Elektronikgehäuse im 3D-Druck: Konstruktionsregeln

Eine Leiterplatte ist selten das Endprodukt. Sie benötigt ein Gehäuse, das sie an Ort und Stelle hält, vor Staub und Berührung schützt, den Zugang zu den Steckverbindern ermöglicht und den Zustand des Geräts anzeigt. Für Prototypen und Kleinserien ist der 3D-Druck der schnellste und günstigste Weg zu einem Gehäuse nach Maß – allerdings nur, wenn das Modell unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Verfahrens konstruiert ist. In diesem Ratgeber haben wir die Regeln zusammengestellt, die wir selbst bei der Konstruktion von Elektronikgehäusen anwenden.

Beginnen Sie bei der Leiterplatte

Bevor Sie die erste Wand zeichnen, benötigen Sie genaue Daten zur Platine:

• die Platinenkontur und die Position der Befestigungsbohrungen (exportieren Sie aus Ihrem Leiterplatten-CAD ein STEP-Modell oder zumindest die Kontur als DXF),
• die Höhe des höchsten Bauteils auf beiden Seiten,
• Position und Typ der Steckverbinder, Schalter, LEDs und Antennen,
• die Wärmequellen (Spannungsregler, MOSFETs, Prozessoren) und ihre Leistung,
• die Montageart des Gehäuses (auf dem Tisch, an der Wand, auf der Hutschiene).

Am besten importieren Sie das 3D-Modell der Platine mit den Bauteilen ins CAD-Programm und modellieren das Gehäuse darum herum. So erkennen Sie Kollisionen sofort und können die Ausschnitte prüfen, bevor Sie etwas drucken.

Wandstärke

Die Wandstärke bestimmt Steifigkeit, Gewicht und Preis. Für Elektronikgehäuse empfehlen wir:

Die Wände sollten im gesamten Gehäuse gleichmäßig sein. Dicke Wände neben dünnen führen zu ungleichmäßiger Schwindung und Verzug und erhöhen außerdem den Preis überproportional, da das Material nach Volumen abgerechnet wird. Wenn Sie Steifigkeit benötigen, ergänzen Sie Rippen mit 60 bis 70 % der Wandstärke statt dickerer Wände.

Abstandshalter und Schraubdome

Die Platine muss vom Boden abgehoben sein, damit die Lötstellen auf der Unterseite die Wand nicht berühren. Übliche Abstandshalter sind 3 bis 5 mm hoch und als Zylinder mit 6 bis 7 mm Durchmesser für eine M3-Schraube ausgeführt.

Drei gängige Arten, die Platine zu befestigen:

• Selbstschneidende Schraube in Kunststoff. Bohrung mit 2,5 mm (MJF, SLA) bzw. 2,6 bis 2,7 mm (FDM) für eine M3-Schraube; der Dom sollte einen Außendurchmesser von mindestens 6 mm und eine Tiefe von mindestens 6 mm haben. Geeignet für wenige Montagen, nicht für häufiges Zerlegen.
• Einschmelzgewindeeinsätze (Heat-Set Inserts). Die beste Lösung für wiederholtes Verschrauben. Für einen M3-Einsatz modellieren Sie eine Bohrung mit 4,0 mm Durchmesser (prüfen Sie das Maß Ihres Einsatzes) und 1 mm tiefer als die Länge des Einsatzes; der Dom sollte einen Außendurchmesser von mindestens dem Zweifachen des Einsatzdurchmessers haben. Der Einsatz wird bei PLA/ABS/Nylon mit dem Lötkolben eingeschmolzen; in Harz ist der Halt schlechter, dort sind Kleben oder eine Mutter die bessere Wahl.
• Eingelegte Mutter. Eine sechseckige Tasche für eine M3-Mutter (Schlüsselweite 5,5 mm plus 0,2 mm Toleranz) bewährt sich bei FDM und Metall, wo Einsätze nicht möglich sind.

Verbinden Sie die Dome über eine Rippe mit der Gehäusewand, nicht nur mit dem Boden – sonst brechen sie beim Verschrauben ab.

Schnappverbindungen (Snap-Fit)

Ein Deckel ohne Schrauben ist eine elegante Lösung, Schnappverbindungen erfordern jedoch ein Material, das Biegung verträgt. In der Praxis:

• Nylon (MJF, SLS) ist die beste Wahl: zäh, verträgt Tausende Zyklen.
• FDM funktioniert, wenn der Schnapphaken entlang der Schichten und nicht quer dazu verläuft; sonst bricht er nach wenigen Betätigungen ab.
• Standardharz ist für Schnappverbindungen zu spröde; wählen Sie ein flexibles Harz oder besser Schrauben.

Maßlich sollte der Schnapphaken mindestens fünfmal so lang wie dick sein, an der Wurzel 1,5 bis 2 mm dick, mit einem Übergang in die Wand mit mindestens 0,5 mm Radius. Die Rastnase sollte 0,8 bis 1,2 mm hoch sein, mit einer angeschrägten Fügeseite unter 30 Grad und einer steileren Halteseite.

Ausschnitte für Steckverbinder und Toleranzen

Der häufigste Fehler beim ersten Prototyp ist ein USB-Stecker, der nicht ins Gehäuse passt. Der Steckverbinder auf der Platine sitzt nie genau dort, wo er gezeichnet ist, und das Gehäuse schwindet beim Druck immer etwas. Modellieren Sie die Ausschnitte deshalb mit Spiel:

Ein Steckverbinder, der tief im Gehäuse sitzt, benötigt wegen der Steckerumspritzung einen größeren Ausschnitt; prüfen Sie die Maße der Kabel, die Ihre Kunden verwenden werden, nicht nur die des Kabels auf Ihrem Schreibtisch.

