3D-печать резьбы или винтов, которые подойдут — непростая задача. Ознакомьтесь с этой инструкцией, чтобы узнать, как успешно разработать и напечатать их!
Терпеливо ждать несколько часов, пока закончится печать, только для того, чтобы потом обнаружить, что изготовленный на заказ винт не подходит к резьбовой детали, которую у вас есть — этот пример, который никто не хочет повторять.
Если вы никогда раньше этим не занимались, подбор правильной резьбы может показаться процессом проб и ошибок, но эта статья поможет вам точно понять, какие шаги необходимо предпринять. С помощью нескольких ключевых принципов проектирования вы сможете создавать идеально подходящие, функциональные винты и резьбы прямо на печатном столе, и здесь вы узнаете, как это сделать.
Ключевые особенности
Прежде чем перейти к сути темы, давайте сначала разберемся, в чем заключается разница между винтом и резьбой.
Винт — это крепежный элемент, используемый для создания соединения, которое впоследствии может быть разобрано, а резьба — это основной крепежный элемент винта. Однако резьба используется не только в винтах, она также присутствует на трубах, линейных приводах, червячных передачах и многих других устройствах.
Общей чертой всех резьб является способ их формирования. Любая резьба представляет собой непрерывную спиральную канавку определенного сечения, выполненную на внешней или внутренней стороне цилиндрической поверхности.
В большинстве случаев сечение или форма, треугольное или трапециевидное. Треугольная форма резьбы в основном используется для крепежа (винтов), а трапециевидная форма резьбы, являющаяся разновидностью квадратной, применяется для передачи энергии и линейных приводов на ведущих винтах. Чтобы упростить ситуацию, в этой статье рассматривается только резьба треугольной формы, но все сказанное относится к обоим типам.
Еще один уровень классификации отличает метрическую резьбу от дюймовой. Первая используется в основном в Европе и Азии, а вторая — в США и Великобритании. На нетренированный взгляд они выглядят одинаково, но разница существует в форме треугольника и шаге спирали.
В этой статье мы рассмотрим основы проектирования и 3D-печати винтов и резьбы.
Основные термины
Прежде чем приступить к проектированию резьбы, необходимо ознакомиться с несколькими терминами и понятиями:
- Наружная или внутренняя резьба: Внешняя или наружная резьба выходит из цилиндрической поверхности. Внутренняя резьба является полной противоположностью внешней, то есть она вырезана на отрицательной цилиндрической поверхности. Например, в болтах используется наружная резьба, а в гайках — внутренняя.
- Направление резьбы: Резьба закручивается либо вправо, либо влево. Правая резьба нарезается по часовой стрелке, а левая — против часовой стрелки. Если повернуть правую резьбу против часовой стрелки, она открутится. Более того, гайка с правой резьбой не накрутится на винт с левой резьбой. Хотя наиболее распространена правосторонняя резьба, в таких местах, как душевые кабины или раковины, можно встретить левостороннюю резьбу для ручки подачи горячей воды.
- Ось резьбы: Это линия, проходящая через центр цилиндра, на котором формируется резьба.
- Канавка: Это дно канавки, проходящей вокруг тела резьбы.
- Профиль выступа: Это самая высокая точка профиля резьбы.
- Наружный диаметр: Диаметр цилиндра, который окружает профиль выступа или канавку внутренней резьбы, называется основным диаметром. Этот цилиндр концентричен с осью резьбы.
- Внутренний диаметр: Это диаметр цилиндра, который окружает канавки резьбы при наружной резьбе или профиль выступа при внутренней резьбе. Этот цилиндр концентричен оси резьбы и главному диаметру. Внутренний диаметр также известен как «диаметр размера метчика», когда речь идет о внутренней резьбе.
- Шаг: Это расстояние между эквивалентными точками на соседних витках резьбы. Например, расстояние между двумя соседними выступами конической резьбы.
Проектирование резьбы
При проектировании резьбовых элементов есть две возможности. Вы можете использовать существующие в программах САПР инструментальные панели, содержащие модели многих коммерческих элементов машин. Инструменты, доступные в инструментальных пакетах, варьируются в зависимости от программного обеспечения, и некоторые из них, возможно, придется покупать.
В качестве альтернативы можно смоделировать резьбовые элементы с нуля. Для моделирования резьбовых элементов с нуля в Fusion 360, например, предусмотрена упрощенная функция генерации резьбы. В других CAD-программах есть инструменты с разной степенью схожести.
Главное, однако, понять основы. Речь идет не только об использовании программ CAD, но и о знании правил проектирования резьбы. Поэтому, прежде чем перейти к моделированию резьбы, давайте поговорим о правилах резьбы.
