Руководство по 3D-печати сцепляющихся деталей

Сцепляющиеся детали и сборки окружают нас повсюду. Поскольку 3D-печать стала методом производства для все большего числа отраслей и применений, умение проектировать и печатать сцепляющиеся соединения стало необходимым навыком.

Принцип работы сцепляющихся соединений основан на силе трения между двумя компонентами. Один элемент имеет выступ, а другой — соответствующее углубление. Соединение удерживается за счет трения и формы этих элементов, предотвращая разъединение в одном направлении, но позволяя ему при приложении усилия с других сторон. Такие соединения очень распространены при работе с жесткими материалами, например, деревом, но также часто используются и в 3D-печати.

В отличие от них, защелкивающиеся соединения (snap-fit) спроектированы так, что один элемент временно деформируется, когда другой компонент проходит выступ, а затем «защелкивается», возвращаясь в исходное положение и надежно фиксируя соединяемую деталь. Поскольку пластики способны многократно деформироваться (в отличие от дерева), напечатанные на 3D-принтере защелки — очень популярный метод создания сборок.

Введение в сцепляющиеся 3D-печатные детали

Примеров сцепляющихся соединений и сборок множество: от древних методов деревянного строительства (сруб, фахверк) до кольчуг и двигателей, где компоненты вращаются и движутся друг относительно друга. Такие соединения предлагают ряд преимуществ. Они позволяют:

• Легко собирать и разбирать конструкцию.

• Создавать системы, размер которых превышает доступные отдельные компоненты.

• Соединять два и более материала или цвета.

• Оптимизировать дизайн и сборку, сокращая необходимость соединения деталей винтами, клеем и т.д., и одновременно повышая прочность.

3D-печать сцепляющихся соединений позволяет создавать эти сборки целиком за один раз (print-in-place), в отличие от традиционных методов, где детали нужно изготавливать отдельно и затем соединять.

Распространенные типы сцепляющихся соединений

• Соединение «паззл», «гребенка» или «ласточкин хвост» (шип-паз)

• 

  • Идеально для хобби-приложений, создания «головоломочной» эстетики или прототипирования потребительских товаров.

• Соединение «ласточкин хвост» (Dovetail)

• 

• • Самое популярное и простое для создания в CAD-программах. Идеально для SLA-печати с острыми углами и гладкими поверхностями.

• Шпоночное соединение (Key Joint)

• 

  • *Не идеально для 3D-печати — чем больше деталей, тем выше вероятность variances в допусках.*

• Соединение «пальцы» или «гребенка» (Fingertip/Comb Joint)

• 

  • *Тонкие края «гребенки» склонны к поломке, не лучший выбор для 3D-печати.*

• Соединение «шип-проушина» (Tenon Joint)

• • 

    На недорогих FDM-принтерах эффект ступенчатости (layer lines) может затруднить создание идеально круглых шипов. Требуется постобработка.

     

• Соединение «на ус» (Scarf Joint)

• 

  • *Подходит для 3D-печати. Для крупных деталей потребуется больший допуск (~0.4 мм).*

• Цепные звенья (Chain Links)

• 

  • *Идеальны и наиболее экономичны в 3D-печати. Звенья можно печатать целиком, используя поддержки или окружающий порошок (в SLS), чтобы предотвратить их спекание в единый объект.*

Выбор правильной технологии для печати сцепляющихся деталей

FDM, SLA и SLS-принтеры могут использоваться для создания сцепляющихся деталей, но у каждой технологии есть свои преимущества.

Ключевой фактор — допуски (допустимые отклонения в размерах). Для литья под давлением это обычно 0.1 мм. В 3D-печати на точность влияет больше факторов: награвление может привести к усадке, а связующее вещество — увеличить объем. Однако возможность печати сборок целиком (print-in-place) дает 3D-печати значительное преимущество.

SLA и SLS — лучшие технологии для печати сцепляющихся деталей. Их точность и диапазон механических свойств позволяют создавать прочные сборки с плотно прилегающими соединениями.

SLA

SLS

Основные соображения при проектировании

1. Зазоры (Clearances): Самый важный параметр. Зазор должен быть достаточным для легкой сборки, но не слишком большим, чтобы соединение не стало бесполезным.

2. Допуски (Tolerances): Зазор должен учитывать допуски принтера и материала. Для FDM зазор должен быть больше, чем для SLA/SLS.

3. Выбор материала: Учитывайте жесткость материала, коэффициент трения и возможность постобработки (например, шлифовки для снижения трения).

   • SLA-принтеры (Form 4/4L) предлагают широкий выбор материалов: от гибких эластомеров до жестких смол.

   • SLS-принтеры (Fuse Series) используют промышленные нейлоны и TPU. Отсутствие поддержек и прочность материалов делают SLS, возможно, идеальным методом для сложных сборок.

Силы, действующие на соединение

• Трение: Основная сила, удерживающая соединение.

• Натяжение (Tension): Основная сила, пытающаяся разъединить детали.

• Сдвиг (Shear): Боковая сила, действующая перпендикулярно натяжению.

Краткое руководство по проектированию (на примерах)

• Проектирование фиксирующей планки:

  1. Определите область соединения.

  2. Создайте одну сторону соединения под выбранным углом (например, 65°).

  3. Отразите элемент на другой стороне.

  4. Установите смещение (offset) для допуска: 0.2 мм для мелких деталей, 0.4 мм для крупных.

  5. Замкните контур для выдавливания.

  6. Убедитесь, что элементы совпадают.

  7. Размножьте соединение для разделения большой детали на части.

• Проектирование «сбэка» из цепей:

  1. Нарисуйте простое кольцо.

  2. Расположите одно кольцо горизонтально.

  3. Создайте второе кольцо и сцепите его с первым (мин. зазор 0.2 мм).

  4. Группируйте и размножайте кольца, создавая замкнутую сферу.

  5. Масштабируйте и разместите в ПО для печати.

• Проектирование держателя для планшета:

  1. Импортируйте габариты устройства.

  2. Добавьте пространство для допуска (0.2 мм для Fuse 1+).

  3. Создайте соединение «ласточкин хвост» на одной стороне и отразите его.

  4. Убедитесь, что зазор проходит через всё соединение.

  5. Решите, будете ли вы склеивать детали (используйте цианоакрилатный или двухкомпонентный эпоксидный клей).

Заключение

Как показывают примеры, проектирование сцепляющихся элементов для 3D-печати может быть довольно простым. Главное — учитывать допуски вашей технологии 3D-печати и материала, а также размер и тип детали.

• Для мелких и тонких деталей используйте зазор в 0.2 мм.

• Для крупных и массивных сборок увеличьте допуск до 0.4 мм.

SLS-принтер Fuse 1+ 30W идеален для печати сборок целиком (как «хэке-сэк» из цепей), так как не требует поддержек, а неспеченный порошок легко удаляется в пескоструйном аппарате Fuse Blast.

SLA-принтеры Form 4 и Form 4L отлично подходят для деталей с острыми углами и гладкими поверхностями, которые должны легко скользить при сборке.

Указанные выводы действительны и для SLS и SLA-принтеров других производителей.