Kunststoff-Direktverschraubung von 3D-Druck-Bauteilen

Neben Klipsen, Schweißen und Kleben ist das Einbringen technischer Verschraubungen in der Baugruppenmontage eines der wichtigsten Fügeverfahren für verschiedenste Industriezweige. Ob gedruckte Kunststoff-Kleinserienteile oder Prototypen für die Baugruppenerprobung und Absicherung, es sollte in jedem Fall eine zuverlässige Schraubverbindung in 3D-gedruckten Formteilen, vergleichbar zu spritzgegossenen Artikeln, vorausgesetzt werden.

Die hier vorgestellte Untersuchung hatte das Ziel, den hohen Qualitätsstandard zur Verfügung stehender Druckwerkstoffe, die Reproduzierbarkeit im Druckprozess, sowie die grundsätzlichen Eigenschaften der Schraubverbindungen in gedruckten Teilen darzustellen.

Der Compoundhersteller Lehmann&Voss&Co., Hamburg, geht davon aus, dass alle auf Spritzgießmaterialien angewandte Fügeverfahren, auch auf seine 3D-Druckwerkstoffe für Fused Filament Fabrication (FFF) anwendbar sind. Diese Werkstoffe, mit dem Handelsnamen Luvocom 3F, sind speziell auf die FFF-Technologie optimiert. Damit lassen sich Bauteile über den 3D-Druck herstellen, die den Vergleich der mechanischen Eigenschaften, zu in klassischen Verfahren hergestellten Bauteilen, nicht scheuen müssen.

Um die Verschraubbarkeit dieser Materialien zu prüfen, wurden in Kooperation mit Ejot, Bad Berleburg, Schraubversuche an 3D-gedruckten Schraubdomen durchgeführt.

Schraubdom gespritzt (l.) und gedruckt (r.). (Fotos: LuV)

Für die Schraubversuche wurde die kürzlich im Markt eingeführte Schraube Ejot Evo PT ausgewählt. Bei diesem Schraubentyp ist, neben einem verbesserten Ansetzverhalten, das Eindrehmoment nahezu unabhängig von der Einschraubtiefe.

Für eine vergleichende Schraubuntersuchung wurden in dem vorhandenen Ejot-Schraubdomwerkzeug Standarddome aus Vergleichswerkstoffen gespritzt. Analoge Luvocom-3F-Materialien wurden im 3D-Drucklabor bei Lehmann&Voss&Co. gedruckt.

Der Bereich FFF im 3D-Druck-Technikum bei Lehmann&Voss&Co. (Foto: LuV)

Da beim Drucken von Bohrungen verfahrensbedingt stets eine gewisse Dimensionsunschärfe auftritt, wurde die Schraubbohrung (Vorloch) jeweils nachkalibriert, um einem belastbaren Versuchsstandard zu folgen. Alle Prüfdome wurden im FFF-Verfahren hergestellt.

Verwendete Werkstoffe innerhalb der Versuchsreihe. (Quelle: LuV)

Unverstärktes Polypropylen

Schraubkennwerte PP. (Abb.: LuV)

Unverstärktes PP ist ein nicht einfach zu druckender Werkstoff. Auch beim Spritzgießen ist das Material teilweise herausfordernd, insbesondere bei dickwandigen Schraubdomen. Gelegentlich tritt eine träge Kristallisation mit der Folge starker Lunkerbildung auf. Dies war bei Luvocom 3F PP 9929 NT, das hier auch verspritzt wurde, nicht zu beobachten. Hieraus resultierend konnten alle gespritzten Dome mit guten, reproduzierbaren Kennwerten verschraubt werden. Über die Kalibrierung der Schraubbohrung am gedruckten Dom zeigte sich, dass bei einer technisch sinnvoll ausgewählten Vorlochgeometrie Verschraubungswerte erreicht werden, die fast auf dem Niveau des gespritzten Doms liegen. Dies betraf alle charakteristischen Kennwerte, wie Einschraubmoment (Me), Anziehdrehmoment (Ma) sowie Überdrehmoment (Mü). Hierbei lag für alle drei Werte die Schwankungsbreite in üblichen technischen Größenordnungen.

Carbonfaserverstärktes Polypropylen

Schraubkennwerte PP/CF. (Abb.: LuV)

Bei den Versuchen war zu erkennen, dass für ein carbonfaserverstärktes PP (Luvocom 3F PP CF 9928 BK) Verschraubungswerte erreicht werden konnten, die rund 60 % über denen des unverstärkten PP lagen. Bei einer Variation des Vorlochdurchmessers von 3,2 mm bis 3,4 mm sind bezüglich der Drehmoment Messwerte keine signifikanten Unterschiede erkennbar. Vielmehr bleiben diese auf fast gleichem Niveau. Bei 3,3 mm Vorlochdurchmesser liegt ein Optimum mit scharf abgegrenztem Überdrehmoment (geringe Messwertstreuung) vor. Die vergleichsweise geringere Dehnung des Materials wirkt sich hier deutlich positiv aus.

