Per 3D-Druck zum beweglichen Anschauungsobjekt

Ein Druckluftmotor in Farbe

Anschauungsmodelle die sich bewegen, sind hervorragend geeignet, einen technischen Unterricht ausgesprochen interessant zu gestalten. Derartige Modelle lassen sich mit einem 3D-Drucker in kurzer Zeit erstellen. Durch den Einsatz unterschiedlich farbiger Filamente lassen sich sogar besonders reizvolle Modelle produzieren, da es damit möglich ist, Funktionsbaugruppen optisch hervorzuheben.

Mit dem 3D-Drucker hergestellte Teile lassen sich zusammenkleben oder zusammenschrauben. Auf diese Weise entstehen Prototypen für die Industrie, Studienobjekte für Studenten oder Anschauungsmodelle für den Schulunterricht. Um derartige Hingucker zu produzieren ist es allerdings nötig, sich mit Klebstoffen, Schrauben sowie Gewinden zu beschäftigen, damit der Zusammenbau reibungslos klappt.

Während es im Fall von Klebstoffen in der Regel genügt, auf der Verpackung nachzulesen, ob der gewählte Klebstoff mit dem für die gedruckten Teile genutzten Filament-Kunststoff harmoniert, ist es bei verschraubten Teilen nötig, sich ein Tabellenbuch zuzulegen, um den Kernbohrungsdurchmesser für die gewünschten metrischen Gewinde in Erfahrung zu bringen. Ein Messschieber leistet zudem gute Dienste, um im Fall von Blechrauben den nötigen Bohrungsdurchmesser zu ermitteln, damit Teile mit bestimmten Schrauben sicher verbunden werden können.

Dieses Wissen rund um die Verbindungstechnik ist nötig, um mit einem CAD-Programm entsprechende Konstruktionen von Einzelteilen erstellen zu können, die sich nach dem 3D-Druck problemlos montieren lassen. Je komplizierter zudem die ins Auge gefasste Konstruktion, umso wichtiger ist der souveräne Umgang mit dem eigenen CAD-System, um zügig die Konstruktion der Einzelteile abzuschließen.

Und nicht zuletzt sind die Grenzen und Grundvoraussetzungen des 3D-Drucks zu beachten, damit die gewünschten Teile auch problemlos produziert werden können. So muss beispielsweise zu jedem einzelnen Teil überlegt werden, in welcher Lage es sicher und maßhaltig gedruckt werden kann. Sollen Teile mit maßgenauen Bohrungen hergestellt werden, so sollten diese Teile derart gedruckt werden, dass die Bohrungen in der XY-Ebene liegen, da nur so die Rundheit der Bohrungen mit hoher Genauigkeit ausgeführt wird. Wenn dies nicht möglich ist, müssen die Bohrungen mit einem Bohrer oder einer Reibahle nachbearbeitet werden, um die gewünschte Rundheit zu erreichen.

3D-Normteile für die Montage

Die meisten Teile des Druckluftmotors sind unkritisch über die Funktion „Körper neu positionieren“ zusammenzubauen. Mit BeckerCAD werden zudem einfache 3D-Normteile mitgeliefert, die für die Montage verwendet werden können. Diese befinden sich hier: „C:/BeckerCAD14/User/SAT/Maschinenbau-3D-Normteile“. Allerdings sind diese unsortiert, weshalb es viel Sinn macht, diese in ein sortiertes, eigenes Verzeichnis zu kopieren, das beispielsweise wie im nebenstehenden Bild aussehen könnte.

Diese 3D-Normteilesammlung beherberg nahezu alle wichtigen Schrauben, Muttern und Scheiben, um die eigenen Konstruktionen damit perfekt zu ergänzen. Zwar werden bei den Schrauben und Muttern keine 3D-Gewinde genutzt, doch ist dies wohl nur in wenigen Fällen ein Nachteil, zumal in 2D- und 3D-Konstruktionszeichnungen diese von keiner Norm verlangt werden.

Montage der Einzelteile

Beim Zusammenbau der Einzelteile gibt es keine bestimmte Regel, da es bei CAD-Systemen keine große Rolle spielt, in welcher Reihenfolge der Zusammenbau vorgenommen wird. Dies ist bei der realen Montage jedoch anders. Werden bestimmte Abfolgen nicht beachtet, kann es sein, dass die Montage nicht gelingt. So müssen beispielsweise zu montierende Teile des Druckluftmotor-Schaumodells zwingend verschraubt werden, da sonst durch den fehlenden Zusammenhalt der Teile die weitere Montage verhindert wird.

In einem CAD-System ist es beispielsweise problemlos möglich, den Kolben in den Zylinder einzubauen und erst danach den Stift sowie das Pleuel zu montieren. Dies ist in der Realität nicht machbar, da die Montage von Stift und Pleuel durch den nun störenden Zylinder verhindert wird. Im CAD-System kann dieser einfach ausgeblendet werden, weshalb er beim Montageprozess nicht stört.

