3D-Druck von Nylonteilen mit aktiven Scharnieren

Prototypen, die mit selektivem Lasersintern (SLS) oder Multi Jet Fusion (MJF) 3D-gedruckt werden, enthalten oft lebende Scharniere, die später im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Im Spritzgussverfahren können aktive Scharniere hergestellt werden, die dünn sind und dennoch eine lange Lebensdauer haben. Es ist zwar möglich, robuste und funktionelle lebende Scharniere im SLS- und MJF-Verfahren herzustellen, doch muss in der Entwurfsphase mehr Sorgfalt walten gelassen werden. Dies kann sogar erfordern, dass das Scharnier in der Prototyping-Phase erst entworfen und dann neugestaltet wird, bevor es zum Spritzgießen kommt. Der erste Grundsatz, der bei der Konstruktion eines beweglichen Scharniers zu beachten ist, ist, dass es sich um den schwächsten Bereich des Bauteils handeln muss. Wenn das aktive Scharnier ungefähr die gleiche Dicke hat wie der Rest der Geometrie, wird sich das Teil verziehen oder verbiegen, wenn versucht wird, das Scharnier zu benutzen.

Die zum Biegen eines Scharniers erforderliche Kraft ist nicht nur proportional zur Dicke des Scharniers, sondern auch zu seiner Breite. Erwägen Sie die Möglichkeit, ein Scharnier in mehrere kleinere Scharniere zu verwandeln. Wenn man zum Beispiel ein 20,322-mm-Scharnier in drei 5,08-mm-Scharniere umwandelt und zwischen jedem Scharnier 2,54 mm frei lässt, verlängert das nicht nur die Lebensdauer des Bauteils - wenn eines der vielen Scharniere ausfällt, kann das Bauteil immer noch eingesetzt werden -, sondern könnte auch die Leistung des Teils verbessern. Das liegt daran, dass zur Betätigung des Scharniers weniger Kraft erforderlich ist und daher die Schnappverschlüsse, Druckknöpfe und die Geometrie insgesamt weniger belastet werden.

Beachten Sie, dass sich ein lebendes Scharnier ähnlich wie eine Feder verhält und eine konstante Spannung auf die Druckknöpfe, Klammern oder andere Befestigungselemente ausübt, die das Teil in der gebogenen Position halten. Diese Befestigungselemente müssen robust genug sein, um der federähnlichen Kraft des Scharniers entgegenzuwirken.

Wir empfehlen die Verwendung von Multi Jet Fusion für 3D gedruckte Teile mit aktiven Scharnieren, da die Technologie eine Mindestgröße aufweist

Materialien für 3D-gedruckte lebende Scharniere

Für den 3D-Druck von Teilen mit lebenden Scharnieren eignet sich am besten das Nylonmaterial PA 12, das in MJF erhältlich ist. Scharniere können auch aus den SLS-Materialien PA 11 Schwarz und weniger bevorzugt PA 12 Weiß hergestellt werden, allerdings haben sie höchstwahrscheinlich eine kürzere Lebensdauer und es ist mehr Sorgfalt bei der Gestaltung der Scharniere erforderlich.

Wir empfehlen, PA 12 40% Glass Filled für Bauteile mit lebenden Scharnieren zu vermeiden, da das Nylon zu steif ist und eher bricht als sich biegt. Und obwohl Sie technisch gesehen ein lebendes Scharnier aus einem Elastomer wie TPU herstellen könnten, ist das Material nur selten für den Rest der Geometrie geeignet.

BERECHNUNG DER LÄNGE DES LEBENDEN SCHARNIERS

Aktive Scharniere sind im Gebrauch einer ständigen Belastung ausgesetzt. Eine Seite des Scharniers steht unter Druck, während die andere Seite unter Spannung steht. Aus diesem Grund sollten Scharniere so dünn wie möglich sein. Das bedeutet, dass die Dicke des Scharniers der Mindestgröße der Technologie entsprechen sollte (0,508 mm für MJF und 0,762 mm für SLS). Dies ist einer der Gründe, warum MJF die überlegene additive Fertigungstechnologie für aktive Scharniere ist.

