Wie wählt man einen Gewindeeinsatz für Ihre 3D-gedruckte Baugruppe aus?

Gewindeeinsätze gibt es in verschiedenen Ausführungen, die häufig nach ihrer Einbaumethode kategorisiert werden, wie z. B. nach dem Spritzgießen durch Wärme- oder Ultraschall-Einbettung sowie durch Kalteinpressen. Der optimale Einsatztyp für eine 3D-gedruckte Anwendung hängt vom eingesetzten Kunststoffmaterial ab.

Die Leistung des Gewindeeinsatzes wird stark von den Eigenschaften des Trägermaterials beeinflusst.

• Zugfestigkeit: Gibt die Fähigkeit des Materials an, einer plastischen Verformung standzuhalten
• Elastizitätsmodul: Beeinflusst die Steifigkeit des Materials und dessen Fähigkeit, Biegekräfte zu verteilen; entscheidend für die Vermeidung von Verformungen und die Gewährleistung einer korrekten Lastverteilung

Darüber hinaus wirken sich die thermischen Eigenschaften auf den Installationsprozess aus, da Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit eine gleichmäßigere Wärmeverteilung begünstigen, wodurch der Kunststofffluss verbessert und eine vollständige Ausfüllung um die Halteelemente herum für eine sichere Verbindung gewährleistet wird. Ebenso beeinflusst die Wärmeformbeständigkeits-Temperatur eines bestimmten Kunststoffs die Temperatur für die thermische oder ultraschallgestützte Installation des Gewindeeinsatzes.

Die Leistungsfähigkeit eines Gewindeeinsatzes in 3D-gedruckten Materialien wird von mehreren entscheidenden Faktoren beeinflusst. In diesem Abschnitt werden wichtige Konstruktionsrichtlinien vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf der Bohrungsgröße, den Materialeigenschaften, der Wandstärke, der Füllung und der Schichtdicke liegt, um eine optimale Leistungsfähigkeit des Gewindeeinsatzes in 3D-Druckanwendungen zu gewährleisten.

Der Bohrungsdurchmesser ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Gewindeeinsätzen. Der Katalog für Gewindeeinsätze von SPIROL enthält Richtlinien für die Bohrungsgröße, doch die Toleranzen beim 3D-Druck überschreiten normalerweise die empfohlenen +0,08 mm. Typische Toleranzen sind wie folgt:

• Industrieller FDM-Druck: ±0,2 mm
• Desktop-Drucker: ±0,3–0,5 mm
• SLA-Drucker: ±0,1 mm
• SLS-Druck: ±0,3 mm

Um Abweichungen zu minimieren, besteht eine Möglichkeit darin, Löcher in das Kunststoffmaterial zu bohren. Dies reduziert zwar die Abweichungen, kann aber die Verstärkung der FDM-gedruckten Außenwände beeinträchtigen (weitere Erläuterungen finden Sie in diesem Technischen Papier). Alternativ kann eine iterative Entwicklung durchgeführt werden, bis die optimale Bohrungsgröße erreicht ist.

Leistung des Gewindeeinsatzes steigt linear mit der Fülldichte. Für eine optimale Leistung des Gewindeeinsatzes sollte eine Fülldichte von mehr als 50 % gewählt werden.

Im Allgemeinen führen dickere Schichten zu einer schwächeren Bindung zwischen den Schichten, da größere Hohlräume vorhanden sind. Die beste Leistung eines Gewindeeinsatzes wird bei FDM und SLS typischerweise bei einer Schichtdicke von etwa 0,16 bis 0,2 mm erreicht, wo die Zugfestigkeit optimiert ist.

Vergleichen wir die Leistungsfähigkeit von drei (3) verschiedenen Serien von M6-Gewindeeinsätzen: symmetrische (SPIROL INS 29 lang) und asymmetrische (SPIROL INS 19 lang) zur Wärmeeinbettung sowie einen Gewindeeinsatz zum Einpressen (SPIROL INS 50) in gängigen 3D-Materialien. Detaillierte Vergleichstestergebnisse werden für FDM-, SLS- und SLA-gedruckte Bauteile bereitgestellt. Diese Erkenntnisse helfen Konstrukteuren dabei, den optimalen Gewindeeinsatz basierend auf spezifischen Leistungsanforderungen auszuwählen.

Beim Vergleich der Unterschiede zwischen den im Spritzgussverfahren und im 3D-Druckverfahren hergestellten Bauteilen ist zu beachten, dass dasselbe Material sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, die die Leistung des Gewindeeinsatzes beeinflussen.

Trotz ihrer geschichteten Geometrie erreichen FDM-gedruckte Bauteile eine hohe Leistungsfähigkeit – insbesondere bei Verwendung von Wärme-/Ultraschall-Gewindeeinsätzen. Ein direkter Vergleich von FDM-gedrucktem Polycarbonat (PC) und extrudiertem Kunststoff ist in Abbildung 12 dargestellt.

SLS-Druckteile neigen stärker zu Mikrorissen und einem vorzeitigen Versagen des Gewindeeinsatzes. SLS-Pulver weisen im Vergleich zu ähnlichen Kunststoffen für den Spritzguss häufig schwächere Materialeigenschaften auf, was oft an unterschiedliche Zusammensetzungen und die Mikroporosität der fertig gedruckten Bauteile liegt. Da sich die Materialeigenschaften stark unterscheiden, kann die Leistungsfähigkeit eines Gewindeeinsatzes um 20 % bis 50 % geringer sein als bei einem extrudierten Kunststoff.

Abbildung 12
Leistungsvergleich für FDM und extrudierte/spritzgegossene Kunststoffe (FDM: 55 % Füllung und 5 Wandschleifen)

Wärme-/Ultraschall-Gewindeeinsätze bieten die höchste Festigkeit bei 3D-gedruckten Thermoplasten, während Gewindeeinsätze zum Einpressen eine praktikable Alternative darstellen, insbesondere bei duroplastischen Materialien, bei denen eine Installation durch Erhitzen nicht möglich ist. Duroplastische Kunststoffe beschränken die Einsatzmöglichkeiten von Gewindeeinsätzen naturgemäß auf Einpressverfahren.

Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass sich die Leistungsfähigkeit von Gewindeeinsätzen beim FDM-Druck mit zunehmender Fülldichte und Wandschleifen verbessert, wobei optimale Ergebnisse bei einer Schichtdicke von 0,16–0,2 mm, einer Fülldichte von 50 % oder mehr und einer Anzahl von Wandschleifen erzielt werden, die der metrischen Abmessung des Gewindeeinsatzes entspricht oder diese übersteigt.

Die Ergebnisse zeigen, dass FDM-3D-gedruckte Bauteile bei hoher Füllrate und Wandstärke etwa 70–80 % der Leistungsfähigkeit eines vergleichbaren gespritzten Materials erreichen. Während SLS-Komponenten eine hohe theoretische Festigkeit aufweisen, können sie aufgrund ihrer Mikroporosität im Vergleich zu gespritzten Kunststoffen nur etwa 50–70 % der Leistungsfähigkeit erreichen.

SPIROL unterstützt Sie bei der Auswahl des passenden Gewindeeinsatzes für Ihre 3D-gedruckten Serien- und Prototypenprojekte. Aufgrund der Vielfalt an 3D-Druckverfahren, Materialien und Parametern können die Ergebnisse variieren. Daher empfehlen wir gründliche Tests und Bewertungen für jede einzelne Baugruppe.