Стандарт резьбы
Все промышленные винты стандартизированы. Например, винт ISO M4X20 имеет уже определенные размеры шага, угла и зубьев. Поэтому при моделировании резьбовых элементов размеры не должны быть произвольными, а основываться на стандарте. Это рекомендуемая практика, и она делает вашу модель более адаптируемой, даже если вы собираетесь 3D-печатать резьбу.
Не забудьте также обратить внимание на единицы измерения:
- Метрическая резьба: Обозначение «М» метрической резьбы указывает на номинальный внешний диаметр резьбы в миллиметрах. Например, резьба M5 имеет номинальный внешний диаметр 5 мм. В наружной резьбе номинальный наружный диаметр равен главному диаметру. При внутренней резьбе номинальный наружный диаметр можно определить, измерив малый диаметр и обратившись к таблице метрической резьбы.
- Дюймовые резьбы: Дюймовые резьбы обозначаются с помощью ряда стандартов, в том числе Унифицированного стандарта на резьбу (UTS), в котором стандартные размеры резьбы обозначаются в основном цифрами (например, #4). Два наиболее важных измерения в UTS — это главный или малый диаметр наружной или внутренней резьбы, соответственно, и количество витков на дюйм (TPI).
Поэтому, когда вы хотите спроектировать резьбовые элементы, вы должны получить характеристики шага, угла и всего остального из рекомендуемых стандартных таблиц.
Использование панелей инструментов ПО
Во многих случаях может не потребоваться моделировать деталь с нуля. Как уже говорилось выше, многие CAD-программы оснащены набором инструментов со стандартными деталями и если деталь, которую вы используете, является существующей коммерческой деталью, вам может просто повезти и не придется моделировать ее.
Например, в SolidWorks вы можете получить готовые винты и гайки без необходимости моделировать их самостоятельно. Кроме того, у вас есть множество вариантов отображения:
- Simplified: Винт выглядит гладким, но соотношение шага при завинчивании остается неизменным.
- Schematic: Модель имеет стикер с изображением резьбы.
- Detailed: В модели уже смоделирована «резьба».
Однако будьте внимательны и проверьте работоспособность резьбы. В некоторых версиях SolidWorks по известной только разработчикам причине эта резьба на самом деле не является спиралью, а представляет собой массив из одного кругового разреза, сделанного в одной плоскости, то есть резьба на самом деле не настоящая и не закручивается. Если вы напечатаете ее, думая, что обманули систему, то на самом деле вы только зря потратили несколько часов на печать. Это не относится ко всем программам, поэтому не забывайте проверять.
Fusion 360
Fusion 360 использует дополнения для расширения функциональности программы. Если говорить о крепежных элементах, то наиболее популярным является McMaster-Carr. В него входят такие элементы, как винты и болты, резьбовые шпильки, шайбы, штифты и гвозди.
Доступ к McMaster-Carr можно получить в рабочей области Design. На вкладке Solid нажмите Insert, затем «Insert McMaster-Carr Component». Подтвердите выбор, нажав «Ok».
Вы можете просмотреть множество категорий или найти нужное в поле поиска. Выбрав нужный компонент — например, винт — где можно выбрать размер и длину резьбы, а затем добавить его на рабочую область.
Проектирование резьбы
Если нужного вам резьбового элемента нет в удобном доступе, вам придется спроектировать его с нуля. Ниже мы продемонстрируем процесс проектирования внешней и внутренней резьбы с помощью упрощенной функции генерации резьбы в Fusion 360.
В других CAD-программах могут быть аналогичные инструменты. Однако, как мы уже говорили, важнее всего понять основы, включая терминологию, установленные стандарты и принципы проектирования — все это мы рассмотрели выше. Обладая этими знаниями, вы сможете использовать любой инструмент моделирования для манипулирования моделями и входными значениями для создания требуемой резьбы.
Начнем с внешней резьбы болта.
Внешняя резьба
- Нарисуйте круг с диаметром, равным основному диаметру резьбы.
- Создайте цилиндр, вытянув круг до нужной длины резьбы.
- Перейдите в раздел «Create» и выберите опцию «Thread».
- Выберите только что созданный цилиндр. Убедитесь, что установлен флажок «Modeled», затем задайте тип резьбы и другие параметры резьбы.
- Нажмите «ОК».
Вот и все. У вас есть внешняя резьба! Чтобы сделать из нее полноценный болт, вам придется прикрепить ее к головке по своему вкусу.
Теперь давайте разработаем гайку с внутренней резьбой.
Внутренняя резьба
- Нарисуйте шестигранник. Для целей этого урока просто убедитесь, что он больше, чем резьба, которую вы хотите создать.
- Выдавите его на нужную высоту.
- Сделайте отверстие в центре, выбрав опцию «Hole» в меню «Create». Диаметр отверстия должен быть равен основному диаметру резьбы.
- Выберите внутреннюю поверхность только что созданного отверстия, перейдите в меню «Create», а затем выберите опцию «Thread».
