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3D-Druck von Kunststoffteilen mit aktiven Scharniergelenken

Erfahren Sie, wie Sie mit Hilfe der additiven Fertigung Ihre Scharnierdesigns schnell prototypisieren und verbessern können

Mittels Selektiven Lasersintern (SLS) oder Multi Jet Fusion (MJF) 3D-gedruckte Prototypen, enthalten häufig aktive Scharniergelenke, die später spritzgegossen werden. Mithilfe des Spritzgussverfahren lassen sich aktive Scharniergelenke anfertigen, die extrem dünn sind und trotzdem eine lange Lebensdauer haben. Es ist zwar durchaus möglich, robuste und funktionsfähige aktive Scharniergelenke mit den Verfahren SLS und MJF herzustellen, dies erfordert in der Designphase allerdings eine sorgfältige Planung. Hierzu kann es sogar notwendig sein, in der Prototypenphase einen provisorischen Entwurf des Scharniers anzufertigen, um das Design später, vor Beginn der Spritzgussphase, zu überarbeiten. 
Berücksichtigen Sie beim Entwerfen eines aktiven Scharniergelenks zuallererst, dass es der dünnste Bereich des Teils sein muss. Wenn das aktive Scharniergelenk in etwa dieselbe Dicke wie die übrige Geometrie hat, wird sich das Teil beim Versuch, das Gelenk zu benutzen, verziehen und verbiegen. 

WARUM 3D-DRUCK FÜR AKTIVE SCHARNIERE?
  • Schnelle Design Iterationen
  • Prototypenteile aus Kunststoff vor dem Spritzguss
  • Verwendung von funktionaler Endanwendung, bei geringer Bedarfsmenge 

 

Die zum Umbiegen eines Scharniers benötigte Kraft ist nicht nur proportional zur Dicke des Gelenks, sondern auch zu dessen Breite. Prüfen Sie die Möglichkeit , das Scharnier in mehrere kleinere Gelenke aufzuteilen. Wenn Sie z.B. aus einem 20,3 mm Scharnier drei 5,08 mm Scharniere machen und zwischen jedem Scharnier 2,54 mm Abstand lassen, verlängert sich nicht nur die Funktionsdauer des Teils (sollte eines von mehreren Scharnieren irgendwann versagen, ist das Teil möglicherweise weiterhin brauchbar), sondern es verbessert sich außerdem die Leistungsfähigkeit des Teils. Der Grund hierfür ist, dass zum Bestätigen des Scharniers weniger Kraft benötigt wird und Verschlüsse, Schnappverbindungen und die Geometrie als Ganzes somit weniger starken Belastungen ausgesetzt sind. 

Beachten Sie, dass ein aktives Scharniergelenk ähnlich wie eine Feder funktioniert und eine permanente Spannung auf die Schnappverbindungen oder sonstigen Verschlüsse, die das Teil in der umgebogenen Position halten, ausübt. Diese Verschlüsse müssen robust genug sein, um der federartigen Kraft des Scharniers stand zuhalten. 

multi jet fusion (MJF) schwarzes aktives Scharnier
Wir empfehlen die Verwendung von Multi Jet Fusion für 3D gedruckte Teile mit aktiven Scharnieren, da die Technologie eine Mindestgröße aufweist

Werkstoffe für 3D-gedruckte aktive Scharniergelenke

Beim 3D-Druck von Teilen mit aktiven Scharniergelenken eignet sich als Material am besten PA12, das für die MJF-Technologie verfügbar ist. Scharniere können auch aus den SLS-Werkstoffen PA11 Schwarz und - mit Einschränkung - PA12 Weiß hergestellt werden. Sie haben dann jedoch sehr wahrscheinlich eine kürzere Lebensdauer und es ist mehr Sorgfalt bei der Konstruktion sowie beim umliegenden Teils erforderlich. 

Wir empfehlen, PA12 mit 40% Glasfaser bei Teilen mit aktiven Scharniergelenken zu vermeiden, da das Kunststoff zu steif ist und eher zerbricht als sich zu biegen. Schließlich wäre es zwar technisch möglich, ein aktives Scharniergelenk aus einem Elastomer wie TPU anzufertigen, dieser Werkstoff eignet sich allerdings nur selten für die restliche Geometrie. 

 

 

SO BERECHNEN SIE DIE LÄNGE EINES AKTIVEN SCHARNIERGELENKS

Aktive Scharniergelenke werden beim Gebrauch ständig beansprucht. Eine Seite des Scharniers wird komprimiert, während die andere Seite Spannungen ausgesetzt ist. Aus diesem Grund sollten aktive Scharniergelenke so dünn wie möglich sein. Das heißt, dass die Dicke des Gelenks der minimalen Funktionsgröße der Technologie entsprechen sollte (0,508 mm bei MJF und 0,762 mm bei SLS). Dies ist einer der Gründe, warum MJF die beste additive Fertigungstechnologie für aktive Scharniergelenke darstellt. 

