Es ist besonders frustrierend, wenn ein 3D-Druck zwar toll aussieht, aber nicht richtig funktioniert. Man verbringt Stunden damit, eine individuell angefertigte Gewindekappe und Schraube zu drucken, nur um dann festzustellen, dass sie sich nicht zusammenschrauben lassen oder – noch schlimmer – beim ersten Versuch brechen. Das Geheimnis, diesen Teufelskreis aus Fehldrucken zu durchbrechen, liegt nicht in einer magischen Einstellung oder einem speziellen Kunststoff. Um Gewinde erfolgreich im 3D-Druck herzustellen, muss man sich auf zwei Dinge konzentrieren: die Konstruktion von Teilen, die sich gut für den 3D-Druck eignen, und die korrekten Druckereinstellungen. Mit diesem zweistufigen Ansatz werden Gewinde von einer Quelle von Kopfschmerzen zu einem zuverlässigen Werkzeug, auf das man sich verlassen kann.
Dieser Leitfaden führt Sie durch den gesamten Prozess, vom Entwurf am Computer bis zum fertigen, einwandfrei funktionierenden Bauteil in Ihren Händen. Wir erklären Ihnen alles, was Sie wissen müssen, um ein perfektes Ergebnis zu erzielen.
- Warum herkömmliche maschinell hergestellte Gewinde beim 3D-Druck nicht gut funktionieren
- Wie man mithilfe von Designsoftware individuelle, robuste Gewinde entwirft
- Die wichtigsten Druckereinstellungen, die Sie für präzise Gewinde korrekt vornehmen müssen.
- Wie man die häufigsten Gewindeprobleme behebt
Eine besondere Herausforderung
Um das Problem des Druckens von Gewinden zu lösen, müssen wir zunächst verstehen, warum es überhaupt schwierig ist. 3D-Drucker, die mit geschmolzenem Kunststoff arbeiten (sogenannte FDM-Drucker), bauen Objekte Schicht für Schicht auf. Dieser Prozess unterscheidet sich grundlegend von der herkömmlichen Herstellung von Gewinden durch Materialabtrag. Das Verständnis dieser Unterschiede ist der erste Schritt, um Bauteile zu entwickeln, die optimal mit Ihrem Drucker harmonieren, anstatt gegen ihn anzukämpfen.
Standard-Gewindeformen
Die meisten Standardgewindeformen, wie sie in der Industrie verwendet werden, sind für Schneidemaschinen ausgelegt. Sie weisen eine scharfe V-Form mit steilen Überhängen auf, oft in einem Winkel von 60 Grad. Für einen 3D-Drucker ist der Versuch, dieses scharfe V zu erzeugen, vergleichbar mit dem Versuch, in der Luft zu zeichnen. Die steilen Überhänge führen zu Durchhängen, schlechter Haftung zwischen den Schichten und allgemein ungenauen Formen. Das Ergebnis ist ein Gewinde mit falschen Maßen und geringer Stabilität.
Das Stärkerichtungsproblem
3D-gedruckte Teile sind anisotrop, d. h. ihre Festigkeit hängt von der Richtung der einwirkenden Kraft ab. Entlang der Drucklinien (X- und Y-Richtung) sind sie sehr fest, zwischen den Schichten (Z-Richtung) jedoch deutlich schwächer. Druckt man beispielsweise eine senkrecht stehende Schraube, verlaufen die Schichtlinien quer zu ihrer Länge. Zieht man an dieser Schraube, bricht sie viel eher an einer Schichtlinie als ein massives, spritzgegossenes Teil. Dieser Festigkeitsunterschied beeinflusst direkt, wie gut Gewindeteile Dreh- und Zugkräften standhalten. Dies muss bei der Positionierung des Druckteils berücksichtigt werden.
Gestaltung für den Druck
Die Hauptursache für die meisten fehlerhaften gedruckten Gewinde liegt nicht am Drucker oder der Software, sondern am Design. Standardeinstellungen zu verwenden oder Standardgewindemodelle zu importieren, führt unweigerlich zu Enttäuschung. Der wichtigste Schritt erfolgt in Ihrer Designsoftware, wo Sie Gewinde speziell für den 3D-Druckprozess erstellen können.