- Не забудьте отметить опцию «Modeled». Задайте размер резьбы и другие параметры.
- Нажмите «ОК».
Вот и все. Ваша первая резьба готова к печати!
3D-печать резьбы
Так или иначе, теперь у нас есть CAD-модель резьбового элемента, поэтому следующим шагом будет его печать. Вот тут-то и начинается самое интересное. Чтобы убедиться, что отпечатки получатся удачными и будут иметь приличный срок службы, давайте сначала рассмотрим некоторые моменты печати.
Приступим к работе
Одним из первых моментов, который вам нужно учесть, является материал, из которого вы будете печатать, так как это играет большую роль в том, насколько хорошо будет работать напечатанный элемент. Винт оказывает значительное вертикальное усилие по всей своей длине, которая в случае с 3D-печатным винтом представляет собой просто ряд склеенных слоев.
Для слабых материалов, таких как PLA, возможно, что эта сила может привести к тому, что винт просто сломается в критической точке. Поэтому для таких целей лучше использовать более прочные материалы, например ABS или нейлон.
После того как вы определились с материалом, необходимо выполнить несколько важных шагов по настройке принтера, прежде чем приступать к печати резьбовых элементов. Вам необходимо убедиться, что принтер правильно откалиброван. Калибровка экструдера также важна. Также настоятельно рекомендуется выровнять стол.
Настройки печати
Ниже приведены общие рекомендации по настройке печати для получения наилучшей резьбы:
- В зависимости от цели печати, вы захотите напечатать резьбу вертикально или горизонтально. Вертикальная печать подразумевает меньшее количество опор и постобработку, но если целью является прочность, то горизонтальное выравнивание позволит получить более прочные отпечатки. Для достижения наилучших результатов оси витков должны быть перпендикулярны печатной форме.
- Печатайте без поддержки или по крайней мере, убедитесь, что поддержки не входят в резьбу. В противном случае их удаление и сохранение функциональности может стать настоящим мучением, особенно в случае внутренней резьбы.
- По возможности используйте не менее четырех вертикальных слоев (стенок) или вертикальные стенки толщиной не менее 2 мм. Это обеспечит прочность резьбы.
- Плотность заполнения зависит от ваших задач, но старайтесь, чтобы она составляла не менее 25 %.
- Высота слоя — важный параметр при печати нитей. Для плавной работы слои должны быть как можно тоньше. В качестве ориентира можно отметить, что резьба размером более M12 или 1/2″ может быть успешно напечатана с помощью слоев толщиной 0,2 мм, в то время как резьба меньшего размера должна быть напечатана с помощью более тонких слоев.
Советы
Это может показаться простым делом, но печатать резьбу не всегда легко, особенно если вам нужны маленькие диаметры.
Предположим, вы используете сопло диаметром 0,4 мм и высоту слоя 0,2 мм. При такой настройке наименьший шаг, который вы сможете напечатать, скорее всего, составит около 0,5 мм (плюс-минус 0,1 мм). Такой шаг подходит для резьбы M3 и не является большой проблемой, если вы пытаетесь напечатать внутреннюю резьбу в относительно крупной детали. Это связано с тем, что у резьбы будет достаточно времени, чтобы остыть, пока сопло находится в другом месте.
Ситуация становится интересной, если вам нужна внешняя резьба, например, на винте или болте. В этом случае соплу просто некуда деться, а значит, вам, скорее всего, потребуется дополнительное охлаждение. Протестируйте свой принтер, прежде чем решите печатать много тонких внешних резьб.
В общем, хорошей идеей будет попробовать напечатать пробную резьбу. Это лучший способ проверить возможности вашего 3D-принтера.
Выводы
Даже если ваш первый тест не увенчался успехом, надежда еще есть! Вот несколько последних мудрых слов:
- Даже если вам удастся напечатать симпатичную внешнюю резьбу диаметром меньше M6 (6 мм), подумайте дважды, прежде чем использовать ее для переноски груза. Из-за малого диаметра и особенностей 3D-печати резьба такого размера лучше всего подходит только для визуальных моделей. Если это должна быть функциональная деталь, подумайте о другом дизайне.
- Внутренняя резьба диаметром менее 4 мм имеет довольно маленький шаг, что затрудняет ее печать. При таком размере подумайте о том, чтобы напечатать пустое отверстие и нарезать резьбу метчиком. В любом случае, всегда рекомендуется очищать резьбу перед использованием, будь то 3D-печать или нарезка.
- Некоторые филаменты дают большую усадку, чем другие. Прежде чем начать печатать крупные детали с резьбой, сделайте несколько небольших образцов, чтобы проверить размеры резьбы. При печати внутренней резьбы может получиться плотная резьба, а при печати внешней резьбы — очень свободная.
