Untersuchungen zur Herstellung und Tragfähigkeit von additiv gefertigten Gewinden.

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der Tragfähigkeit von 3D-gedruckten Gewinden. Dabei soll die Frage geklärt werden, ob 3D-gedruckte Gewinde als belastete Elemente genutzt werden können und wie die Tragfähigkeit dafür berechnet werden kann.Dabei wird die Herstellung mittels Stereolithografie (SLA) 3D-Druck mit einem Material sowie einem Drucker der Firma Cubicure untersucht. Um die Herstellung zu bewerten wird das Fertigungsverfahren und deren Einfluss auf die Geometrie betrachtet. Dazu werden Geometrien gedruckt, die mittels Mikroskopie als auch mittels CT-Scan ausgewertet werden, um die erreichbare Präzision und nötige Anpassungen an die Geometrie zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass das untersuchte Verfahren die nötige Präzision bietet, um Gewinde in verschiedenen Größen und Raumorientierungen herzustellen. Um die Tragfähigkeit zu bestimmen, wird die Scherfestigkeit des Materials untersucht. Mit der VDI2230 wird eine Berechnungsmethode für die Tragfähigkeit von Gewinden betrachtet und Anpassungen für die Berechnung von Kunststoffgewinden werden diskutiert. Mit den ermittelten Materialwerten wird die Berechnung durchgeführt. Es wird eine nicht lineare FE Simulation für ein Gewinde durchgeführt, um die plastische Verformung eines Gewindes unter Belastung zu simulieren. Zudem werden Ausreißversuche mit 3D-gedruckten Gewinden durchgeführt um die Berechnungsergebnisse der analytischen Berechnung sowie der FE Simulation zu validieren. Mit den erlangten Erkenntnissen wird die analytische Berechnung angepasst, um die Tragfähigkeit von 3D-gedruckten Gewinden bestimmen zu können. Es wird folgende Formel für die Berechnung der Tragfähigkeit von 3D-gedruckten Gewinden erarbeitet: F = Ck ∗ π ∗ d2 ∗ 7/8 ∗ τBM ∗ (L/d)^CP

This thesis deals with the production and load capacity of 3D printed threads. The goal is to clarify whether 3D printed threads can be used as loaded elements and how the load-bearing capacity can be calculated. In this context, the fabrication using SLA (Stereolithography) 3D printing with a material as well as a printer from the company Cubicure will be investigated.To evaluate the Precision of the printed threads, the manufacturing process and its influence on the geometry is considered. The printed threads are evaluated by microscopy and by CT scanning in order to quantify the achievable precision and predict necessary adjustment to the geometry. The results show that the investigated process provides the necessary precision to produce threads in different sizes and orientations.To determine the load-bearing capacity, the shear strength of the material is investigated first.Using the VDI2230, a calculation method for the load bearing capacity of threads is considered and adaptations for the calculation of polymer threads are discussed. The calculation is performed with the determined material values. A non-linear FE simulation is performed for a thread to simulate the plastic deformations under load. In addition, pull out tests are performed with 3D-printed threads to validate the results of the analytical calculation as well as the FE simulation. With the obtained knowledge, the Analytical Calculation is adapted to determine the load carrying capacity of 3D printed threads. The following formula for calculating the loadbearing capacity of 3D-printed threads is developed: F = Ck ∗ π ∗ d2 ∗ 7/8 ∗ τBM ∗ (L/d)^CP