Gestalte dein eigenes
Unsere erste und wichtigste Regel lautet: Vermeiden Sie die Verwendung der integrierten Gewindefunktion Ihrer Designsoftware mit den Standardeinstellungen. Diese Werkzeuge basieren fast immer auf Standardbearbeitungsformen, die nicht für den 3D-Druck optimiert sind. Erstellen Sie stattdessen Ihre eigenen Gewinde von Grund auf, indem Sie eine benutzerdefinierte Form erstellen und eine Sweep- oder Spiralfunktion verwenden. Dadurch haben Sie die volle Kontrolle über die Geometrie, was für ein optimales Ergebnis unerlässlich ist.
Veränderung der Form
Um ein Gewinde druckbar zu machen, müssen wir seine Form ändern. Anstelle des spitzen „V“ eines Standardgewindes sollten wir eine flachere, besser handhabbare Form entwerfen. Eine Trapez- oder ACME-Form ist ein hervorragender Ausgangspunkt. Diese Form hat flachere Ober- und Unterseiten, wodurch jede Lage eine solide Grundlage erhält.
Die wichtigste Regel ist die 45-Grad-Regel. Die meisten 3D-Drucker können Überhänge bis zu 45 Grad ohne Stützmaterial verarbeiten. Indem Sie die Neigung Ihrer Gewinde so gestalten, dass sie diesem Winkel entspricht oder darunter liegt, stellen Sie sicher, dass jede neue Schicht von der darunterliegenden optimal gestützt wird. Diese einfache Regel verbessert die Oberflächenqualität und Genauigkeit des gedruckten Gewindes erheblich.
Die richtige Passform finden
Die Toleranz ist der bewusst vorgesehene Spalt zwischen dem Außengewinde (Schraube) und dem Innengewinde (Mutter), damit diese zusammenpassen. Aufgrund der geringen Ungenauigkeiten beim 3D-Druck können die Teile nicht mit exakt gleichen Maßen gefertigt werden. Daher muss ein Spielraum berücksichtigt werden.
Ein guter Ausgangspunkt für typische 3D-gedruckte Gewinde ist ein Abstand von 0,2 mm bis 0,4 mm von der Mitte. Das bedeutet, dass der Innendurchmesser der Mutter 0,4 mm bis 0,8 mm größer sein sollte als der Außendurchmesser der Schraube. Bei einem mittelgroßen Gewinde (wie M20) beginnen wir oft mit einem Abstand von 0,3 mm von der Mitte (insgesamt 0,6 mm Unterschied) und passen die Toleranz von dort aus an. Die Kalibrierung Ihres Druckers, die Kunststoffart und die Schichthöhe beeinflussen die optimale Toleranz.
Wir drucken stets ein kleines, 1 cm hohes Ausschnittstück von Mutter und Schraube mit der geplanten Toleranz, um die Passgenauigkeit zu prüfen, bevor wir einen mehrstündigen Druckvorgang starten. Dieser 15-minütige Test hat uns unzählige Stunden an Nachdrucken erspart und ist ein unverzichtbarer Schritt in unserem Prozess.
Hinzufügen von Fasen
Zum Schluss sollte man immer eine kleine Fase (eine abgeschrägte Kante) an das erste Gewinde von Mutter und Schraube anbringen. Diese einfache Maßnahme dient als Führung und erleichtert das Zusammenschrauben der Teile erheblich. Ohne diese Fase können sich die flachen Gewindeenden verhaken, was ein korrektes Ausrichten erschwert.
Auswahl der Druckrichtung
Sobald Sie ein druckoptimiertes Design haben, ist die nächste wichtige Entscheidung die Positionierung des Bauteils auf der Bauplattform. Diese Wahl erfordert einen wichtigen Kompromiss zwischen Gewindegenauigkeit und Bauteilstabilität. Es gibt zwei Hauptoptionen: das Bauteil vertikal (stehend) oder horizontal (liegend) drucken.
Vertikal vs. Horizontal
Beim vertikalen Drucken einer Schraube oder Mutter steht diese aufrecht auf der Bauplatte, wobei das Gewinde durch übereinander gestapelte Kreisringe gebildet wird. Diese Positionierung nutzt die hohe Präzision der X- und Y-Bewegungen des Druckers, um eine sehr glatte und exakte Kreisform zu erzeugen.
Beim horizontalen Drucken desselben Teils liegt es auf der Seite. Die Kreisform des Gewindes wird nun durch das Übereinanderstapeln einzelner Schichten angenähert. Dies führt zu einem treppenartigen Effekt auf den gekrümmten Oberflächen und somit zu einer ungenaueren Gewindeform.