Nun werden an der Oberseite des Kolbens sowie am zu verbauenden Stift jeweils 3D-Achsen eingezeichnet. Diese dienen dazu, die beiden Körper zu verbinden.

Anschließend können über die Funktion „Körper neu positionieren“ die beiden Teile zueinander ausgerichtet werden.

Nun muss der Stift noch um 7,88 Millimeter nach unter verschoben werden, damit er genau in der Bohrung eingepasst ist. Dieses etwas umständliche Procedere ist nötig, da die Querbohrung des Kolbens durch die vorhandenen Durchdringungskurven keine mathematische Lösung für eine direkte Platzierung des Stiftes zulässt.

Nun wird durch die Bohrung (D3) des Pleuels ebenfalls eine 3D-Achse gezeichnet, die dazu dient, das Pleuel am in den Kolben eingelassenen Stift zu verankern.

Nachdem alles platziert wurde, kann der Zylinder wieder eingeblendet werden, damit die Schwungmasse platziert werden kann.

Damit das Pleuel sowie die Schwungmasse miteinander verbunden werden können, ist es nötig, jeweils deren Flugkreise einzuzeichnen, damit aus den sich ergebenden Schnittpunkten der Montagepunkt für den Verbindungsstift resultiert, der beide Teile miteinander verbindet.

Drehung der Konstruktionsebene

Leider gibt es in BeckerCAD keine Möglichkeit, außerhalb der Funktion „Körper neu positionieren“ Elemente in Kombination mit einer Fangfunktion zu drehen. Auch die Funktion „3D-Objekte transformieren“ ist dazu nicht in der Lage. Für eine exakte Ausrichtung von Pleuel und Schwungmasse bleibt daher nur der Weg, nochmals die Funktion „Körper neu positionieren“ aufzurufen, da es damit möglich ist, die Fangfunktionen zu nutzen, um diese beiden Elemente exakt an einem der ermittelten Schnittpunkte der Flugkreise auszurichten. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, die beiden Elemente ein Stück vom Einbauort wegzuschieben.

Wichtig ist, dass die Drehung der automatisch erzeugten Konstruktionsebene unmittelbar nach der eigentlichen Platzierung der Elemente erfolgt, da nur zu diesem Zeitpunkt die Drehung möglich und zudem die exakte Platzierung mittels der Fangfunktionen aktiviert ist.

Nun können schrittweise die Schwungmasse sowie das Pleuel am vorderen beziehungsweise linken Schnittpunkt ausgerichtet werden, sodass die Bohrungen der beiden Teile exakt zueinander fluchten.

Nachdem dies abgeschlossen ist, kann das Schwungrad montiert werden.

Schlussendlich werden die Normteile beziehungsweise Schrauben montiert und gegebenenfalls alle Teile eingefärbt.

Die Funktion

"Körper neu positionieren"

mit Drehung der Konstruktionsebene (KE)

Der korrekte Umgang mit der Funktion „Körper neu positionieren“ ist nicht auf dem ersten Blick ersichtlich. Mittels des Einbaus der Schwungmasse in den Zylinder soll verdeutlicht werden, was zu beachten ist, wenn die Schwungmasse in einem bestimmten Winkel eingebaut werden soll.

Nach dem Aufruf der Funktion „Körper neu positionieren“ muss im ersten und zweiten Kontextmenü jeweils die Auswahl „Fläche/KE“ ausgewählt sowie jeweils ein Bezugspunkt an den beiden beteiligten Elementen festgelegt werden. Mit dieser Einstellung werden Elemente ohne zusätzliche Optionen platziert.

Sind weitere Platzierungswünsche vorhanden, etwa die Drehung des einzubauenden Teils um einen bestimmten Winkel, so ist dies problemlos möglich, da BeckerCAD nach dem Platzieren des Teils automatisch erneut das Kontextmenü zur Auswahl anbietet. Im Fall einer Drehung darf dort jedoch keine Auswahl getroffen werden. Vielmehr ist dazu eine Konstruktionsebene zu drehen, die automatisch mit dem zu platzierenden Teil erzeugt wird. Um die KE zu drehen, gibt es den Befehl „KE um Punkt drehen“.

Nachdem dieser Befehl aktiviert wurde, wird die KE und somit auch die Schwungmasse gedreht.

Die genaue Position des Drehwinkels wird erreicht, indem per mittlere Maustaste das Kontextmenü für die Fangpunkte aufgerufen und „Schnittpunkt“ ausgewählt wird. Per Klick auf den Schnittpunkt der beiden Kreise wird der Mittelpunkt der Schwungmassen-Bohrung exakt an diesem Punkt ausgerichtet.

Wird die Funktion beendet, so wird die KE gelöscht und bleibt die Schwungmasse in der festgelegten Position stehen.

Download

Sie möchten den Demo-Druckluftmotor nachbauen? Dann laden Sie sich die MOD-Datei von unserer Homepage herunter!

Video:

"Per 3D-Druck zum beweglichen Anschauungsobjekt"

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