Como projetar roscas e fixadores para peças impressas em 3D

Ao fazer protótipos, peças funcionais, gabinetes, gabaritos ou acessórios, a forma de manusear as roscas deve ser decidida antes da impressão. Roscas impressas diretamente, fixadores padrão, insertos de rosca de metal embutidos, cada um requer diferentes folgas. Este guia analisará essas opções uma por uma.

O que diferencia os recursos rosqueados na impressão 3D

A impressão 3D constrói peças camada por camada. Este processo afeta a geometria da rosca fina de diversas maneiras específicas.

• A fabricação camada por camada cria um leve efeito de escada em superfícies curvas e inclinadas. O flanco do fio não é exceção.
• A contração do material altera o tamanho real da rosca após o resfriamento ou cura. O tamanho impresso difere do modelo CAD.
• Perfis de rosca pequenos são muito sensíveis à resolução de impressão. Uma diferença de alguns décimos de milímetro pode decidir se a rosca engata corretamente ou falha completamente.
• A orientação de construção altera a forma como as camadas se alinham com o caminho de carregamento. Isso afeta a resistência do fio.
• Quando são necessários suportes, as estruturas de suporte podem deixar marcas ou resíduos na superfície da rosca.

Os tópicos não são impossíveis de imprimir. Mas um desenho que parece correto em CAD pode se comportar de maneira diferente após a impressão. Você precisa deixar margem para esses desvios no projeto.

Linhas impressas versus linhas usinadas

Nem todos os threads são adequados para impressão 3D direta. Algumas roscas funcionam melhor com inserções, fixadores padrão ou usinagem rápida pós-impressão. A próxima parte explica como julgar.

Escolhendo a estratégia de rosca correta para sua peça impressa em 3D

Linhas internas impressas diretamente

As roscas internas impressas diretamente são adequadas para roscas grandes, baixa frequência de montagem, conexões de plástico com plástico e protótipos iniciais. Eles podem salvar a etapa de inserção posterior. Em muitas aplicações de carga leve, as linhas impressas podem atender diretamente aos requisitos de ajuste.

Roscas pequenas, desmontagens frequentes e conexões de alta carga são uma história diferente. Quanto menor o tamanho da linha interna, mais rápida será a queda na precisão da impressão. O desgaste também se torna mais evidente após apertos repetidos.

Linhas externas impressas diretamente

A impressão com rosca externa é mais confiável do que a impressão com rosca interna. A impressora pode processar diretamente o perfil externo. É adequado para tampas, caixas, botões, conectores e tampas personalizadas.

As roscas externas ainda precisam de folga adequada para encaixar corretamente com as porcas ou peças correspondentes. A impressão do perfil externo é mais fácil de conseguir, mas a contração e as tolerâncias do material também precisam ser consideradas antecipadamente.

Inserções roscadas para montagem repetida

Quando uma peça precisa ser montada e desmontada muitas vezes ou precisa manter uma força de fixação estável, os insertos roscados valem a etapa extra. Os métodos comuns incluem:

• Insertos termoendurecíveis: aquecidos até o ponto de amolecimento do material e depois pressionados em um orifício ligeiramente menor, permitindo que o plástico flua para dentro da serrilhada do inserto.
• Insertos press-fit: pressionados diretamente no furo impresso a frio, sem aquecimento.
• Insertos moldados: fixados durante a montagem, adequados para embutir após a impressão.

As inserções metálicas são muito adequadas para caixas eletrônicas, caixas industriais, acessórios e protótipos funcionais que precisam de reparo no local. Se o produto precisar ser aberto para reparo no futuro, a durabilidade das inserções metálicas será muito maior do que as roscas plásticas impressas diretamente.

Porcas cativas e fixadores padrão

Às vezes, as ranhuras para porcas, ranhuras hexagonais para porcas ou ranhuras para porcas de cartucho são mais simples e confiáveis ​​do que imprimir diretamente roscas complexas. Isso permite a utilização de porcas prontas, sem depender da precisão das roscas impressas, e resulta em melhor estabilidade de montagem.

Como escolher o tamanho certo da linha

Por que linhas pequenas são mais arriscadas de imprimir

Roscas pequenas têm maior probabilidade de apresentar problemas do que roscas grandes, envolvendo vários aspectos de geometria e processo:

• Tamanho do recurso próximo à largura do bico ou tamanho do ponto do laser
• A resolução da camada não consegue reproduzir o perfil de linha fina
• Perfis incompletos nas cristas e raízes da rosca
• Superfície áspera, maior atrito de montagem
• Deformação do material durante o resfriamento ou pós-cura

Quanto menor o fio, mais ele precisa de uma avaliação abrangente combinada com processo de impressão, material e pós-processamento, e não apenas olhando para um único parâmetro.

