Federn, Festkörpergelenke und nachgiebige Mechanismen im SLS 3D-Druck

Was nachgiebige Mechanismen sind

Anstatt dass sich zwei Teile um einen Stift drehen, nutzt ein nachgiebiger Mechanismus einen dünnen, flexiblen Bereich, der sich biegt. Typische Beispiele:

• Flach- und Mäanderfedern, die ein Teil in seine Position zurückdrücken.
• Kragarmfedern wie Arretierungen, Riegel und federbelastete Knöpfe.
• Biegegelenke, die es einem Teil ermöglichen, sich um einige Grad relativ zu einem anderen zu drehen.
• Parallele Blattfederführungen, die ein Teil in einer geraden Linie bewegen, ohne zu gleiten.
• Einteilige Greifer und Klemmen, die sich schließen, wenn sie gedrückt werden.
• Bistabile Mechanismen, die zwischen zwei stabilen Positionen umschnappen.

Die Vorteile sind in jedem Fall dieselben: ein Teil statt einer Baugruppe, kein Spiel, keine Reibung oder Verschleiß in den Gelenken, keine Schmierung und nichts, was verloren gehen kann. Der Preis dafür ist ein begrenzter Bewegungsbereich und ein genauer Blick auf die Dehnung in der Biegezone.

Warum SLS PA 12 für Biegegelenke geeignet ist

Für PA 2200, das PA 12, das wir drucken, gibt EOS einen Zugmodul von 1.650 MPa, eine Zugfestigkeit von 48 MPa und eine Bruchdehnung von 18 % innerhalb der Schichtebene an. Diese Kombination aus moderater Steifigkeit und guter Dehnung ist genau das, was ein Biegegelenk braucht: Es biegt sich spürbar, ohne zu brechen. Da SLS keine Stützstrukturen benötigt, werden dünne Biegegelenke, ineinandergreifende Federn und geschlossene Rahmen genau wie konstruiert gedruckt. Quer zu den Schichten gibt EOS nur 4 % Dehnung und 42 MPa an, daher ist die Biegerichtung genauso wichtig wie die Form. Sehen Sie, wie stark SLS-Nylon ist.

Abschätzung der Dehnung in einem Biegebalken

Die meisten Biegegelenke und Federn verhalten sich wie ein Balken, der sich biegt. Für einen geraden Kragarm mit konstantem rechteckigem Querschnitt lautet die klassische Schätzung der Dehnung an der Einspannstelle:

Dehnung ε = 1,5 × t × y ÷ L²

• t = Dicke des Balkens in Biegerichtung
• y = Auslenkung an der Spitze
• L = freie Länge des Balkens

Die Dehnung wächst mit der Dicke und der Auslenkung und sinkt mit dem Quadrat der Länge. Ein längerer Balken ist der effektivste Weg, um mehr Federweg bei geringerer Dehnung zu erhalten. Halten Sie die berechnete Dehnung deutlich unter den 18 %, die EOS für die Schichtebene angibt, und noch niedriger für Teile, die sich oft biegen; die Bruchdehnung ist der Punkt, an dem ein Prüfstab bricht, kein Auslegungswert. Dieselbe Regel wird für Clips unter Schnappverbindungen aus SLS PA 12 erklärt.

Abschätzung der Steifigkeit

Für denselben Kragarm beträgt die Federrate an der Spitze ungefähr:

k = E × b × t³ ÷ (4 × L³)

wobei b die Breite des Balkens und E der Modul ist. Mit E = 1.650 MPa ergibt ein Balken von 10 mm Breite, 1,5 mm Dicke und 30 mm Länge etwa 0,5 N pro Millimeter Auslenkung. Die dritte Potenz von Dicke und Länge dominiert: 10 % mehr Dicke macht die Feder etwa ein Drittel steifer, 10 % mehr Länge macht sie etwa ein Viertel weicher. Betrachten Sie das Ergebnis als Ausgangspunkt. Die tatsächliche Steifigkeit eines gesinterten Teils hängt von der Schichtrichtung, der Wandoberfläche und der genauen Dicke nach dem Finish ab, messen Sie also die ersten Teile und passen Sie sie an.

Um ein Biegegelenk ohne zusätzliche Dehnung steifer zu machen, machen Sie es breiter. Um mehr Federweg zu erhalten, machen Sie es länger oder falten Sie es zu einer Mäanderform.

Konstruktionsregeln für SLS-Biegegelenke und -Federn

• Biegen innerhalb der Schichtebene. Die Biegerichtung und die Länge des Balkens sollten in der Schichtebene liegen. Im Kalkulator können Sie die Schichtebene pro Teil (XY, XZ oder YZ) auswählen oder uns entscheiden lassen.
• Runden Sie die Enden ab. Abrundungen an der Stelle, wo das Biegegelenk auf den starren Körper trifft, verteilen die Spannung; an einer scharfen Ecke entstehen Risse.
• Bevorzugen Sie Blattfedern gegenüber Kerbgelenken. Eine kurze Kerbe konzentriert die gesamte Biegung auf eine winzige Zone. Eine längere, gleichmäßige Blattfeder verteilt sie und hält länger.
• Machen Sie es nicht zu dünn. Der Kalkulator warnt unter 0,8 mm, und dünne Merkmale können beim Entpulvern und Strahlen brechen. Gewinnen Sie Flexibilität durch Länge, nicht durch Dünnheit.
• Fügen Sie Anschläge hinzu. Eine Rippe, die den Federweg begrenzt, schützt das Biegegelenk vor Überdehnung.
• Halten Sie Spalte offen. Lassen Sie zwischen beweglichen und festen Abschnitten mindestens 0,5 mm Platz, damit das Pulver entfernt werden kann und nichts verschmilzt; siehe Print-in-Place-Scharniere und -Baugruppen.
• Prüfen Sie die Toleranz. Die Dicke variiert innerhalb unserer Konstruktionsrichtlinie von ±0,3 % (mindestens ±0,3 mm), und die Steifigkeit folgt der dritten Potenz der Dicke, sodass ein dünnes Biegegelenk stärker in der Steifigkeit als in der Größe variiert.