Ein direkter Vergleich
Die optimale Positionierung hängt vollständig von der beabsichtigten Verwendung des Bauteils ab. Um die Entscheidung zu erleichtern, haben wir die Vor- und Nachteile der einzelnen Ansätze aufgeschlüsselt.
| Besonderheit | Vertikale Position (Stehend) | Horizontale Position (liegend) |
|---|---|---|
| Gewindegenauigkeit | Höher. Die Kreisform wird durch X/Y-Bewegungen genau definiert, was zu glatteren und präziseren Gewinden führt. | Weiter unten. Das kreisförmige Profil wird durch die Schichthöhen angenähert, was zu einem "treppenartigen" Effekt führt. |
| Zugfestigkeit | Unten. Die Schichtlinien verlaufen senkrecht zur Zugkraft, wodurch der Bolzenschaft anfällig für einen Bruch an einer Schichtlinie ist. | Höher. Die Lagen verlaufen über die gesamte Länge des Bolzens und bieten so eine ausgezeichnete Festigkeit gegen Zugkräfte. |
| Scherfestigkeit (von Gewinden) | Höher. Die Gewindegänge selbst sind Teil des massiven X/Y-Umfangs, wodurch sie sehr scherfest sind. | Weiter unten. Die Oberseiten der Fäden bestehen aus einzelnen Schichten und können schwächer sein. |
| Druckgeschwindigkeit/Stützen | Aufgrund der höheren Anzahl an Schichten ist die Verarbeitung oft langsamer. Bei guter Konstruktion sind unter Umständen keine Stützstrukturen für die Gewinde selbst erforderlich. | Oftmals schneller, da weniger Schichten benötigt werden. Fast immer sind Stützstrukturen in der unteren Hälfte erforderlich, die sich mitunter nur schwer sauber entfernen lassen. |
| Ideal für... | Anwendungen, bei denen Passgenauigkeit und Präzision entscheidend sind, wie z. B. Feineinstellknöpfe, Objektivdeckel oder Flaschenverschlüsse. | Anwendungen, bei denen die Festigkeit im Vordergrund steht, wie z. B. gedruckte Klemmen, Schraubstöcke oder Funktionsbolzen unter Last. |
Unsere Empfehlung
Aus unserer Erfahrung ist die Wahl je nach Ihren Prioritäten eindeutig.
Bei den meisten Funktionsteilen, bei denen Passgenauigkeit und Leichtgängigkeit entscheidend sind, empfehlen wir, Gewinde vertikal zu drucken. Die höhere Präzision der Gewindeform gleicht die geringere Zugfestigkeit des Schafts fast immer aus.
Bei hochbelasteten Bauteilen, bei denen Zugfestigkeit entscheidend ist und die erheblichen Belastungen ausgesetzt sein werden, empfiehlt sich der horizontale Druck. Beachten Sie jedoch, dass die Nachbearbeitung mehr Zeit in Anspruch nehmen muss, um das Stützmaterial zu entfernen und die rauen Gewindegänge zu glätten.
Einrichten Ihres Aufschnittgeräts
Neben einem guten Design und der korrekten Positionierung sind die Slicer-Einstellungen das letzte Puzzleteil. Zwar lassen sich Dutzende von Einstellungen anpassen, doch nur wenige haben einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der gedruckten Fäden. Die Konzentration auf diese wenigen wichtigen Einstellungen führt zu den besten Ergebnissen.
Schichthöhe
Für Gewinde ist eine geringere Schichthöhe fast immer besser. Niedrigere Schichthöhen im Bereich von 0,1 mm bis 0,16 mm erzeugen eine präzisere Annäherung an die gekrümmte Gewindeform. Dadurch wird der Treppeneffekt reduziert, insbesondere an den sanften Hängen Ihres druckoptimierten Designs, was zu einem glatteren und genaueren Gewinde führt. Die Druckzeit verlängert sich zwar, die Qualitätsverbesserung lohnt sich aber allemal.
Druckgeschwindigkeit
Langsam und stetig führt zum Ziel beim Drucken von Gewinden. Hohe Geschwindigkeiten können Vibrationen verursachen, die die Genauigkeit beeinträchtigen. Noch wichtiger ist jedoch, dass das geschmolzene Plastik durch die niedrigere Geschwindigkeit mehr Zeit zum Abkühlen und Aushärten in der richtigen Form erhält. Dies ist entscheidend für die Darstellung der feinen Details eines Gewindes. Wir empfehlen eine moderate Druckgeschwindigkeit, insbesondere für die Außenwände. Eine Geschwindigkeit zwischen 25 und 40 mm/s ist ein guter Ausgangspunkt für die Außenwände.