Quando usar roscas métricas padrão ou imperiais

Os fixadores padrão são fáceis de obter e baratos para substituir. Eles também facilitam a montagem para os clientes. Passos de rosca personalizados podem resolver um problema específico de projeto, mas vinculam a peça a um único fornecedor e a uma única ferramenta. Recomendamos o uso de padrões de thread comuns sempre que possível:

• Roscas métricas, M2 a M12 cobrem a maioria dos alojamentos e acessórios.
• Roscas UNC/UNF para clientes nos EUA e outros mercados de sistemas em polegadas.
• Tamanhos de parafusos padrão que correspondem às chaves de fenda e machos comumente disponíveis.

Tolerâncias e folgas de rosca para peças impressas em 3D

Por que as dimensões nominais do CAD não são suficientes

O M10 × 1,5 marcado no arquivo CAD é um valor ideal. Isso não garante que a peça impressa será aparafusada suavemente em um parafuso M10 padrão. Podem ocorrer desvios entre o tamanho real e os dados CAD. Os motivos incluem:

• Encolhimento do material durante o resfriamento ou pós-cura
• Precisão da impressora e estado de calibração
• O efeito da altura da camada na reprodução do perfil de rosca fina
• Orientação de impressão
• Etapas de pós-processamento, como tombamento ou jato de areia

Portanto, as dimensões CAD só podem ser usadas como referência de projeto. Antes da produção em massa, você deve confirmar através de testes físicos se o ajuste da rosca é aceitável.

Quanto espaço livre você deve adicionar?

Não existe um valor de folga universal que funcione para todas as impressoras, materiais e tamanhos de linha. A folga depende do processo, do material, do tamanho da rosca e de como as peças são montadas.

Como compensar a precisão da impressão

As etapas práticas a seguir ajudam a diminuir a distância entre o CAD e a peça acabada:

• Imprima um pequeno bloco de teste contendo vários conjuntos de valores de folga. Ajuste manualmente para encontrar a melhor folga antes de produzir a peça completa.
• Imprima medidores de linha e use fixadores reais para verificar o ajuste.
• Meça a peça impressa real, não confie apenas nas dimensões nominais.
• Depois de compreender as características da impressora e do material, aplique a compensação específica do processo.

É importante observar que a aplicação desses procedimentos de teste implica algum investimento adicional de tempo no início, mas, ao mesmo tempo, pode evitar um lote inteiro de peças com defeitos de encaixe de rosca.

Diretrizes de design para linhas impressas em 3D mais fortes

Evite paredes de fios finos

Paredes finas ao redor das roscas são um ponto de falha comum em peças impressas. Quando a parede ao redor de um furo roscado é muito fina, a tensão de aperto do parafuso concentra-se na pequena seção transversal. Isso pode causar rachaduras ao redor do ressalto, deformação sob carga de fixação ou desgaste da rosca após apenas alguns ciclos.

Adicione mais material ao redor da linha

Maior diâmetro do ressalto, paredes mais espessas e reforço na área da rosca permitem fornecer material suficiente para as operações de rosca. Um pequeno aumento nas dimensões da saliência não acrescenta custos sérios de material, mas há um aumento significativo na resistência.

Adicionar chanfros nas entradas da rosca

Adicionar um chanfro ou entrada na entrada da rosca pode melhorar visivelmente a sensação de montagem. Ajuda o parafuso a se alinhar corretamente, reduz a rosca cruzada e torna a montagem mais suave.

Evite transições nítidas em torno de recursos encadeados

Os cantos agudos concentram o estresse. A junta onde a saliência da rosca encontra o corpo principal em um ângulo de 90 graus é especialmente fraca. Use filetes, raios de transição ou nervuras na junta. Isso distribui a carga por uma área maior. A base do chefe terá menos probabilidade de quebrar.

Projetando linhas para diferentes processos de impressão 3D

Tópicos FDM

A impressão FDM de linhas maiores é muito prática e de baixo custo. As linhas da camada e a orientação da impressão têm um impacto real na sustentação da carga da linha. Portanto, as roscas FDM são mais adequadas para protótipos, acessórios, gabaritos e grandes peças funcionais. Perfis de rosca mais grossos podem absorver alguns erros.

Roscas de resina SLA

A resina SLA pode capturar detalhes finos e tem bom acabamento superficial. Adapta-se a pequenos perfis de rosca que o FDM não consegue formar claramente. Mas a resistência padrão da resina não é alta. Quando a rosca suporta alta carga ou precisa de montagem e desmontagem repetidas, é mais seguro escolher resina de grau de engenharia ou usar inserções de rosca.

Linhas de nylon SLS

Os fios impressos em náilon SLS possuem boas propriedades mecânicas. O processo de impressão não necessita de suportes. O perfil da rosca está limpo. Não há marcas de suporte ou danos. Adapta-se a montagens funcionais que necessitam de resistência ao impacto. Ele também pode formar estruturas de threads complexas que o FDM ou o SLA consideram difíceis de imprimir.

Linhas de nylon MJF

As peças impressas em náilon MJF têm boa consistência e resistência funcional confiável. Eles são adequados para produção de pequenos lotes. Ao passar de protótipos únicos para produção em pequenos lotes, o MJF é a escolha mais adequada.