Die Formel L = πR ist das ideale Verhältnis zwischen Scharnierlänge und Platzierung. Dadurch kann das Scharnier in geschlossener Position einen Halbkreis bilden. Wird diese Formel befolgt, verteilt sich die Spannung gleichmäßig entlang des Scharniers und die Spannung an den Befestigungspunkten wird minimiert. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Verhältnis zwischen Scharnierlänge und Platzierung.

In Abbildung 1:

Beispiel Scharniergelenke

Ist das Scharnier zu kurz oder ist der Abstand R von der Wand zum Befestigungspunkt zu groß (L < πR), steht das Scharnier in geschlossener Stellung unter Spannung, wobei sich die Spannung auf die Befestigungspunkte konzentriert, wie in Abbildung 2.1 dargestellt. Wenn das Scharnier zu lang ist oder die Befestigungspunkte zu nahe an der Gegenfläche liegen (L > πR), konzentriert sich die Spannung auf die Befestigungspunkte und die Mitte des Scharniers. Dies beeinträchtigt auch die Funktionalität des Teils, da das überschüssige Scharniermaterial wie eine Feder wirkt und die Gegenflächen auseinanderdrückt (siehe Abbildung 2.2).

Mit diesen Konzepten im Hinterkopf haben wir festgestellt, dass MJF aktive Scharniere mit guten Ergebnissen nach dem Ausglühen bis zu einer Länge von L = 1,27 mm unter Verwendung der Formel L = πR herstellen kann. Das bedeutet, dass der Mindestabstand für R in der Formel 0,4064 mm beträgt. Da sich die Außenseite des Scharniers relativ zur Mittellinie des Scharniers dehnt, belasten kleinere Scharniere (kürzere Länge in der Formel L = πR) das Material stärker als größere Scharniere.

Größere Scharniere belasten das Material weniger und haben daher in der Regel eine längere Lebensdauer. Irgendwann wird das Scharnier jedoch zu groß und kann die Funktionalität und Ästhetik des Bauteils allein aufgrund der Größe des Scharniermerkmals beeinträchtigen.

Eine Formel für rechtwinklige und andere lebende Scharniere

Bis zu diesem Punkt haben wir nur Scharniere mit einer Biegung von 180 Grad besprochen; alle diese Grundsätze können jedoch auf jeden Grad der Biegung angewandt werden, z. B. auf ein 90-Grad-Scharnier. Was ist also die allgemeine Regel für Scharniere aller Biegungen?

Bei einer Biegung von 180 Grad (Abbildung 3) entspricht dies der Hälfte des Kreisumfangs. Bei einer Biegung von 90 Grad muss das Scharnier also ein Viertel des Kreisumfangs einnehmen. Eine allgemeine Formel für die Länge eines lebenden Scharniers bei gegebenem Biegeradius (oder umgekehrt), muss unsere vorherige Formel verwenden: L = πR.

Da dies nur die richtige Antwort für eine Biegung von 180 Grad ergibt, müssen wir berücksichtigen, wie viel von 180 der betreffende Biegungsgrad ausmacht. Mit anderen Worten, wir müssen ihn durch 180 teilen. Eine Formel, die auf alle Biegungen angewendet werden kann, lautet L = (Biegung°/180)πR.

Es gibt keine garantierte Anzahl von Biegezyklen, die Ihr Scharnier aushalten kann, aber die Befolgung dieser Richtlinien wird dazu beitragen, die Langlebigkeit Ihrer 3D-Druckdesigns mit Scharnieren zu maximieren. Wenn Sie Ihr 3D-Druckdesign im Detail besprechen möchten, kontaktieren Sie unsere Anwendungsingenieure unter +49 (89) 902205 0 oder per E-Mail an [email protected].

180 Grad Biegung