Nahtposition
Die Z-Naht ist die kleine Stelle am Druck, an der der Drucker eine neue Schicht beginnt und beendet. Bei einem Objekt mit flachen Wänden ist sie nur ein kleiner Schönheitsfehler. Bei einem Gewinde kann sie jedoch als Erhebung wirken und das reibungslose Zusammenschrauben von Mutter und Schraube behindern. Die meisten Slicer ermöglichen es, ihre Position anzupassen. Durch Einstellen der Nahtausrichtung auf „Schärfste Ecke“ (falls Ihr Modell eine solche besitzt) oder durch manuelles „Malen“ der Naht auf eine unkritische Fläche lässt sie sich effektiv von den funktionalen Gewindeflächen ausblenden.
Füllung und Wände
Da Gewindeteile in der Regel funktional sind, müssen sie stabil sein. Gehen Sie bei Wänden (Umfang) und Füllung keine Kompromisse ein. Wir empfehlen mindestens 3–4 Wände. Dadurch wird sichergestellt, dass die Gewinde selbst aus massivem Kunststoff gedruckt werden und somit die notwendige Festigkeit gegen Verdrehkräfte aufweisen. Für die Füllung bietet eine Dichte von 30–50 % mit einem stabilen Muster wie Gyroid oder Kubik eine gute interne Stabilität, ohne die Druckzeit wesentlich zu verlängern.
Eine Anmerkung zu Stützstrukturen
Wenn Sie die Konstruktionsprinzipien – Verwendung einer modifizierten Form und Begrenzung der Überhänge auf unter 45 Grad – befolgt haben, benötigen Sie beim vertikalen Drucken möglicherweise kein Stützmaterial für das Gewinde selbst. Dies ist der Idealfall. Beim horizontalen Drucken benötigen Sie Stützstrukturen für die untere Hälfte des Bauteils. Verwenden Sie in diesem Fall Stützstrukturen in Baum- oder organischer Form, da diese nur minimalen Kontakt zum Bauteil haben und sich in der Regel deutlich leichter von der filigranen Gewindegeometrie entfernen lassen.
Nachbearbeitung für optimale Passform
Die Endbearbeitung des Drucks auf der Bauplatte ist nicht das Ende des Prozesses. Mit wenigen Minuten Nachbearbeitung lässt sich ein straffes, rau anfühlendes Gewinde in ein reibungslos und zuverlässig laufendes verwandeln.
-
Saubere Entfernung. Zuerst jegliches Stützmaterial vorsichtig entfernen. Verwenden Sie einen Seitenschneider und ein Bastelmesser, um eine saubere Oberfläche zu erhalten. Achten Sie dabei darauf, das Gewinde nicht zu beschädigen.
-
Der Einpassvorgang. Beim ersten Zusammenschrauben der Teile sitzt die Verbindung wahrscheinlich sehr stramm. Das ist normal und zu erwarten. Wir empfehlen, Mutter und Schraube mehrmals zusammen- und wieder auseinanderzuschrauben. Dadurch werden die Kontaktflächen poliert, kleine Unebenheiten aus dem Druckprozess beseitigt und ein reibungsloser, reibungsarmer Lauf gewährleistet. Möglicherweise sehen Sie sogar kleine, staubartige Kunststoffspäne – ein gutes Zeichen dafür, dass der Prozess funktioniert.
-
Sorgfältige Reinigung. Falls die Teile noch zu fest sitzen, prüfen Sie das Gewinde auf offensichtliche Mängel. Entfernen Sie mit einem kleinen Bastelmesser vorsichtig alle Materialreste oder Fäden. Achten Sie dabei besonders auf die Z-Naht und die erste Lage, die manchmal etwas zusammengedrückt und zu groß sein kann.
-
Der Gewindeschneider-Trick. Für höchste Präzision an einem kritischen Bauteil können Sie ein handelsübliches Gewindeschneider-Set verwenden, um die gedruckten Gewinde nachzuschneiden. Dies ist ein fortgeschrittener Arbeitsschritt. Gehen Sie dabei langsam und sorgfältig vor und lassen Sie das Werkzeug den vorhandenen Gewindegängen folgen, anstatt neue zu schneiden. Zu schnelles Arbeiten kann zum Verklemmen und Brechen des Kunststoffteils führen.
Fortgeschrittene Problemlösung
Selbst bei bester Vorbereitung können Probleme auftreten. Hier finden Sie eine Anleitung zur Diagnose und Behebung der häufigsten Probleme beim Erlernen des 3D-Drucks von Gewinden.