Grenzen von Kunststofffedern

• Kriechen und Relaxation. Unter einer dauerhaften Belastung oder Auslenkung geben Kunststoffe langsam nach, und eine komprimiert gehaltene Feder verliert im Laufe der Zeit einen Teil ihrer Kraft. Dies geschieht unter warmen Bedingungen schneller; EOS gibt für PA 2200 unter ständiger Belastung einen Bereich von -40 bis +80 °C an. Nachgiebige Mechanismen, die sich bewegen und in die Ruhelage zurückkehren, funktionieren besser als Federn, die vorgespannt bleiben.
• Ermüdung. Die Anzahl der Zyklen, die ein Biegegelenk übersteht, hängt von seiner Dehnung, seiner Oberfläche und seiner Richtung ab. Halten Sie bei Mechanismen, die sich oft bewegen, die Dehnung gering und testen Sie sie.
• Präzision der Kraft. Eine gedruckte Feder ist keine kalibrierte Feder. Wo eine Kraft über Jahre hinweg exakt oder konstant sein muss, verwenden Sie eine Metallfeder und konstruieren Sie das gedruckte Teil so, dass es diese hält.
• Filmscharniere. Ein dünnes Scharnier, das sich um einen großen Winkel faltet, ist ein Sonderfall mit eigenen Regeln; siehe Filmscharniere aus SLS-Nylon.

Testen Sie vor dem commit

Steifigkeit und Lebensdauer lassen sich leichter testen als exakt berechnen. Drucken Sie ein Muster mit drei bis fünf Biegeelementen unterschiedlicher Dicke oder Länge, messen Sie die Kraft bei einer bekannten Auslenkung und biegen Sie diese so oft, wie sich das reale Teil biegen wird. Kleine Muster kosten wenig, und der Kalkulator zeigt den Preis an, sobald Sie die Datei hochladen. Für die allgemeinen Konstruktionsregeln siehe die SLS-Designrichtlinien.

Finish und Farbe

Jedes Teil wird glasperlengestrahlt und in einer DyeMansion Powershot DUAL poliert. Laut DyeMansion verdichtet der Prozess die Oberfläche, ohne Material abzutragen, sodass die konstruierte Dicke erhalten bleibt. Das Färben in einer von 61 Farben ist optional; Schwarz und Orange sind auf Lager, die anderen 59 Farben verlängern die Lieferzeit um etwa einen Monat (20 Arbeitstage).

Benötigen Sie Hilfe bei der Konstruktion eines nachgiebigen Mechanismus für ein Produkt? Die Ingenieure von prototype.builders können die Konstruktion und das Testen übernehmen.

Häufig gestellte Fragen

Kann man eine funktionierende Feder 3D-drucken?

Ja. Flachfedern, Mäanderfedern, Blattfedern und Biegeelemente funktionieren gut in SLS PA 12, wenn die Dehnung in der Biegezone deutlich unter der Bruchdehnung bleibt. Sie eignen sich für leichte Kräfte und moderate Zyklenzahlen; für hohe Kräfte oder präzise, langlebige Federraten ist eine Metallfeder besser.

Was ist ein nachgiebiger Mechanismus?

Ein Mechanismus, der seine Bewegung aus der elastischen Biegung flexibler Abschnitte anstelle von Gelenken, Stiften oder Lagern erhält. Er wird aus einem Stück gefertigt, hat kein Spiel oder Reibung in den Gelenken und erfordert keine Montage.

Welche Schichtrichtung ist am besten für Biegeelemente?

Der Biegebereich sollte sich innerhalb der Schichtebene biegen. Für PA 2200 gibt EOS eine Bruchdehnung von 18 % in der Schichtebene und 4 % quer zu den Schichten an. Im Kalkulator können Sie die Schichtebene pro Teil auswählen.

Verlieren 3D-gedruckte Kunststofffedern mit der Zeit an Kraft?

Unter einer dauerhaften Belastung oder Auslenkung kriechen und relaxieren Kunststoffe, besonders wenn sie warm sind. Eine PA 12-Feder, die lange Zeit komprimiert gehalten wird, kann einen Teil ihrer Kraft verlieren. Konstruieren Sie für intermittierende Belastungen oder verwenden Sie eine Metallfeder, wenn die Kraft konstant bleiben muss.

Wie dünn kann ein Biegeelement im SLS sein?

Der Kalkulator warnt vor Wänden, die dünner als 0,8 mm sind, und sehr dünne Merkmale sind beim Entpulvern und Strahlen zerbrechlich. Machen Sie Biegeelemente eher länger als dünner und drucken Sie ein Testmuster mit mehreren Dicken, wenn die Steifigkeit wichtig ist.