Einschmelzmuttern im 3D-Druck: Bohrung, Tiefe und Temperatur

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Eine Einschmelzmutter, genauer ein Gewindeeinsatz zum Einschmelzen, ist eine Messingbuchse mit Rändelung außen und metrischem Gewinde innen. Erwärmt man sie, wird der Kunststoff um die Bohrung weich, fließt in die Hinterschneidungen und hält den Einsatz nach dem Abkühlen fest.⁸ So bekommt ein Druckteil ein verschleißfestes Metallgewinde.⁹ Hier steht, wie du Bohrung, Tiefe und Temperatur aus Herstellerangaben ableitest und wann eine andere Methode reicht.

Die Bohrung: Durchmesser, Tiefe, Wand

Die Maße hängen vom Einsatz ab, nicht nur vom Gewinde. Die Maßzeichnung von CNC Kitchen, die der Druckerhersteller Prusa auf seiner Produktseite zeigt, und die Tabelle der TU Dresden für ruthex-Einsätze nennen dieselben Durchmesser und Mindestwände.²¹ Ein Industrie-Einsatz von Böllhoff zum Warmeinbetten braucht für M3 dagegen 4,4 mm; der Hersteller nennt seine Maße Richtwerte, die vom Werkstoff abhängen und nach Einbauversuchen anzupassen sind.⁸

Alle Werte in mm, Einsätze in Standardlänge; Tiefe und Wand min. aus der Zeichnung von CNC Kitchen.² Das EPFL-Wiki rät, zur Mindesttiefe des Herstellers noch mindestens 1 mm Reserve zu geben.¹⁰ Bei ruthex sind M2 und M2,5 länger (4,0 und 5,7 mm)⁶; die TU Dresden nennt dafür mindestens 5,0 und 6,7 mm Tiefe. M6 führt sie nicht; Einsätze über M4 hält ihre Werkstatt außer für Ersatzteile für nicht sinnvoll.¹ Die SPIROL-Spalten sind unsere Rechnung nach dessen allgemeinen Regeln für Kunststoffteile, nicht speziell für den 3D-Druck: Einsatzlänge plus zwei Gewindegänge, Dom zwei- bis dreimal so dick wie der Einsatz.⁴ Bis M3 ergibt das keine größere Tiefe als die Zeichnung, ab M4 0,4 bis 1,0 mm mehr.

Die Durchmesser sind Nennmaße der fertigen Bohrung. Gedruckte Bohrungen fallen meist etwas kleiner aus: In einem Test von CNC Kitchen hatten sie etwa 0,25 mm Untermaß, deshalb gibt der Anbieter bei kleinen Einsätzen im CAD 0,2 bis 0,3 mm zu. Für M3 waren dort 4,2 mm im CAD der beste Kompromiss: Der Einsatz ließ sich vorab in die Bohrung stellen, unten bildete sich kein Grat, und er hielt noch etwa 90 % der Höchstkraft.¹¹

Die Bohrung soll gerade sein, nicht konisch.³ SPIROL lässt bei geraden Bohrungen höchstens 1° Konizität zu; konische Bohrungen mit 8° gehören nur zu konischen Einsätzen.⁴ Bei der Fase sind sich die Quellen nicht einig: CNC Kitchen hält sie normalerweise für unnötig³, das EPFL-Wiki empfiehlt 0,3 bis 0,5 mm¹⁰, LulzBot eine Fase als Platz für den geschmolzenen Kunststoff.⁵

Wand und Füllung: Der Kunststoff muss mithalten

Um die Bohrung gehört eine vollständig gefüllte Wand aus Vollmaterial; die TU-Dresden-Werkstatt rät, sie gleich im CAD zu konstruieren.¹ Wie viel das ausmacht, hat ein Ausziehversuch an derselben Universität gemessen, mit einem Biokunststoff auf Ligninbasis und 8-mm-Bohrung: Mit 70 statt 30 % Füllung stieg die mittlere Ausziehkraft von etwa 1,5 auf 3,5 kN. Eine Wand von 2,4 statt 1,2 mm hob den Median von 1,0 auf 1,5 kN, 3,2 mm brachten nichts mehr.¹² LulzBot rät zu mindestens zwei Perimetern und einer Wanddicke, die ein Vielfaches der Extrusionsbreite ist.⁵

Die Bohrung im Gegenstück muss kleiner sein als der Einsatz. Sonst trägt der Einsatz die Klemmkraft der Schraube und kann herausgezogen werden.¹⁴

Welche Temperatur für PLA, PETG, ABS und ASA?

Alle hier zitierten Quellen gehen von der Drucktemperatur deines Filaments aus. LulzBot empfiehlt, den Lötkolben auf die Drucktemperatur zu stellen⁵, das EPFL-Wiki ebenso, für PETG auf 230 °C.¹⁰ ruthex nennt 10 bis 15 °C mehr⁶, CNC Kitchen 10 bis 20 °C.³ Prusa schreibt auf derselben Produktseite einmal 10 °C und einmal 10 bis 20 °C mehr.²

Düsentemperaturen laut Polymaker^13141516; die Spanne der Lötspitze ist unsere Rechnung aus den Herstellerregeln (0 bis 20 °C mehr).⁵³ Rechne mit der Temperatur, mit der du tatsächlich gedruckt hast: PLA bei 210 °C ergibt 210 bis 230 °C.