Problem: Gewinde zu eng
- Symptom: Die Teile sehen gut aus, aber sie sitzen zu fest, um sie zusammenzuschrauben, oder sie starten überhaupt nicht.
- Mögliche Ursachen: Zu geringe Toleranz im Konstruktionsmodell; Überextrusion, insbesondere der „Elefantenfuß“ in der ersten Schicht; oder ein Z-Naht-Klumpen blockiert den Pfad.
- Lösungen:
- Gehen Sie zurück zu Ihrem Konstruktionsmodell und erhöhen Sie das radiale Spiel um weitere 0,1 mm (insgesamt 0,2 mm) und drucken Sie Ihr kleines Teststück erneut aus.
- Verwenden Sie die Einstellung „Horizontale Ausdehnung der ersten Schicht“ oder eine ähnliche Funktion in Ihrem Slicer, um die Stauchung der ersten Schicht auszugleichen. Ein Wert von -0,1 mm bis -0,2 mm ist ein guter Ausgangspunkt.
- Verlegen Sie Ihre Z-Naht an eine Oberfläche ohne Gewinde oder in eine Ecke.
Problem: Schwache oder beschädigte Gewinde
- Symptom: Beim Anziehen brechen die Gewindegänge ab oder werden beschädigt.
- Mögliche Ursachen: Bei einer Schraube wurde diese vermutlich vertikal gedruckt, wodurch der Schaft entlang einer Schichtgrenze brach (Zugversagen). Bei beiden Teilen brachen die Gewindegänge aufgrund zu geringer Wandstärke oder mangelhafter Schichthaftung ab.
- Lösungen:
- Wenn die Zugfestigkeit der wichtigste Faktor für eine Schraube ist, wechseln Sie zu einer horizontalen Druckposition.
- Erhöhen Sie die Wand-/Umfangszahl in Ihrer Schneidemaschine auf 4 oder sogar 5. Dadurch werden die Gewinde wesentlich robuster.
- Drucken Sie einen Temperaturturm für Ihr Filament und erhöhen Sie die Drucktemperatur um 5-10°C, um die Schichthaftung und die Gesamtfestigkeit des Bauteils zu verbessern.
Problem: Unordentliche Fadenunterseiten
- Symptom: Die nach unten gerichteten Fäden Ihrer Kleidung sehen schlaff, rau und unordentlich aus.
- Mögliche Ursachen: Der Überhangwinkel in Ihrem Design ist zu steil für Ihren Drucker; Sie drucken zu schnell oder zu heiß, sodass die Schichten nicht genügend Zeit zum Abkühlen haben; oder die Kühlung Ihres Bauteils ist unzureichend.
- Lösungen:
- Überprüfen Sie die Entwurfsphase erneut. Messen Sie den Überhangwinkel Ihres Gewindes und stellen Sie sicher, dass er 45 Grad nicht überschreitet.
- Verringern Sie die Druckgeschwindigkeit der Außenwand, um dem Filament mehr Zeit zum Aushärten zu geben, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird.
- Prüfen Sie nach den ersten paar Druckschichten, ob der Bauteillüfter aktiviert ist und mit 100 % Leistung läuft.
Geh hinaus und drucke aus!
Die Beherrschung von 3D-gedruckten Gewinden eröffnet neue Dimensionen des funktionalen 3D-Drucks. Die Lösung besteht nicht in einer einzelnen Einstellung, sondern in einem umfassenden Prozess. Der Erfolg basiert auf einer Kombination aus durchdachtem, speziell für den 3D-Druck entwickeltem Design und präzisem Slicing, das die Grenzen der Technologie berücksichtigt. Wer die Hintergründe jedes einzelnen Schrittes versteht, kann zuverlässig passgenaue und funktionsfähige Bauteile herstellen.
Beachten Sie die goldenen Regeln, und Sie werden jedes Mal perfekte Nähte erhalten:
- Druckvorlage: Modifizierte, abgerundete Formen mit großzügigem Freiraum verwenden.
- Position für die Arbeit: Wählen Sie vertikal für Präzision und Passform, horizontal für Zugkraft.
- Langsam und präzise drucken: Für Genauigkeit niedrige Schichthöhen und langsame Außenwandgeschwindigkeiten verwenden.
- Testen, testen, testen: Drucken Sie vor einem längeren Druck immer ein kleines Teststück, um Ihre Toleranzen zu überprüfen.
Mit diesen Prinzipien sind Sie nun in der Lage, robuste, funktionale Garne zu entwerfen und zu drucken und damit eine Welt neuer Möglichkeiten für Ihre Projekte zu erschließen.