Linhas metálicas impressas em 3D

A impressão 3D de metal geralmente usa processos SLM e LPBF. Adapta-se a ambientes de alta temperatura, altas cargas mecânicas e peças industriais exigentes. As roscas internas de alta precisão são geralmente usinadas ou rosqueadas após a impressão. Isto mantém a liberdade de design e garante a precisão do ajuste final.

Quando você deve evitar imprimir diretamente a linha em 3D?

Aplicações de alto torque

Sob alto torque, as roscas de plástico muitas vezes se rompem ou quebram antes que o fixador atinja a força de fixação adequada. Quando a montagem requer torque real, inserções metálicas ou métodos de conexão alternativos devem ser planejados desde o início.

Montagem e desmontagem frequente

Peças que são frequentemente abertas, reparadas ou remontadas sujeitam as roscas a tensões repetidas até que se desgastem ou se desfiem. Para tais peças, as inserções devem ser consideradas desde o início para evitar reprojetos posteriores.

Aplicações de alta temperatura

A alta temperatura afeta muito os fios de plástico. Quando as peças aquecem devido à temperatura ambiente ou ao atrito da montagem, surgem problemas como amolecimento, deformação e redução da resistência da rosca.

Conexões de alta carga ou críticas de segurança

Para juntas de alta carga ou críticas de segurança, as decisões não podem ser baseadas apenas na capacidade de impressão. Material, fixadores, insertos, carga esperada e processo de fabricação devem ser avaliados em conjunto.

Escolhendo entre linhas impressas e inserções roscadas

Pensamento final

Xunjie tem mais de dez anos de experiência em impressão 3D. Apoiamos FDM, SLA, SLS, nylon MJF, impressão de metal e usinagem CNC.

Se você não tiver certeza de qual estratégia de rosca se adapta à sua peça, envie-nos seus arquivos CAD e requisitos de montagem. Nós o ajudaremos a encontrar uma solução de rosca e fixador que seja prática na produção em massa.

Perguntas frequentes

1、 Por que nunca consigo aparafusar meus orifícios roscados impressos?

O problema mais comum no projeto de roscas impressas em 3D é a modelagem direta em dimensões padrão. Os furos impressos em FDM são geralmente um pouco menores que o tamanho do modelo porque o plástico extrudado se expande para fora e as próprias linhas da camada adicionam alguma rugosidade. Portanto, os ajustes de rosca nas peças impressas em 3D precisam de margem extra. Geralmente adicione 0,15 a 0,3 mm de cada lado, o que tem cerca de 0,3 a 0,6 mm de diâmetro.

2. Posso usar modelos de rosca padrão diretamente para roscas impressas em 3D?

Você pode, mas não é recomendado. As cristas dos fios triangulares padrão são bastante nítidas. As peças salientes tendem a ceder durante a impressão e podem emperrar ao aparafusá-las. Normalmente reduzimos o ângulo da rosca ou usamos diretamente roscas trapezoidais ou dente de serra. A qualidade de impressão será muito mais estável. Se você precisar usar linhas padrão, sugerimos bater nelas com uma torneira após a impressão para limpar as linhas.

3. A orientação da impressão tem um grande impacto na resistência da linha?

Tem um grande impacto. Quando o furo roscado é impresso verticalmente, os dentes da rosca são construídos camada por camada. A ligação entre camadas é fraca e o fio pode se separar facilmente de uma determinada camada sob alta carga. Se as condições permitirem, mantenha o eixo da linha paralelo à base de impressão. Os dentes da rosca abrangerão várias camadas e a resistência será melhor. No entanto, os suportes dentro de um orifício impresso horizontalmente são difíceis de limpar. Muitas pessoas ainda usam a impressão vertical e depois a fixam com inserções ou batidas.

4、 Os parafusos auto-roscantes podem ser parafusados ​​diretamente nas peças impressas em 3D?

Sim, mas você precisa ter cuidado. Materiais como o PLA são frágeis. Aparafusar diretamente os parafusos auto-roscantes pode facilmente quebrar a abertura do furo. Sugerimos primeiro fazer um furo piloto de 70% a 80% do diâmetro externo do parafuso, chanfrar a abertura do furo e depois aparafusar lentamente. Se você precisar montar e desmontar com frequência, mudar para pastilhas termofixadas será mais durável.

5、 O que devo fazer se a linha impressa estiver muito apertada ou presa?

Não jogue fora ainda. Você pode usar uma torneira ou matriz correspondente para persegui-lo uma vez com a mão e remover algumas linhas da camada. Se você não tiver uma torneira ou matriz, encontre um parafuso de metal, aplique um pouco de graxa e aperte-o lentamente várias vezes para quebrá-lo. Se ainda estiver muito apertado depois de tentar isso, amplie o furo no modelo em mais 0,1 a 0,2 mm e imprima uma nova amostra.