Carbonfaserverstärktes Polyamid

Schraubkennwerte PA/CF. (Abb.: LuV)

Bei Luvocom 1/CF15/HS (PA 66 CF/15) handelt es sich um ein sehr leistungsfähiges Produkt für das Spritzgießen. Bei den spritzgegossenen Schraubdomen aus diesem Material sind hohe Anziehmomente möglich. Sowohl das Einschraubmoment (0,6 Nm) als auch das Überdrehmoment (3,8 Nm) liegen stabil, mit einem großen Sicherheitsabstand zum Anziehdrehmoment. Me und Mü sind überdies mit geringer Wertebandbreite und geringer Standardabweichung sehr klar definiert. Insbesondere der große Abstand des Überdrehmoments zum Anziehdrehmoment charakterisiert einen prozesssicheren und somit jederzeit beherrschbaren Schraubvorgang.

Zum Vergleich wurde Luvocom 3F PAHT CF 9742 BK verarbeitet. Hier handelt es sich um einen hochentwickelten Werkstoff für FFF. Die Rezeptur ist abweichend zum geprüften Spritzgießmaterial, beinhaltet aber ebenfalls 15 % CF. Die mechanischen Kennwerte, wie z. B. Bruchspannung und Bruchdehnung, liegen beim Spitzgießmaterial auf höherem Niveau. Dies zeigt sich beim gedruckten Dom in den etwas geringeren Schraubwerten. Dabei wurden dennoch reproduzierbar gute Drehmomentwerte erreicht (Me = 0,55 Nm; Ma = 1,6 Nm; Mü = 2,8 Nm). Auch hier liegen die Einschraubwerte jeweils in ausreichend großen Sicherheitsabständen zueinander. Das Material Luvocom 3F PAHT CF 9742 BK ermöglicht eine prozesssichere Direktverschraubung mit der Ejot Evo PT.

Fazit und Ausblick

Mit der hier beschriebenen durchgängigen Versuchsreihe konnte nachgewiesen werden, dass eine prozesssichere Direktverschraubung in gedruckten Teilen mit der Schraube Ejot Evo PT realisierbar ist. 3D-gedruckte Bauteile erreichen Festigkeiten, die vergleichbar mit spritzgegossenen Bauteilen sind. Anwendungen in Serienanwendungen sind damit möglich.

Bei den Versuchen fiel positiv auf, dass keine Schraubdome durch Radialspannungsversagen (Aufplatzen) ausfielen. Auch trat kein Schichtabheben in der Z-Ebene auf. Dies ist im 3D-Druck die Aufbauachse, die mit der Schraubachse zusammenfällt. Das ist von besonderer Bedeutung, da die Z-Ebene beim 3D-Druck mit der Bindenaht beim Spritzgießen vergleichbar ist. Bei gedruckten Teilen ist dies meist eine Schwächezone. Dies zeigt einmal mehr, dass Luvocom-3F-Werkstoffe über alle Beanspruchungsachsen als hochfeste Materialien angesehen werden können. Es werden hiermit auch im 3D-Druck Festigkeitswerte erreicht, die unmittelbar mit Spritzgussteilen vergleichbar sind. Die in dieser Voruntersuchung ermittelten Messwerte, ermittelt an gedruckten Teilen, lagen uneingeschränkt in Größenordnungen, die für Spritzgussteile üblich sind. Jeweils einhergehend mit geringen Standardabweichungen bei den gemessenen Einschraubparametern. Weitere Versuche mit Luvocom- 3F-Werkstoffen auf Basis von PAHT CF, PPS, PEEK und PEI sind geplant.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass reproduzierbare und absicherungsfähige Verschraubungen mit der Ejot Evo PT in 3D-gedruckten Teilen sicher umsetzbar sind.

Kennzeichnend ist, wie bei allen Kunststoff-Direktverschraubungen, stets die optimale Dimensionierung des Schraubdoms und insbesondere des Vorlochdurchmessers. Weitergehende Parameter, wie zum Beispiel die Schraubenoberfläche oder die Schrauberdrehzahl, wirken sich auf das Gesamtergebnis aus, wurden hier jedoch nicht variiert, um den Prüfaufwand in Grenzen zu halten. Um gute Ergebnisse zu erzielen, ist eine enge Zusammenarbeit mit Kunststoff- und Schraubenhersteller in jedem Falle zu empfehlen.

Der Ansatz, eine Vordimensionierung von Schraubverbindungen in gedruckten Teilen mit dem Prognoseprogramm Ejot Evo Calc berechenbar zu machen, wird diskutiert und ist für die Zukunft geplant.

Autoren:
Dipl.Ing. Eric Folz, Market Development Manager im Geschäftsbereich Customized Polymer Materials bei Lehmann&Voss&Co.
Volker Dieckmann, Produktmanager für Kunststoffverschraubung bei Ejot

www.luvocom.de
www.lehvoss.de
www.ejot.de