Einsätze im 3D-Druck

Die additive Fertigung hat viele Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit, mehrere Teile in einem einzigen Druckvorgang zu drucken oder komplexe Geometrien wie z. B. ein Gewinde. Im letzteren Fall ist die Konstruktion der Gewinde jedoch nicht so ausgelegt, dass eine regelmäßige Montage möglich ist, da sie aus Kunststoff bestehen und sich verformen, ihre Abmessungen verlieren oder sogar brechen können. 

Wenn man in der Welt des 3D-Drucks eine bestimmte Art von Teilen herstellen möchte, gibt es zahlreiche Gelegenheiten, bei denen es notwendig ist, starke Verbindungen zu verwenden, um abnehmbare Teile herzustellen oder die dauerhafte Verbindung von großvolumigen Elementen zu gewährleisten.

Mechanische Komponenten, die mit herkömmlichen Technologien hergestellt werden, dienen als Träger für Teile aus der additiven Fertigung. Und im speziellen Fall des Fügens von Teilen sollte man die Einsätze hervorheben.

Was sind Einsätze?

Eine Alternative zum Einbau von Muttern in der Mitte eines Drucks ist die Verwendung von Metalleinsätzen. Metalleinsätze sind Befestigungselemente mit Gewinde, die in ein Loch eingesetzt werden, um das Teil mit einer möglichen Schraubverbindung zu versehen.

Bild 1: Einsätze. Quelle: Filament2print.

Bei der Auswahl des besten Einsatzes sind zwei wichtige Faktoren zu berücksichtigen: Ausreißfestigkeit und Verdrehsicherheit. 

• Der Auszugswiderstand ist der Widerstand, den der Einsatz dem Herausziehen aus seinem Gehäuse entgegensetzt, wenn die Schraube angezogen wird. Dieser Wert kann durch Vergrößerung der Länge des Einsatzes erhöht werden.

• Der Drehwiderstand ist der Widerstand des Einsatzes, sich beim Anziehen der Schraube um sich selbst zu drehen. In diesem Fall gilt: Je größer der Durchmesser der Wendeschneidplatte, desto größer die Drehmomentkapazität, da eine größere Fläche am Werkstück befestigt wird.

Im Allgemeinen werden Faktoren wie der Durchmesser und die Größe des Einsatzes berücksichtigt (hierzu muss das technische Datenblatt des Herstellers herangezogen werden). Und Materialien, sowohl des Einsatzes als auch des Kunststoffs, in dem der Einbau erfolgen soll. Es gibt eine große Auswahl an Einsätzen, die in jedes Material eingebaut werden können, sei es Metall, Holz, Kunststoff oder ähnliches. Das gebräuchlichste Material für die Herstellung von Einsätzen ist Messing, aber auch andere Werkstoffe wie Edelstahl (korrosionsbeständig) oder Aluminium (geringeres Gewicht) sind im Kommen. 

Für FDM (bei der Herstellung mit thermoplastischen Materialien) wäre fast jeder Einsatz geeignet, aber bei der Herstellung mit SLA (bei der duroplastische Materialien verwendet werden und daher nach dem Druck nicht mehr durch Hitze oder Druck verändert werden können) können nur selbstschneidende oder schraubenförmige Einsätze installiert werden.

Es ist sehr wichtig zu betonen, dass, obwohl ein Einsatz aus fast jedem Material in FDM verwendet werden kann, das Einsetzverfahren immer problematischer sein wird als bei SLA-Teilen. Dies ist auf die Nicht-Isotropie des Teils zurückzuführen, was bedeutet, dass der Druck, der auf eine kalt platzierte Einlage ausgeübt wird, so groß ist, dass das Teil delaminiert.

Es gibt viele Arten von Einlagen, und die gängige Klassifizierung richtet sich nach der Art der Einlage.

Arten von Einsätzen

Wärmeeinsätze: Wärmeeinsätze werden bei thermoplastischen Materialien verwendet, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen. Die Anwendung ist sehr einfach und erfordert nur einen Lötkolben oder eine andere Wärmequelle (Modifi3D Pro), die den Einsatz durch Kontakt und Wärmeübertragung erwärmt. Um diese Art von Einsatz zu platzieren, muss eine Bohrung im Teil vorhanden sein, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des Einsatzes. Drücken Sie den Einsatz mit einem Einsetzwerkzeug unter kontrolliertem Druck (da das Teil um das Loch herum schmelzen kann) über den Rand des Lochs, um den Kunststoff zu expandieren. Die Einlage wird beim Abkühlen zwischen den Fasern des Kunststoffs eingeklemmt. Die Einlage befindet sich in der richtigen Position, wenn beide Kanten, Teil und Einlage, auf gleicher Höhe liegen. Bei richtiger Positionierung dieser Art von Einsätzen kann eine Zugfestigkeit von 15 kg und eine Torsionsfestigkeit von 2,5 kg erreicht werden. Das bedeutet, dass die Länge des Einsatzes keine Einschränkung darstellt, selbst wenn die zu schneidende Schraube tiefer eingedreht werden muss als die Länge des Einsatzes selbst.

