Insight

3D-Druck von aktiven Scharniergelenken

Die Meister-Klasse in Produktdesign und -entwicklung 


Insight: 3D-Druck von aktiven Scharniergelenken

16.10.2020

Hallo zusammen! Es ist Freitagmittag, also Zeit für ein weiteres Insight-Video.

Diesmal sprechen wir darüber, wie Sie ein raffiniertes Designelement, nämlich aktive Scharniergelenke, mittels 3D-Druck herstellen können.

Selbst wenn Sie den Namen noch nie gehört haben, wissen Sie wahrscheinlich, was ein aktives Scharniergelenk ist. Es gibt dünne, flexible Scharniere, die aus den gleichen Werkstoffen bestehen wie die Teile, die sie verbinden – denken Sie an den Deckel einer Pfefferminzdose oder die Mitte von zusammenklappbaren Einweglöffeln, die manchmal einer Joghurtverpackung beiliegen.

Sie sind ein tolles kleines Designelement: günstig, leicht herzustellen und sehr effektiv. Doch während mittels Spritzguss aktive Scharniergelenke mit einer langen, zuverlässigen Lebensdauer an fertigen Produkten produziert werden können, ist dies beim 3D-Druck von Prototypen manchmal etwas kniffliger.

Mit Technologien, wie dem selektivem Lasersintern und Multi Jet Fusion, lassen sich zwar robuste und funktionsfähige aktive Scharniergelenke herstellen, doch die Designphase erfordert etwas mehr Sorgfalt. Es kann sogar notwendig sein, in der Prototypenphase einen provisorischen Entwurf des Scharniers anzufertigen, um das Design später, vor Beginn der Spritzgussphase, zu überarbeiten.

Das wirft die Frage auf, warum man aktive Scharniergelenke überhaupt mittels 3D-Druck herstellen sollte? Es gibt ein paar Gründe, die dafürsprechen.

Zunächst ist die 3D-Drucktechnologie eine großartige Möglichkeit, um das Design in mehreren Durchläufen schnell zu optimieren. Dies kann häufig alle technischen Einwände überwiegen.

Zweitens können Sie damit Prototypen aus Nylon herstellen, bevor Sie auf das Spritzgussverfahren umsteigen. Und schließlich können Sie sie immer für funktionsfähige Teile für den Endgebrauch verwenden, wenn Sie nur kleine Mengen benötigen.

Wie sorgen wir also dafür, dass mittels 3D-Druck hergestellte aktive Scharniergelenke optimal funktionieren?

Berücksichtigen Sie zuallererst, dass das aktive Scharniergelenk der dünnste Bereich des Teils sein muss. Wenn das aktive Scharniergelenk in etwa dieselbe Dicke wie die übrige Geometrie hat, wird sich das Teil bei Ihrem Versuch, das Gelenk zu benutzen, verziehen und verbiegen – was nicht ideal ist.

Als Nächstes müssen Sie beachten, dass die zum Biegen eines Scharniers benötigte Kraft nicht nur proportional zur Dicke des Gelenks, sondern auch zu dessen Breite ist. Etwas einfacher wird es, wenn Sie ein großes Gelenk in mehrere kleinere unterteilen. Statt eines 20-mm-Gelenks könnten Sie z. B. drei 5-mm-Gelenke mit Lücken dazwischen entwerfen. Dank der geringeren Breite wird zum Betätigen des Scharniers weniger Kraft benötigt, und Verschlüsse, Schnappverbindungen und die Geometrie als Ganzes sind somit weniger starken Belastungen ausgesetzt.

Es ist wichtig, diese zu reduzieren, da aktive Scharniergelenke beim Gebrauch ständig beansprucht werden. Eine Seite des Scharniers wird komprimiert, während die andere Seite Spannungen ausgesetzt ist. Die Gelenke sollten nicht nur so schmal, sondern auch so dünn wie möglich sein. Wenn Sie ein aktives Scharniergelenk mittels 3D-Druck herstellen, sollte es im Normalfall die für die verwendete Technologie geltende Mindest-Merkmalgröße einhalten.

Darüber hinaus kann die Anordnung des Scharnierdesigns unglaublich wichtig sein. Um Ihnen zu erklären, warum dies so ist, muss ich etwas in die technischen Details gehen. Obwohl ich verstehe, dass nicht jeder Lust auf viel Mathe in diesen Videos hat, müssen wir ein paar Formeln hervorholen, wenn wir das Ganze besser verstehen wollen.

Die wichtigste Formel bei aktiven Scharniergelenken lautet: L = πR, wobei L die Länge des Gelenks und R der Abstand zwischen dem Gelenk und dem Befestigungspunkt ist.

Diese kleine Formel gibt das ideale Verhältnis zwischen diesen beiden Werten an und sorgt dafür, dass das geschlossene Gelenk einen schönen Halbkreis bildet. Dadurch wird die Belastung gleichmäßig über das Scharnier hinweg verteilt und die Belastung am Befestigungspunkt minimiert.

Ist das Scharnier zu kurz oder der Abstand zum Befestigungspunkt zu groß, ist das Scharnier in der geschlossenen Stellung Spannungen ausgesetzt. Die Biegung des Scharniers ist dann zu flach und die Passflächen werden dadurch auseinandergedrückt.

Ist das Scharnier hingegen zu lang oder der Abstand zu den Befestigungspunkten zu gering, wird die Spannung an den Befestigungspunkten sowie in der Mitte des Scharniers konzentriert. Das überschüssige Scharniermaterial wirkt wie eine Feder und drückt die Passflächen auseinander – und das ist eher das Gegenteil von dem, was Sie eigentlich wollen.

Wenn Sie also all dies berücksichtigen, gibt es keinen Grund, bei Ihren 3D-gedruckten Prototypen auf aktive Scharniergelenke zu verzichten. Sprechen Sie bei Fragen uns einfach an.

Ich glaube, unsere Zeit ist um, aber ich hoffe, Sie nächste Woche wiederzusehen.


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