Die Formel L=πR ist das ideale Verhältnis zwischen Scharnierlänge und Platzierung. Das Scharnier bildet so in der geschlossenen Position einen Halbkreis. Bei Berücksichtigung dieser Formel wird die Belastung gleichmäßig über das Scharnier hinweg verteilt und die Belastung an den Befestigungspunkten minimiert. Die folgende Abbildung zeigt das Verhältnis zwischen Scharnierlänge und Platzierung. 

Zu Abbildung 1:

  • A – gibt die Mitte der Dicke des aktiven Scharniergelenks an. 
  • B – gibt die Passflächen des Teils an.
  • R – gibt den Abstand von der Passfläche (B) an der Seite des Teils entlang bis zur Mittellinie des aktiven Scharniergeleks (A) an. Dies ist der spätere Biegeradius des umgebogenen Scharniers. 
  • L – gibt die Länge des Scharniers an.
  • Schwarz– kennzeichnet einen Querschnitt des Teils/Scharniers in der nicht umgebogenen oder offenen Stellung.
  • Gelb – kennzeichnet einen Querschnitt des Teils/Scharniers in der umgebogenen oder geschlossenen Stellung.


Ist das Scharnier zu kurz oder der Abstand R entlang der Wand zum Befestigungspunkt zu groß (L < πR), ist das Scharnier in der geschlossenen Stellung Spannungen ausgesetzt, die konzentriert an den Befestigungspunkte auftreten, wie in Abbildung 2.1 gezeigt. Ist das Scharnier zu lang oder liegen die Befestigungspunkte zu nahe an der Passfläche (L > πR), tritt die Spannung konzentriert an den Befestigungspunkten sowie in der Mitte des Scharniers auf. Dies verringert zudem die Funktionsfähigkeit des Teils, da das überschüssige Scharniermaterial wie eine Feder wirkt und die Passflächen auseinanderdrückt, wie in Abbildung 2.2 gezeigt. 

3d printing living hinges illustrationUnter Berücksichtigung dieser Konzepte haben wir herausgefunden, dass sich bei der Herstellung aktiver Scharniergelenke mittels MJF gute Resultate erzielen lassen, nachdem die Eigenspannung durch die Anwendung der Länge von L=1,27 mm und der Formel L=πR reduziert wurde. Das heißt, dass der Mindestabstand für R in der Formel 0,4064 mm beträgt. Durch die Art und Weise, wie die Außenseite des Scharniers im Verhältnis zur Mittellinie des Scharniers gedeht wird, wird das Material bei kleineren Scharnieren (kürzere Länge in der Formel L=πR) stärkeren Eigenspannungen ausgesetzt als bei größeren Scharnieren. 

Größere Scharniere setzen das Material geringeren Spannungen aus, wodurch sie tendenziell eine längere Lebensdauer haben. Ab einem gewissen Punkt wird das Scharnier jedoch zu groß und verringert allein wegen der Größe des Scharniermerkmals möglicherweise die Funktionalität und Ästhetik des Teils. 

Eine Formel für rechtwinklige und andere aktiven Scharniergelenke 

Bisher haben wir nur über Scharniere mit einer 180-Grad-Biegung gesprochen; all diese Prinzipien können jedoch genauso für jede andere Biegung, wie z.B. ein 90-Grad-Scharnier angewendet werden. Wie lautet also die allgemein gültige Regel für Scharniere? 

Eine 180-Grad-Biegung (Abbildung 3) entspricht einem halben Kreisumfang. Bei einer 90-Grad-Biegung muss das Scharnier also ein Viertel eines Kreisumfangs betragen. Als allgemeine Formel für die Länge eines aktiven Scharniergelenks auf der Grundlage seines Biegeradius (oder umgekehrt) müssen wir auf unsere oben bereits genannte Formel zurückgreifen:  L=πR.

Da dieser aber lediglich die richtige Antwort für eine 180-Grad-Biegung liefert, müssen wir berücksichtigen, wie viel von 180 der jeweiligen Grad der Biegung entspricht. Das heißt, wir müssen diesen Wert durch 180 teilen. Eine Formel, die für alle Biegungen angewendet werden kann, lautet: L=(Grad der Biegung/180)πR.

Es gibt zwar keine garantierte Mindeszahl von Biegezyklen, denen Ihr Scharnier standhalten wird, doch durch die Einhaltung dieser Richtlinien können Sie zu einer Maximierung der Lebensdauer Ihrer 3D-gedruckten Designs mit Scharnieren beitragen. Wenn Sie Ihr 3D-Druckdesign im Detail besprechen möchten, wenden Sie sich bitte an unseren Anwendungstechnicker unter+49 (89) 902205 0 oder per Email an [email protected].

3d printing process living hinges animated illustration