Jak dobrać insert gwintowany do złożenia wykonanego w druku 3D

Inserty gwintowane występują w różnych typach, często klasyfikowanych według metody montażu, takich jak montaż na gorąco/ultradźwiękowy po formowaniu oraz wciskanie na zimno. Optymalny typ insertu do zastosowań w druku 3D zależy od materiału, z którego wykonano element.

Na wydajność insertu duży wpływ mają właściwości materiału podstawowego.

• Wytrzymałość na rozciąganie: mierzy odporność materiału na odkształcenie plastyczne
• Moduł sprężystości przy zginaniu: wpływa na sztywność materiału i zdolność do rozkładania sił zginających, co ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania odkształceniom i zapewnienia prawidłowego rozkładu obciążenia

Ponadto właściwości termiczne będą miały wpływ na proces montażu, ponieważ materiały o wyższej przewodności cieplnej sprzyjają bardziej równomiernemu rozkładowi ciepła, poprawiając płynięcie tworzywa i zapewniając całkowite wypełnienie przestrzeni wokół elementów mocujących, co gwarantuje pewne połączenie. Podobnie temperatura ugięcia pod wpływem ciepła danego tworzywa sztucznego będzie miała wpływ na temperaturę montażu insertu gwintowanego metodą termiczną lub ultradźwiękową.

Na działanie insertu gwintowanego w materiałach drukowanych w 3D wpływa kilka kluczowych czynników. W tej sekcji przedstawiono podstawowe wytyczne projektowe, skupiając się na rozmiarze otworu w materiale bazowym, właściwościach materiału, grubości ścianek, wypełnieniu i grubości warstw, aby zapewnić optymalne działanie insertu gwintowanego w zastosowaniach druku 3D.

Rozmiar otworu ma kluczowe znaczenie dla działania insertów gwintowanych. Katalog insertów gwintowanych SPIROL zawiera wytyczne dotyczące rozmiaru otworu, ale tolerancje druku 3D często przekraczają zalecane +0,08 mm. Typowe tolerancje są następujące:

• Przemysłowy druk FDM: ±0,2 mm
• Drukarki biurkowe: ±0,3–0,5 mm
• Drukarki SLA: ±0,1 mm
• Druk SLS: ±0,3 mm

Aby zminimalizować odchylenia, jedną z opcji jest wywiercenie otworów w plastikowym korpusie, co zmniejsza odchylenia, ale może osłabić wzmocnienie w ściankach zewnętrznych wydrukowanych w technologii FDM (omówione szerzej w niniejszym opracowaniu). Alternatywnie można przeprowadzić iteracyjne prace projektowe, aż do uzyskania optymalnego rozmiaru otworu.

Wydajność insertu rośnie liniowo wraz z gęstością wypełnienia. Aby uzyskać optymalną wydajność insertu, należy zaprojektować model z gęstością wypełnienia większą niż 50%.

Ogólnie rzecz biorąc, grubsze warstwy powodują słabsze wiązanie międzywarstwowe, ponieważ występują większe puste przestrzenie. Najlepsza wydajność insertu występuje zazwyczaj przy grubości warstwy około 0,16–0,2 mm dla technologii FDM i SLS, gdzie wytrzymałość na rozciąganie jest zoptymalizowana.

Porównajmy wydajność trzech (3) różnych serii insertów gwintowanych M6: symetrycznych (SPIROL INS 29 Długi) i asymetrycznych (SPIROL INS 19 Długi) wtapianych na gorąco oraz insertu gwintowanego wciskanego (SPIROL INS 50) w popularnych materiałach do druku 3D. Szczegółowe wyniki testów porównawczych przedstawiono dla elementów drukowanych w technologiach FDM, SLS i SLA. Informacje te pomogą projektantom w wyborze optymalnego insertu gwintowanego w oparciu o konkretne wymagania eksploatacyjne.

Porównując różnice między elementami wytworzonymi metodą formowania wtryskowego tworzyw sztucznych a metodami druku 3D, należy pamiętać, że ten sam materiał może wykazywać bardzo zróżnicowane właściwości wpływające na wydajność Insertu.

Pomimo warstwowej geometrii elementów drukowanych metodą FDM osiągają one wysoką wydajność – zwłaszcza przy zastosowaniu insertów wtapianych/ultradźwiękowych. Bezpośrednie porównanie poliwęglanu (PC) wydrukowanego metodą FDM i tworzywa sztucznego wytłaczanego przedstawiono na rysunku 12.

Wydruki SLS są bardziej podatne na mikropęknięcia i przedwczesne uszkodzenia Insertu. Proszki SLS mają zazwyczaj słabsze właściwości materiałowe niż podobne tworzywa sztuczne do formowania, często z powodu różnic w składzie i mikroporowatości w końcowych wydrukowanych elementach. Ponieważ właściwości materiału różnią się w znacznym stopniu, wydajność Insertu może być o 20% do 50% niższa niż w przypadku tworzywa sztucznego wytłaczanego.

Rysunek 12
Porównanie wydajności dla tworzyw sztucznych FDM i wytłaczanych/formowanych (FDM: 55% wypełnienia i 5 pętli ścianek)

Inserty wtapiane/ultradźwiękowe zapewniają najwyższą wytrzymałość w termoplastach drukowanych w 3D, podczas gdy inserty wciskane stanowią realną alternatywę, szczególnie w przypadku materiałów termoutwardzalnych, gdzie montaż termiczny nie jest możliwy. Tworzywa termoutwardzalne z natury ograniczają opcje insertów do metod wciskanych.

Kluczowe ustalenia wskazują, że wydajność insert gwintowanego poprawia się wraz ze wzrostem gęstości wypełnienia i liczby pętli ścianek w druku FDM, przy optymalnych wynikach przy grubości warstwy 0,16–0,2 mm, wypełnieniu 50% lub większym oraz liczbie pętli ścianek równej lub większej niż nominalny metryczny rozmiar insertu gwintowanego.

Wyniki pokazują, że przy wysokim wypełnieniu i grubości ścianek elementy drukowane w technologii FDM osiągają około 70–80% wydajności równoważnego materiału formowanego. Chociaż elementy SLS wykazują wysoką wytrzymałość teoretyczną, ich mikroporowatość pozwala osiągnąć około 50–70% wydajności w porównaniu z formowanymi tworzywami sztucznymi.

Skontaktuj się z firmą SPIROL, aby uzyskać pomoc w wyborze odpowiedniego insertu gwintowanego do produkcji druku 3D i projektów prototypów. Ze względu na różnorodność metod druku 3D, materiałów i parametrów wyniki mogą się różnić, dlatego zaleca się przeprowadzenie dokładnych testów i oceny poszczególnych złożenii.