Резьба и крепёж в 3D-печати: восемь способов поставить металл в деталь

01Где пластик слаб

Принтер кладёт деталь слоями, и шов между слоями слабее самого пластика. Насколько слабее, зависит от материала и настроек печати^[1]. Отсюда три места, где напечатанная деталь подводит первой.

• Резьба. Шаг резьбы М3 полмиллиметра. При слое 0,2 мм на виток приходится два с половиной слоя: принтеру нечем нарисовать его форму.
• Посадка. Вал или подшипник распирает отверстие изнутри. Тонкая стенка вокруг него выпучивается и расходится по шву^[8].
• Тонкое и высокое. Стойку, напечатанную стоя, боковая нагрузка ломает по слою.

Поэтому деталь я ставлю на столе так, чтобы нагрузка шла вдоль слоёв. Когда так не выходит, модель можно разрезать: стойки напечатать лёжа и привинтить к основанию. А там, где пластика мало при любом положении, в деталь ставят металл.

02Резьбу можно напечатать

Самый простой крепёж обходится без металла: резьбу рисуют в модели, и принтер печатает её вместе с деталью. Всё решает размер.

Protolabs советует не печатать на FDM резьбу мельче М5^[8], Formlabs называет нижней границей М6^[10]. Причину показали снимки под микроскопом: резьба, нарисованная по стандарту, выходит с принтера искажённой и не попадает в допуск. Чем тоньше слой, тем искажение меньше^[2].

Что из этого следует

• От М6 и крупнее резьбу печатают вместе с деталью. Деталь ставят так, чтобы на витках не было поддержек^[10], обычно осью резьбы вверх, и берут слой потоньше.
• Зазор обязателен. Болт и гайка, нарисованные по стандарту, после печати друг в друга не войдут^[2]. Сколько прибавить, показывает пробник.
• Мельче М5 ставят металл одним из восьми способов ниже.

Резьба метчиком

Есть промежуточный путь: напечатать гладкое отверстие и нарезать в нём резьбу метчиком. Метчик ведут без нажима и часто выкручивают, чтобы убрать стружку: от усилия пластик трескается^[8]. Такая резьба, как и печатная, от частых разборок изнашивается^[10].

03Какой способ выбрать

Способов поставить металл в деталь восемь. Четыре про резьбу, три про вал и подшипник, один про длинные детали. Ответьте на вопросы о своей детали, и лишние погаснут.

04Винт и гайка насквозь

Самое надёжное соединение, с него я бы начинал. Винт проходит обе детали насквозь, с обратной стороны гайка. Резьбы в пластике нет: он только сжат между головкой и гайкой.

Диаметр сквозного отверстия задаёт ГОСТ 11284-75^[7]. Рядов три: чем дальше, тем больше запас на то, что отверстия в двух деталях не совпадут.

В таблице размер готового отверстия. Принтер печатает отверстия меньше, чем в модели^{[3, 9]}, поэтому в модель я бы закладывал средний столбец: 3,4 мм под М3. Стенку вокруг отверстия оставляют не тоньше диаметра винта: вокруг М5 это 5 мм^[8].

05Винт прямо в пластик

Когда гайку поставить некуда, винт вворачивают в саму деталь. В первой детали отверстие сквозное, во второй глухое и меньше винта: винт сам продавит в нём резьбу.

Держит такое соединение лучше, чем кажется. В замере CNC Kitchen винт М3 в отверстии 2,7 мм выдержал на вырыв 142 кг. Хорошая латунная вставка в том же пластике выдержала 181 кг, дешёвая 39^[13].

Слабое место у него затяжка. Резьбу в пластике сорвало моментом около 1 ньютон-метра, а вставка держала от 3 до 4, пока не срезало головку винта^[13]. Перетянули один раз, и соединение больше не держит.

Под М3 я бы ставил в модель от 2,7 до 2,8 мм и уточнял по пробнику. Общее правило даёт Protolabs: отверстие, в котором витки винта входят в пластик на 75-80 процентов своей высоты^[8]. Для сборки на один раз этого хватит. Деталь, которую разбирают часто, просит вставку: резьба в пластике от разборок изнашивается^{[8, 10]}.

06Вплавляемая вставка

Вставка это латунная втулка с резьбой внутри и насечкой снаружи. Её греют паяльником и вдавливают в отверстие: пластик плавится, затекает в насечку и застывает. Винт после этого идёт по металлу, и соединение переносит частые разборки^[10].

На вырыв вставка сильнее резьбы, нарезанной в пластике. В испытаниях на PLA и ABS разница вышла значимой почти на всех размерах от М3 до М8^[6]. Сами вставки тоже разные: дешёвая с одной продольной насечкой держала в четыре с лишним раза хуже хорошей^[13].

Куда девается пластик

Вставка вытесняет пластик, и ему нужно место. От того, какое отверстие вы нарисовали, зависит, останется ли резьба чистой.

