PLA-Teile ohne Kleber: Forscher testen Steckverbindungen nach japanischem Vorbild
Forschende haben drei ineinandergreifende Verbindungstypen auf ihre Festigkeit in PLA-Teilen getestet. Das Ergebnis: Form und Größe der Verbindung machen einen großen Unterschied.
Was wäre, wenn Sie 3D-gedruckte Teile zusammenbauen könnten, ohne zu Kleber, Schrauben oder anderen Befestigungselementen zu greifen? Forschende aus Irland haben sich von der traditionellen japanischen Holzbearbeitung inspirieren lassen. Sie untersuchten, wie ineinandergreifende Kunststoffbauteile das möglich machen könnten. Und das Beste: Einige Slicer übernehmen diese Aufgabe bereits automatisch.
Anleihen bei der Holzbearbeitung
Die Studie ist gerade in der Fachzeitschrift Results in Engineering erschienen. Darin untersuchten Forschende der University of Galway und der Atlantic Technological University drei Verbindungsarten für 3D-gedruckte PLA-Teile. Alle drei sind von japanischen Holzverbindungen inspiriert: Schwalbenschwanz-, C- und T-Verbindungen.
Mit einem Prusa MK4 und PLA-Filament fertigte das Team 135 Testbaugruppen. Dabei variierte es Abmessungen, Winkel und die Anzahl der ineinandergreifenden Elemente. Die Prüfkörper wurden mit einer Schichthöhe von 0,2 mm und 100 % Füllung gedruckt. Anschließend folgten Zugversuche, um zu ermitteln, wie viel Zugkraft sie aushalten.
Die C-förmige Verbindung erwies sich als die stärkste der getesteten Konfigurationen. Eine Variante mit 5 mm Halsdicke erreichte eine Zugfestigkeit von 7 MPa. Damit übertraf sie sowohl die T-förmige als auch die Schwalbenschwanzverbindung.
Interessanterweise gilt hier nicht: je größer, desto besser. Wurde die Halsdicke der C-Verbindung auf 7 mm erhöht, sank die Zugfestigkeit sogar. Auch zusätzliche ineinandergreifende Elemente brachten gemischte Ergebnisse: Manche Verbindungen wurden stabiler, andere schwächer.
Die C-förmige Verbindung mit 5 mm Halsdicke war mit einer Zugfestigkeit von 7 MPa am stärksten. Das entspricht allerdings nur 15,8 % der Festigkeit eines durchgehenden PLA-Prüfkörpers ohne Verbindung.
Die Sache hat allerdings einen großen Haken. Selbst die stärkste Verbindung erreichte nur etwa 16 % der Zugfestigkeit eines durchgehenden PLA-Prüfkörpers ohne Verbindung. Dieser kam auf 44,4 MPa.
Für 3D-Druck-Enthusiasten liefert die Studie nützliche Erkenntnisse. Sie hilft etwa bei der Konstruktion modularer Objekte, austauschbarer Komponenten und Baugruppen, die ohne zusätzliche Befestigungsteile auskommen. Für C-Verbindungen brauchen Sie allerdings eine CAD-Software. Den meisten automatisierten Tools fehlt diese Verbindungsform bislang.
Ihr Slicer kann schon Schwalbenschwanz
Wer mit ineinandergreifenden Verbindungen experimentieren möchte, findet einige der nötigen Werkzeuge bereits in gängiger 3D-Druck-Software. PrusaSlicer, OrcaSlicer und Bambu Studio bieten einen Schwalbenschwanz-Schnittmodus. Teilen Sie ein Modell in druckbare Einzelteile auf, erzeugt dieser automatisch passende Schwalbenschwanzverbindungen. Cura-Nutzer erhalten eine ähnliche Funktion über Plugins von Drittanbietern.
Die immer beliebteren automatisierten Tools zum Aufteilen von Modellen wie Meshy, Tripo und ModelSplitter setzen dagegen auf deutlich einfachere Dübel- oder Steckverbindungen, die geklebt werden müssen.
Bei den C- und T-Verbindungen aus der Studie sieht es anders aus. Diese Geometrien gehören derzeit nicht zum Standardrepertoire gängiger Programme zum Aufteilen von Modellen. Hobby-Maker müssten sie also manuell in einer CAD-Software konstruieren. Die Forschungsergebnisse könnten Entwicklern jedoch künftig helfen, ausgefeiltere Werkzeuge zur Verbindungsgenerierung einzuführen. Nutzer könnten Verbindungen dann nicht nur nach einfacher Montage auswählen, sondern auch nach ihrer mechanischen Festigkeit.
Japanisch inspirierte Holzverbindungen werden also nicht so bald jede Schraube in Ihren Druckprojekten ersetzen. Dennoch liefert die Studie interessante Design-Lektionen für alle, die Teile konstruieren möchten, die sauber ineinandergreifen.
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