Bild 2: Wärmeeintrag. Quelle: Filament2print.

Druck: Druckeinsätze oder Nieten erfordern ein Loch mit demselben Durchmesser wie die Niete. Ihre Montage ist sehr einfach, da sie wie alle Nieten einfach mit einem Druckwerkzeug eingedrückt werden müssen. Wie im vorigen Fall befindet sich der Einsatz an der richtigen Stelle, wenn die beiden Kanten auf gleicher Höhe liegen. Es ist sehr wichtig, dass beim Einbau der Einsätze darauf geachtet wird, dass die Einsätze richtig gepresst werden, da die Teile in der Nähe der Löcher gequetscht werden können.

Selbsteinfädeln: Für bestimmte Materialien, die im SLS- und Harz-3D-Druck verwendet werden und bei sehr hohen Temperaturen schmelzen oder bei Erwärmung kein stabiles Verhalten zeigen, sind selbstschneidende Einsätze ideal. Diese Einsätze zeichnen sich durch ein Innen- und Außengewinde aus, das den Einbau in das Teil erleichtert. Sie werden mit einem ensat-Gewindeschneidwerkzeug eingesetzt. Das Teil muss mit einer Bohrung hergestellt werden, die den gleichen Nenndurchmesser wie die Einlage hat, da diese Einlagen beim Einbau ein Gewinde im Kunststoff erzeugen, was zu einer Baugruppe führt, die im Vergleich zu Wärmeinsätzen viel größeren Belastungen ausgesetzt werden kann.  Außerdem sind diese Einsätze aus rostfreiem Stahl gefertigt, einem Material, das sehr widerstandsfähig gegen Verschleiß und aggressive Umgebungen ist.

Bild 3: Selbstschneidender Einsatz und Werkzeug. Quelle: Filament2print.

Helicoil: Wie selbstschneidende Einsätze haben auch Helicoil-Einsätze 2 Gewinde und funktionieren auf dieselbe Weise. Die Bohrung im Werkstück muss entsprechend der Norm des gewählten Helicoils dimensioniert sein. Zur Montage des Einsatzes muss das Gewinde zunächst mit einem Gewindebohrer in der Bohrung hergestellt und dann mit einem Werkzeug eingebaut werden. Schließlich wird der kleine Flansch an der Unterseite des Einsatzes, der als Anschlag für das Einbauwerkzeug dient, abgebrochen. Diese Einsätze sind zwar nicht ganz billig, aber ihr Aussehen und ihre Zweckmäßigkeit sind bemerkenswert.

Empfehlungen

Hinsichtlich des Durchmessers der Löcher ist zu berücksichtigen, dass es beim Druck des Teils zu Maßabweichungen zwischen dem 3D-Entwurf und dem Teil kommen wird, so dass beim Entwurf der Löcher eine Toleranz angewendet werden muss. Außerdem muss das Loch für den Einbau des Einsatzes ausreichend lang sein, wobei auch die zusätzliche Länge des Schraubenvorsprungs zu berücksichtigen ist. Ein weiterer Punkt, der bei der Konstruktion zu berücksichtigen ist, ist die Wandstärke. Versuchen Sie, die Werte so hoch anzusetzen, dass das Loch bei der Bearbeitung nicht in die Füllung des Teils eindringt.

Bild 4: Wärmeeinbringung des Einsatzes. Quelle: Markforged.

Bei der Installation ist es sehr wichtig, bestimmte Aspekte wie die Positionierung und die Geschwindigkeit des Betriebs zu beachten. Achten Sie immer darauf, dass der Einsatz so weit wie möglich zentriert und senkrecht zum Loch steht. Dies gilt für Wärme-, Druck- oder Gewindeeinsätze, da das Einsetzen des Einsatzes zu einem Überdrehen und zur Beschädigung des Gewindes oder sogar zu einem späteren falschen Einsetzen der Verbindungsschraube führen kann. Die Tatsache, dass die Teile aus Kunststoff bestehen und der Einsatz ein Metallelement ist, wirkt sich auf die Geschwindigkeit der Installation aus, da die Härte des Metalls die gedruckten Teile beschädigen kann. Aus diesem Grund sollte die Geschwindigkeit kontrolliert werden, um die Wände des Lochs nicht zu beschädigen.

Wie wir alle wissen, entwickelt sich der 3D-Druck weiter, und Lösungen wie diese machen den Unterschied aus, wenn es darum geht, Teile mit höherer Komplexität zu erhalten, die den Anforderungen der Industrie besser entsprechen.