Hochfeste 3D-Druck-Einsätze für langlebige, präzise Montagen

Additive Fertigung bietet viele Vorteile, darunter die Möglichkeit, Baugruppen in einem Druck oder komplexe Geometrien wie Gewinde zu fertigen. Im letzteren Fall ist das Gewindedesign jedoch nicht auf reguläre Montage ausgelegt, da Kunststoff sich verformen, Maßhaltigkeit verlieren oder sogar brechen kann.

Wenn man im 3D-Druck bestimmte Teile fertigen will, ist es oft nötig, feste Verbindungen für lösbare Teile oder zur dauerhaften Verbindung großvolumiger Elemente zu schaffen.

Mechanische Komponenten aus traditioneller Fertigung werden zur Unterstützung additiv gefertigter Teile. Besonders hervorzuheben sind dabei Einpressgewindeeinsätze (Inserts).

Was sind Inserts?

Eine Alternative zum Einbringen von Muttern während des Drucks sind Metalleinsätze. Metalleinsätze sind Gewindebefestigungen, die in ein Loch eingesetzt werden, um dem Teil eine mögliche Schraubverbindung zu geben.

Bild 1: Inserts. Quelle: Filament2print.

Zwei Schlüsselfaktoren bei der Auswahl des besten Insert-Typs: Auszugswiderstand und Verdrehwiderstand.

• Der Auszugswiderstand ist der Widerstand des Inserts, aus seiner Aufnahme herausgezogen zu werden, wenn die Schraube angezogen wird. Er lässt sich durch Vergrößerung der Insertlänge erhöhen.

• Der Verdrehwiderstand ist der Widerstand gegen Eigenrotation des Inserts beim Anziehen der Schraube. Je größer der Insertdurchmesser, desto höher das Drehmoment, da mehr Fläche auf das Teil drückt.

Generell werden Faktoren wie Durchmesser und Größe des Inserts berücksichtigt (Herstellerdatenblatt beachten). Sowie Materialien – sowohl des Inserts als auch des Kunststoffs, in den er eingebaut wird. Es gibt Inserts für Metall, Holz, Kunststoff etc. Gängigstes Material: Messing, zunehmend auch Edelstahl (korrosionsbeständig) oder Aluminium (leichter).

Für FDM (thermoplastische Materialien) sind fast alle Insert-Typen geeignet, aber bei SLA (duroplastische Materialien, nach Druck nicht mehr durch Wärme/Druck veränderbar) nur Selbstschneide- oder Helicoil-Inserts.

Wichtig: Trotz breiter Materialverträglichkeit bei FDM ist das Einbringen des Inserts immer problematischer als bei SLA-Teilen. Grund: die Nicht-Isotropie des Teils – bei kalt eingesetztem Insert ist der Druck so hoch, dass das Teil delaminiert.

Es gibt viele Insert-Typen, gängige Klassifizierung nach Einbauart.

Insert-Typen

Wärmeeinsatz (Heat Inserts): Für thermoplastische Materialien, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen. Anwendung einfach: nur Lötkolben oder andere Wärmequelle (Modifi3D Pro) nötig, die den Insert über Wärmeleitung erhitzt. Voraussetzung: Loch im Teil mit Durchmesser etwas kleiner als Insert-Außendurchmesser. Mit Einpresswerkzeug und kontrolliertem Druck (zu viel Druck schmilzt umliegendes Material) den Insert über Lochrand drücken, um Kunststoff aufzuweiten. Beim Abkühlen klemmt der Insert zwischen den Kunststofffasern. Richtig positioniert, wenn beide Kanten – Teil und Insert – bündig sind. Bei korrekter Positionierung: Zugfestigkeit ca. 15 kg, Torsionsfestigkeit ca. 2,5 kg. Heat-Inserts haben beide Enden offen (Durchgangsbohrung), sodass Insertlänge keine Begrenzung darstellt, selbst wenn Schraube tiefer reichen muss als der Insert lang ist.

Bild 2: Heat Insert. Quelle: Filament2print.

Presseinsatz (Druck-/Nieteinsätze): Erfordern Loch mit gleichem Durchmesser wie der Nieteinsatz. Einbau sehr einfach: wie jeder Niet mit Presswerkzeug eindrücken. Wieder bündig bei korrekter Position. Wichtig: Inserts während Einbaus richtig pressen, da Teile nahe den Löchern zerdrückt werden können.

Selbstschneidend (Self-threading): Für bestimmte Materialien in SLS und Harzdruck, die bei sehr hohen Temperaturen schmelzen oder beim Erhitzen instabiles Verhalten zeigen. Charakterisiert durch Innen- und Außengewinde für einfache Installation. Einbau mit Ensat-artigem Gewindewerkzeug. Loch im Teil muss gleichen Nenndurchmesser wie Insert haben, da diese beim Einbau ein Gewinde im Kunststoff formen → Belastbarere Montage als Heat Inserts. Zudem aus Edelstahl – hoher Verschleiß- und Umgebungswiderstand.

Bild 3: Selbstschneidender Insert und Werkzeug. Quelle: Filament2print.

Helicoil: Wie Selbstschneider zwei Gewinde, gleiche Funktionsweise. Loch im Werkstück nach Helicoil-Standard dimensionieren. Erst Gewinde in Loch mit Gewindebohrer schneiden, dann mit Werkzeug einsetzen. Schließlich den kleinen Bund am Insertende, der als Anschlag für Einbauwerkzeug dient, abbrechen. Zwar nicht günstig, aber Optik und Praktikabilität bemerkenswert.

Empfehlungen

Bei Lochdurchmessern: Beim Druck entstehen Maßabweichungen zwischen 3D-Design und Teil, daher bei Lochdesign Toleranz einplanen. Loch muss lang genug für Insert sein, auch Schraubenüberstand berücksichtigen. Wandstärke: ausreichend hohe Werte, damit Bohrung nicht in Infüll eindringt.

Bild 4: Einbau des Inserts durch Wärme. Quelle: Markforged.

Bei der Installation: Positionierung und Geschwindigkeit beachten. Insert so weit wie möglich zentriert und senkrecht zum Loch ausrichten. Gilt für Wärme-, Druck- und Gewindeeinsätze, da schräger Einbau zu Gewindeschaden oder später falschem Schraubensitz führen kann. Da Teil aus Kunststoff, Insert aus Metall: Härteunterschied erfordert kontrollierte Geschwindigkeit, um Lochwände nicht zu beschädigen.

Wie wir wissen, entwickelt sich 3D-Druck rasant weiter – Lösungen wie diese machen den Unterschied, wenn es um komplexere, industriell präzise Teile geht.