In einer Studie zu Drohnenarmen aus PLA, gedruckt bei 210 °C, wurden die Einsätze mit einem 230 °C heißen Lötkolben eingesetzt.¹⁷ Im Ausziehversuch der TU Dresden wurde der Einsatz nur auf 165 °C erwärmt, aber maschinell mit 0,5 kN eingepresst.¹² Ein Lötkolben ohne Temperaturregelung wird oft etwas heißer als empfohlen, was den Kunststoff zersetzen kann.³ Wie viel Wärme das fertige Teil verträgt, hängt vom Kunststoff ab; der Glasübergang liegt bei PLA bei 61 °C, PETG 81 °C, ASA 98 °C und ABS 101 °C^13141615, mehr im Filamentvergleich.

Schritt für Schritt einschmelzen

1. Probedruck: Bohrungen in mehreren Durchmessern im selben Material und mit denselben Einstellungen drucken. Schiebt der Einsatz unten einen Grat heraus, ist die Bohrung zu klein; waagrechte Bohrungen können oben etwas kleiner ausfallen.³
2. Spitze wählen: die passende Spitze kalt montieren, dann die Temperatur einstellen.¹⁰ Sie soll mittig auf dem Einsatz aufliegen und sonst nichts berühren.⁵
3. Aufsetzen: den Einsatz mit dem schmaleren Ende nach unten in die Bohrung stellen.⁵¹⁰
4. Einschmelzen: den Lötkolben senkrecht aufsetzen, einige Sekunden warten, dann langsam und gleichmäßig drücken.⁵¹⁰ Nur etwa 90 % der Tiefe mit der Spitze einschmelzen.³ Zu schnelles Drücken schiebt geschmolzenen Kunststoff über den Einsatz⁵; wölbt sich die Wand, ist es zu heiß oder der Druck zu groß.¹⁰
5. Bündig drücken und halten: den Rest mit einem flachen Metallwerkzeug bündig drücken und einige Sekunden halten, bis der Kunststoff fest ist; sonst wandert der Einsatz wieder etwas heraus.³¹⁰ SPIROL lässt höchstens 0,13 mm Überstand zu.⁴
6. Abkühlen: erst danach die Schraube eindrehen.⁹ Klemmt sie am Ende des Einsatzes, war die Bohrung wahrscheinlich zu klein.³ Die Spitze bleibt nach dem Ausschalten minutenlang heiß.¹⁰

Laut SPIROL hängen etwa 75 % der Leistung eines Gewindeeinsatzes davon ab, wie gut er eingebaut ist.¹⁸ Kleine Einsätze (M2 bis M3) lassen sich mit einem Auszieher und dem Lötkolben wieder herausziehen.³ In Harzdrucke (SLA) lassen sich Einsätze nicht einschmelzen; dort werden sie eingeklebt.³⁹

Einschmelzen oder anders? Fünf Methoden im Vergleich

Wie groß die Unterschiede sein können, zeigt ein Versuch mit M4-Schrauben in PLA+: Entscheidend war nicht nur die Methode, sondern auch der Einsatz und die Füllung.⁷

Zugkraft bis zum Versagen, M4 in PLA+, nach Füllgrad

10 % Füllung20 % Füllung40 % Füllung

Einsatz, einfach301 N370 N428 N

Einsatz, länger, mit Bund502 N701 N1.080 N

Vierkantmutter, seitlich eingeschoben435 N594 N885 N

Vierkantmutter, beim Druck eingelegt547 N779 N957 N

In lasergesinterten Teilen (SLS) aus PA12 mit Gewinde M8 hielt ein gedrucktes Gewinde im Mittel 3,41 kN, eine Einschmelzmutter 3,83 kN (+12 %) und ein Gewindeeinsatz aus Draht 4,78 kN (+40 %).²⁰ Solche Werte gelten nur für die geprüften Teile; einen Versuch am eigenen Bauteil ersetzen sie nicht.

Sechs Wege zum Gewinde im Überblick und die Maße der TU Dresden für Kurzeinsätze stehen auf unserer Seite 3D-Druck, der Begriff im Lexikon.

Anzugsmomente nennen wir bewusst nicht. Wie fest du anziehen kannst, hängt von Einsatz, Kunststoff und Druckeinstellungen ab; zu festes Anziehen verformt den Kunststoff um den Einsatz.¹⁰ Maßgeblich sind die Angaben des Herstellers und ein Versuch am eigenen Teil.

Häufige Fragen

Welche Bohrung braucht eine Einschmelzmutter M3?

Für die verbreiteten 3D-Druck-Einsätze M3 nennen die Hersteller 4,0 mm Durchmesser und bei 5,7 mm Einsatzlänge mindestens 6,7 mm Tiefe; maßgeblich ist das Datenblatt deines Einsatzes. Das ist das Maß der fertigen Bohrung: Gedruckte Bohrungen fallen meist kleiner aus, deshalb gibt CNC Kitchen im CAD 0,2 bis 0,3 mm zu. Ein Probedruck zeigt, ob die Bohrung passt.

Wie heiß muss der Lötkolben für Gewindeeinsätze in PLA sein?

Die Hersteller gehen von der Drucktemperatur aus und legen 0 bis 20 °C darauf. CNC Kitchen nennt für PLA etwa 225 °C, für PETG 245 °C und für ABS 265 °C.

Wie tief muss das Loch für einen Gewindeeinsatz sein?

Ein Sackloch sollte etwa 1 mm tiefer sein, als der Einsatz lang ist. SPIROL rechnet mit Einsatzlänge plus zwei Gewindegängen; ab M4 ergibt das etwas mehr Tiefe.

Hält eine Einschmelzmutter besser als eine eingelegte Mutter?

Das hängt vom Einsatz und von der Füllung ab. In einem Versuch mit PLA+ hielt bei 40 % Füllung ein längerer Einsatz mit Bund am meisten, bei 10 und 20 % die beim Druck eingelegte Vierkantmutter. Ein kurzer einfacher Einsatz hielt bei jeder Füllung am wenigsten.