LED-Anzeigen und Lichtleiter

Für die Zustandsanzeige gibt es drei Möglichkeiten:

• Eine Bohrung mit der LED durch die Wand ist am einfachsten, erfordert aber, dass die LED genau an der richtigen Stelle sitzt.
• Ein Lichtleiter (Light Pipe) führt das Licht von der LED auf der Platine an die Gehäuseoberfläche. Drucken Sie ihn separat aus transparentem Harz (SLA): ein Zylinder mit 2 bis 3 mm Durchmesser, der in eine Bohrung im Gehäuse gesteckt wird. Ist er kürzer als 15 mm und gerade, ist die Lichtausbeute völlig ausreichend.
• Eine dünne Wand. Bei weißem Nylon oder weißem Harz lässt eine 0,8 bis 1,0 mm dicke Wand über einer hellen LED genug Licht für eine dezente Anzeige ohne Bohrung durch.

Belüftung und Wärmeableitung

Ein geschlossenes Kunststoffgehäuse führt Wärme schlecht ab. Bei Elektronik mit einer Verlustleistung über etwa 1 bis 2 W beachten Sie:

• Lüftungsschlitze unten und oben, damit eine natürliche Luftzirkulation entsteht. Die Schlitze sollten 1,5 bis 2 mm breit und 10 bis 20 mm lang sein; schmalere Schlitze laufen bei FDM zu, breitere lassen Finger und Fremdkörper durch.
• Heiße Bauteile nahe der Wand, möglichst mit einem Wärmeleitpad zwischen Bauteil und Wand; bei einem Metallgehäuse aus Aluminium ergibt das bereits einen wirksamen Kühlkörper.
• Material: PLA erweicht bei 55 °C; für alles, was warm wird, sind Nylon (MJF, SLS) oder ABS die bessere Wahl.
• Ein Lüfter im Gehäuse benötigt eine Öffnung mit Schutzgitter und einen ausreichend großen Auslass auf der gegenüberliegenden Seite.

Abdichtung und IP-Schutz

Für Geräte im Freien oder in feuchter Umgebung:

• Konstruieren Sie das Gehäuse mit einer Nut für einen O-Ring oder eine Dichtschnur am Umfang des Deckels. Die Nut sollte 1,3-mal so breit und 0,75-mal so tief sein wie der Dichtungsdurchmesser, damit die Dichtung um 20 bis 30 % verpresst wird.
• Ordnen Sie die Deckelschrauben in Abständen von höchstens 50 mm an, damit der Anpressdruck gleichmäßig ist.
• Kabelverschraubungen (PG7, M12) benötigen eine Gewinde- oder Durchgangsbohrung und eine ebene Auflagefläche an der Wand.
• Ein dichtes Modell ist Voraussetzung: Ein Gehäuse aus MJF oder SLA ist an sich wasserundurchlässig, ein FDM-Teil wegen mikroskopisch kleiner Spalte zwischen den Schichten dagegen nicht; für IP-Schutz ist FDM keine geeignete Wahl.
• Richten Sie bei SLA die Dichtflächen so aus, dass dort keine Spuren der Stützstrukturen entstehen.

Ausrichtung, Stützstrukturen und Optik

Bei SLA und FDM wird das Modell mit Stützstrukturen gedruckt, die auf der Oberfläche Spuren hinterlassen. Ist die sichtbare Außenfläche wichtig, kennzeichnen Sie das – das Gehäuse wird dann so gedruckt, dass die Stützen innen liegen. Bei MJF und SLS gibt es keine Stützstrukturen, die glattesten Oberflächen entstehen jedoch auf nach unten gerichteten Flächen.

Runden Sie alle Außenkanten mit einem Radius von mindestens 0,5 bis 1 mm ab. Abgerundete Kanten sehen besser aus, splittern weniger und verringern Spannungskonzentrationen.

Checkliste für das Gehäuse

• Gleichmäßige Wände innerhalb der empfohlenen Werte für das Verfahren.
• Platine auf Abstandshaltern, Dome mit der Wand verbunden.
• Ausschnitte für Steckverbinder mit 0,4 bis 0,6 mm Spiel, Steckerumspritzungen berücksichtigt.
• LEDs sichtbar durch eine Bohrung, einen Lichtleiter oder eine dünne Wand.
• Belüftung, wenn die Verlustleistung einige Watt übersteigt.
• Schnappverbindungen nur in Nylon oder richtig ausgerichtetem FDM.
• Dichtung und Kabelverschraubungen für den Außeneinsatz.
• Deckel und Unterteil als getrennte Dateien.

Sie benötigen Unterstützung?

Gehäuse für die eigene Platine zu bauen, ist genau das, womit wir uns jeden Tag beschäftigen. Wenn Sie ein Modell haben, laden Sie es in den 3D-Druck-Konfigurator hoch und sehen Sie in wenigen Sekunden eine Preisschätzung für das gewählte Verfahren. Wenn Sie das Gehäuse erst noch benötigen, senden Sie uns die Daten Ihrer Platine – im Rahmen unserer 3D-Gehäusekonstruktion erstellen wir ein druckfertiges Modell, das alle oben genannten Regeln berücksichtigt.