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Bei dem 3D-Druck handelt es sich um eine spanlose und additive Fertigungstechnologie, die auch die Möglichkeit bietet, Gewinde herzustellen.
Dabei müssen allerdings einige Faktoren beachtet werden.
Herstellung von Gewinden mit 3D-Druck
Grundsätzlich lassen sich mit dem 3D-Drucker zwar Gewinde drucken, allerdings kann ihr Einsatz problematisch sein, insbesondere wenn hohe Präzision und Festigkeit erforderlich sind.
Wenn zwei Komponenten miteinander verbunden werden sollen, ist eine Schraubverbindung häufig die erste Wahl.
Im Vergleich zum Zusammenkleben oder ‑schweißen können die beiden Teile ohne Schaden und großen Aufwand wieder getrennt werden.
Außerdem sind Schrauben und Schraubenmuttern standardisiert und leicht erhältlich.
Da dank additiven Fertigungsverfahren verschiedenste Werkstücke basierend auf den digitalen Daten eines 3D-Programms erstellt werden können, erscheint auch das Drucken von Gewinden naheliegend.
Herkömmliche Gewindeherstellung
Üblicherweise werden zur Herstellung von Gewinden Methoden wie Fräsen, Formen oder Bohren genutzt. Dabei wird zwischen spanenden und spanlosen Verfahren unterschieden.
Die gestalterische Freiheit von additiver Fertigung bietet die Möglichkeit, diese zusätzlichen Schritte zu umgehen.
Mit dem 3D-Drucker kann ein Gewinde direkt ins Werkstück “gedruckt” werden.
Welche Einschränkungen gibt es beim 3D-Druck von Gewinden?
Mit 3D-Druck hergestellte Gewinde sind oft weniger präzise als herkömmlich hergestellte Gewinde.
Das liegt an folgenden Einschränkungen:
- Schichtbildung: Da bei der additiven Fertigung Materialschichten übereinander gelegt werden, kann es zu Rauheit und Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche kommen.
- Toleranzen: Die tatsächlichen Abmessungen des gedruckten Objektes können von den ursprünglichen Berechnungen abweichen und die Passgenauigkeit des Gewindes beeinflussen.
- Materialschwindung: Durch Schwindungseffekte beim Abkühlen des 3D-Druckmaterials kann die Genauigkeit des Gewindes beeinträchtigt werden, z.B. indem das Endprodukt kleiner ist als in der CAD-Datei.
- Materialwahl: Einige Materialien sind besser zur Erstellung von genauen Gewinden geeignet als andere.
Weiterhin ist oft eine zusätzliche Nachbearbeitung notwendig, um die benötigte Präzision zu erreichen.
Es kann also sein, dass man ein mit 3D-Druck hergestelltes Gewinde anschließend schneiden oder schleifen muss, weil es nicht passt.
Dass ein Gewinde direkt “in” ein Objekt gedruckt werden kann und die damit verbundene Zeitersparnis ist eher die Ausnahme, denn die Regel.
Richtwerte für den 3D-Druck von Gewinden
Wer dennoch mit 3D-Druck Gewinde herstellen möchte, sollte unbedingt beachten, dass sich die Abweichungstoleranz je nach Verfahren unterscheidet.
Im Durchschnitt beträgt die Abweichungstoleranz ungefähr ±0,1 mm.
Weitere Einflussfaktoren sind thermischer Verzug, Form, Kontur und Geometrie.
In der DIN 13–1 Norm sind die Maße eines metrischen ISO Regelgewindes festgelegt.
Metrisches ISO-Regelgewinde DIN 13–1 ab M3
| Außendurchmesser (mm) | Gewindesteigung (mm) | Kernlochdurchmesser (mm) |
|---|---|---|
| M 3,0 | 0,50 | 2,46 |
| M 3,5 | 0,60 | 2,85 |
| M 4,0 | 0,70 | 3,24 |
| M 4,5 | 0,75 | 3,69 |
| M 5,0 | 0,80 | 4,13 |
| M 6,0 | 1,00 | 4,92 |
| M 7,0 | 1,00 | 5,92 |
| M 8,0 | 1,25 | 6,65 |
| M 9,0 | 1,25 | 7,65 |
| M 10,0 | 1,50 | 8,38 |
| M 11,0 | 1,50 | 9,38 |
| M 12,0 | 1,75 | 10,11 |
| M 14,0 | 2,00 | 11,84 |
| M 16,0 | 2,00 | 13,84 |
| M 18,0 | 2,50 | 15,29 |
Ensat®-Einsätze als Alternative zu 3D-Druck Gewinden
Die Verwendung von Ensat®-Gewindeteilen bietet sich für alle Anwendungen im 3D-Druck an.
Es handelt sich um selbstschneidende Gewindeeinsätze mit Innen- und Außengewinde, Schneidbohrungen oder Schneidschlitzen.
Video über den Einsatz von Ensat®-Einsätzen folgt.
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Ensat®-Einsätze werden nachträglich ins finale Werkstück eingedreht.
Das entsprechende Kernloch kann gebohrt oder vor dem 3D-Druck entworfen werden.
Die resultierende Verbindung hat eine höhere Tragfähigkeit, da der Metalleinsatz die auftretenden Schraubkräfte gleichmäßiger verteilt.
„Um ein Gewinde in einem Bauteil darzustellen, empfehlen wir das Kernloch der Bohrung zu drucken und einen Ensat®-Einsatz zu verwenden.”
Tim Michael Funk, Geschäftsführender Gesellschafter FUNK MASCHINENBAU GmbH & Co. KG3D-Druck Gewinde in der Praxis — Fazit
Auch wenn der 3D-Druck von Gewinden unter Beachtung der bereits aufgezählten Faktoren durchaus möglich ist, werden in der Praxis meistens andere Lösungen verwendet.
Neben der fehlenden Präzision sind folgende Gründe dafür maßgeblich:
- Mechanische Eigenschaften: Mit 3D-Druck erstellte Gewinde können in Bezug auf Festigkeit und Verschleiß Einschränkungen haben, was sie für viele Anwendungen weniger geeignet macht.
- Begrenzte Materialauswahl: Da nicht alle Materialien zur Herstellung von Gewinden geeignet sind, ist es nicht immer möglich, die beste Lösung zu finden.
- Zeitaufwand: Die herkömmliche Fertigung von Gewinden ist oft schneller und effizienter als 3D-Druck basierte Äquivalente.
- Anisotropie: Objekte aus dem 3D-Drucker haben manchmal unterschiedliche Stärken in verschiedenen Richtungen, was ein Gewinde unzuverlässig machen kann.
Autor: Tim Funk