Четыре шага

1. Диаметр с чертежа производителя. И проверка по пробнику: у CNC Kitchen принтер печатал отверстия на 0,1 мм меньше модели^[13].
2. Глубина с запасом. Глухое отверстие на миллиметр глубже вставки. Фаска на входе не нужна, стенки прямые^[14].
3. Паяльник на 10-20 градусов горячее печати. Около 225 для PLA, 245 для PETG, 265 для ABS^[14].
4. Дожать и подержать. Паяльником вставку утапливают на девять десятых, остаток дожимают плоским и держат несколько секунд. Горячая вставка норовит вылезти обратно^[14].

07Закладная гайка

Обычная гайка в напечатанном гнезде даёт ту же металлическую резьбу без паяльника. Путей два.

• Карман сбоку. В модели рисуют паз, открытый с торца детали. Гайку задвигают в него после печати.
• Пауза в печати. Гнездо закрыто со всех сторон. Принтер останавливают на нужном слое, кладут гайку и продолжают: следующие слои закрывают её пластиком^{[11, 15]}.

Гайка должна ложиться свободно и не проворачиваться. Protolabs советует начинать с зазора 0,1 мм на сторону^[8], Prusa для своих принтеров называет 0,15 мм^[15]. В тесное гнездо гайка не ляжет, в свободном провернётся вместе с винтом.

С паузой чаще всего промахиваются на один слой: слайсер ставит остановку перед началом выбранного слоя^[15]. Гнездо делают чуть глубже высоты гайки^[8], чтобы сопло прошло над ней. По-моему, закладная гайка удобна от М5: мельче её трудно ухватить пальцами.

08Подшипник внатяг

Подшипник держится в гнезде натягом: гнездо чуть меньше его наружного кольца. Насколько меньше, заранее не угадать. На размер напечатанного гнезда влияют слайсер, пластик, сам принтер и обдув^[4], поэтому число снимают с пробника.

• Давите ровно. Я бы запрессовывал тисками: губки ведут подшипник без перекоса. Большой силы не нужно: в опыте с корпусами из PETG хватило около 600 Н, это примерно 60 кг^[5].
• Уведите шов. Каждый слой принтер где-то начинает и заканчивает, и в этом месте остаётся бугорок. На круглом отверстии спрятать его негде^[12]. Я бы нарисовал в гнезде канавку и кистью в слайсере назначил шов в неё.
• Запрессовывайте один раз. В том же опыте второй раз подшипник вошёл с усилием 400 Н вместо 600 и держался слабее: пластик смялся и стёрся^[5].

Клей вместо натяга я бы не брал: он затечёт в подшипник.

09Вал: внатяг или в зажим

Внатяг

В размер под вал принтер не попадёт. Отверстия до 18 мм выходят меньше, чем в модели, при любом положении детали на столе^[3], а насколько, зависит от принтера, слайсера и пластика^[9]. Поэтому отверстие печатают заведомо меньше и досверливают^[9].

Под вал 4 мм я бы взял сверло 3,8 или 3,9: вал войдёт с натягом. Стенку вокруг отверстия делайте толще обычной, я бы оставил не меньше диаметра вала. И ставьте деталь на стол так, чтобы отверстие смотрело вверх: вал распирает его во все стороны, и стенка лежачего отверстия лопнет по слою.

В зажим

Натяг не годится, когда вал при сборке двигают, а потом закрепляют. Тогда в посадке делают разрез и стягивают его винтом, как хомут. Второй вариант: вставка сбоку и винт, который упирается в вал.

10Трубка вместо пластика

Длинное и прямое печатать незачем. Раму, штангу или высокую стойку я бы собирал из алюминиевой трубки или профиля, а печатал только узлы по концам. У трубки нет швов между слоями, а два небольших узла печатаются быстрее длинной балки.

Узлы держат трубку зажимом или натягом, как вал. Пластика при этом уходит меньше, а печать у меня считается по весу, от 10 ₽ за грамм. Расчёт и полный прайс на странице цен.

11Пробник зазоров

Все числа выше это отправная точка. Размер в модели и размер с принтера расходятся, и у каждой пары принтера с пластиком по-своему^{[4, 9]}. Поэтому перед посадкой печатают пробник: пластинку с рядом отверстий, каждое на десятую больше соседнего. Печатают её тем же пластиком и с теми же настройками, что и деталь^[14].

В пробник вставляют настоящий крепёж: винт, вставку, подшипник. Размер подошедшего отверстия идёт в модель. Пробник мал и печатается быстро, а из-за одного неудачного отверстия перепечатывать приходится всю деталь.

Когда деталь печатаю я, посадки под ваш крепёж подбираю сам. Напишите в заявке, что встанет в деталь: винт М4, подшипник 608, вал 8 мм.

12Шпаргалка

Восемь способов в одной таблице. Материал детали тоже важен: под нагрузку и удар я беру PETG, под жару ABS.

13Частые вопросы

14Источники

Цифры и выводы статьи опираются на эти работы. Почти все они на английском: основная литература о пластиках выходит в международных журналах. Сноска в тексте раскрывает список и ведёт к нужному пункту.