parallel zur Oberseite der Konstruktionskammer verläuft, sodass die Kohlenstofffasern in diese Richtung ausgelegt sind und die Festigkeit insgesamt maximiert wird.

Entwerfen Sie Ihr Gehäuse mit Schnappverbindung als Baugruppe, wobei jede Gehäusehälfte als separates Teil modelliert wird. Berücksichtigen Sie Folgendes:

1. Wie groß soll die Toleranz zwischen dem Umfang der Leiterplatte und dem Gehäuse sein? Sowohl die SLA- als auch die SLS-3D-Drucker von Formlabs können problemlos Toleranzen von 0,4 mm erreichen, während sich FDM-3D-Druckteile leicht verziehen können und daher eher eine konservativere Toleranz von 1,5 mm bis 2,0 mm erfordern.

2. Schneiden Sie Anschlussöffnungen aus – berücksichtigen Sie dabei den Platzbedarf für Kabelmaterial um die Anschlussöffnung herum sowie für den Anschluss selbst. Zusätzliche 2,0 mm um die Öffnung herum stellen einen guten Ausgangspunkt dar.

3. Entscheiden Sie, ob Sie eine größere untere Gehäusehälfte erstellen möchten, in die alle Anschlüsse passen, oder eine Gehäusehälfte wie in der obigen Abbildung, bei der einige Anschlüsse etwas herausragen. Hier haben wir die untere Hälfte flacher gestaltet, damit die Kabel nur ein Stück ins Innere reichen müssen, sodass der Rest der vorstehenden Anschlüsse von der Oberhälfte abgedeckt wird. 

Das obere Gehäuse erhält die identischen Ausschnitte zur Unterbringung der größeren Anschlüsse, sowie Zusatzmaterial zum Schließen der in der unteren Gehäusehälfte verbleibenden Lücken. Der eingesunkene Teil in der Mitte ist optional, verleiht dem Gehäuse aber ein etwas organischeres und interessanteres optisches Detail.

Sie können alle erwähnten Arten von Schnappverbindungen verwenden, aber hier haben wir uns für die einfachste Variante entschieden – eine interne auskragende Schnappverbindung, die bei minimalem Materialverbrauch Festigkeit bietet. Das Design der Schnappverbindung ist auf beiden Seiten des Gehäuses gleich. Um die Festigkeit der Schnappverbindung zu erhöhen, können Sie den Überstand verlängern, sodass es mehr Kraft erfordert, ihn aus dem Hohlraum zu lösen.

Bei dieser Baugruppe mit Schnappverschluss beträgt der Überstand des Auslegers nur 1,2 mm, aber 2 mm oder mehr würden die Schnappverbindung deutlich fester machen – eine richtige Antwort gibt es nicht; das optimale Design hängt von Ihrem Anwendungsfall ab und davon, wie leicht sich das Gehäuse öffnen soll.

Bei diesem speziellen Design nehmen die Pins der Leiterplatte eine Menge Raum ein, sodass die Schnappverriegelung gerade so einrastet, aber dennoch ausreichend Kraft bietet, um das Gehäuse zusammenzuhalten. Die Auslegerverbindung ist 20 mm lang extrudiert, was die Festigkeit erhöht.

Oben sehen Sie eine abschnittsweise Explosionsansicht der Schnappverbindung im Gehäuse, zusammen mit der Leiterplatte, die die Position der Pins (in schwarz) zeigt, welche die Größe des Auslegerelements begrenzen. Alternativ zur Einrastaussparung im Inneren des unteren Gehäuses lässt sich dieses Detail auch durch die Außenseite einschneiden, wodurch sich die Einrastelemente länger gestalten lassen.

Fügen Sie Laschen – kleine Extrusionen, die in das gegenüberliegende Teil eingefügt werden – in Ihren Entwurf ein, um ein Verrutschen der beiden Hälften zu verhindern. Da wir zwei Laschen auf gegenüberliegenden Seiten erstellt haben, benötigen Sie diese gegebenenfalls lediglich auf den beiden leeren Seiten. Im Falle dieses größeren Gehäuses haben wir sie in jeder Ecke untergebracht. Das Material reicht lediglich 3 mm nach unten, dies ist jedoch ausreichend, um eine Bewegung zu verhindern.

Obwohl zusätzliche Details, die über die Funktionalität der Schnappverbindung hinausgehen, nicht notwendig sind, können sie Ihr Design ohne allzu großen zusätzlichen Aufwand aufwerten. Sobald Ihr Teil in Ihrer 3D-Design-Software fertiggestellt ist, exportieren Sie es in PreForm und wählen Sie Ihre Drucktechnologie und Ihr Material.

PreForm, die Druckvorbereitungssoftware von Formlabs für SLA- und SLS-Druck, verfügt über zahlreiche integrierte Funktionen, wie z. B. das Hinzufügen von Texturen, das Einprägen von Produktnamen oder Beschriftungen zur Vereinfachung der Iteration und vieles mehr. Sobald Sie Ihren Druck eingerichtet haben (entweder manuell oder mithilfe der automatischen Druckvorbereitungstools von PreForm, wie automatisch generierten Stützstrukturen für SLA oder automatischer Packung für SLS), können Sie zusätzliche Details hinzufügen oder Änderungen an der Ausrichtung und den Stützstrukturen vornehmen.

Sobald Ihr Teil druckbereit ist, senden Sie es über PreForm an einen Drucker der Form-Serie oder der Fuse-Serie. Wenn der Druck abgeschlossen ist, folgt die Nachbearbeitung durch das Entfernen von Stützstrukturen sowie das Waschen und Nachhärten der Teile (SLA) oder durch das Entfernen von Pulverresten, das Sandstrahlen und das Polieren (SLS). Zusätzliche, fortgeschrittene Nachbearbeitungsmethoden wie Beschichten, Galvanisieren, Vapor Smoothing und Färben sind ebenfalls möglich und lassen Ihre Teile noch mehr wie Endprodukte aussehen. Bestimmte Verfahren, wie z. B. das Beschichten, können die Toleranzen und die Funktionalität von Schnappverbindungen beeinträchtigen, was beim Design zu berücksichtigen ist.

Der 3D-Druck bietet eine Reihe von Vorteilen bei der Herstellung von Teilen mit Schnappverbindungen wie Gehäusen, Schachteln, Deckeln und funktionalen Baugruppen. Die Fähigkeit fortschrittlicher 3D-Drucker und Druckmaterialien, komplexe, organische Formen mit engen Toleranzen, feinen Details und glatten Oberflächen zu erstellen, macht die Technologie ideal für die Herstellung solcher Teile. 3D-Druckmaterialien sind industrietauglicher und haltbarer geworden und ermöglichen eine langfristige Nutzung von Schnappverbindungen, auch bei wiederholter Verwendung.

Um mehr über die verfügbaren Materialien für den 3D-Druck zu erfahren, erkunden Sie unsere Materialbibliothek oder fordern Sie einen Probedruck an.