Проектирование посадки: Оптимизация дизайна для функциональных 3D-печатных сборок
Допуски и подгонка являются важными концепциями, которые инженеры используют для оптимизации функциональности механических сборок и стоимости производства. Formlabs тщательно изучает точность наших материалов и работает для обеспечения максимальной повторяемости между отпечатками и принтерами. Данные и рекомендации в этом документе могут помочь пользователям Form 2 в разработке функциональных сборок, которые использутся по назначению, с наименьшим объемом последующей обработки или проб и ошибок.
Значение допусков в 3D-печати.
При традиционной обработке более жесткие допуски экспоненциально связаны с увеличением стоимости. Более жесткие допуски требуют дополнительных и медленных шагов обработки, чем более широкие допуски. Обработанные детали разрабатываются с самыми широкими допусками, возможными для конкретного применения.
В отличие от механической обработки, когда детали постепенно улучшаются до более жестких допусков, стереолитография (SLA) имеет единую автоматизированную фазу производства.
Правильное определение допусков размеров снижает время обработки и упрощает сборку, а также уменьшает материальную стоимость итерации. Неправильные допуски для конкретного материала также могут привести к повреждению деталей, особенно для запрессованных компонентов в хрупких материалах.
При больших сборках или при получении кратных значений правильное измерение допусков размеров быстро становится полезным
Допуск — это предсказанный диапазон возможных размеров деталей во время изготовления.
Этапы последующей обработки печатных сборок включают в себя чистку, шлифование опор и смазку. Шлифование активной поверхности является разумным методом для достижения правильной посадки, если деталь является одноразовой, поскольку на этапе проектирования требуется меньшая работа с допусками.
При больших сборках или при получении кратных значений правильное измерение допусков размеров быстро становится полезным действием
АКТИВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
Область модели, где две поверхности касаются друг друга и либо движутся друг против друга, либо имеют статическую посадку.
Выбор посадки
Функциональные потребности сборки определяют, как должны сочетаться детали. Свободное перемещение компонента требует зазора или пространства между активными поверхностями. Это достигается за счет того, что зоны допуска на активных поверхностях не перекрываются. Если движение между частями не требуется, неподвижная посадка позволит легко собирать и разбирать детали. Неподвижная посадка имеет частично перекрывающиеся зоны допуска.
Зацепление обеспечивает жесткое, прочное соединение, но требует гораздо больше силы, приложенной при сборке.
Примечание: Посадка с натягом имеет полностью перекрывающиеся зоны допуска и требует использования полимера с большим удлинением, например, Durable, Tough, Flexible или Standard (прочного, жесткого, гибкого или стандартного).
Небольшое количество отклонений в производстве означает, что инженерная подгонка является непрерывной, а не тремя совершенно отдельными этапами. Посадки с более крупным зазором соответствуют точности для
свободы передвижения. Более жесткие неподвижные посадки прочнее, но вызывают больший износ соединения. Посадки с натягом, требующие большей силы для соединения, будут более сложными для демонтажа.
Посадка — это спектр, который можно разделить на три категории, которые помогают выбирать посадку в соответствии с потребностями Вашей сборки. Цветовое кодирование в этом спектре применяется к графикам ниже.
Посадку можно разделить на три категории: с зазором, неподвижную и с натягом, а каждая категория определяется двумя типами посадки.
ПОСАДКА С ЗАЗОРОМ
Скользящая посадка будет иметь боковой люфт, в то время как подвижная посадка практически не будет иметь люфта. Подвижная посадка имеет немного больше трения, но более точное движение.
НЕПОДВИЖНАЯ ПОСАДКА
При тугой посадке компонент будет точно вставляться в другую часть или вокруг нее, только с небольшим усилием, необходимым для его установки и удаления. Прижимная посадка потребует больше усилий для соединения и удаления деталей, но она все равно будет возможна для осуществления вручную.
ПОСАДКА С НАТЯГОМ
Прессовая посадка требует значительного усилия, вероятно, с использованием дополнительных ручных инструментов, таких как молоток для установки, и не предназначена для удаления. Прессовая посадка потребует гораздо большего усилия, применяемого инструментом, например, для установки нажимного приспособления.
ЛЮФТ
Объем пространства для движения в непреднамеренном направлении внутри механизма.
Измерение и применение допусков.
Formlabs исследовал множество общих геометрий, чтобы определить потребности в допусках для реальных условий каждого вида посадки. Двумя протестированными SLA-материалами были полимеры Tough и Durable Resin (Жесткий и Прочный), которые были предназначены для использования для печати прототипов функциональных продуктов, которые подвергаются механическому и трибологическому (трение) напряжению. Следующие примеры демонстрируют, почему полезно применять правильный материал для каждого приложения. Условия посадки каждого графика кодируются цветом: синий — это посадка с зазором, зеленый — неподвижная посадка, а оранжевый — посадка с натягом.
ОТВЕРСТИЕ И ВАЛ
Отверстие и вал обычно требуют условий зазора, которые могут варьироваться от скользящей посадки до ходовой посадки в зависимости от необходимой точности. Для обеспечения ходовой посадки требуется достаточная смазка. Печать вала и отверстия является полезным общим критерием условий пригодности для полимеров Durable и Tough.
Загрузить тестовую модель отверстия и вала
Результаты для жесткого полимера Tough: 0,05 мм или более допуска привело к посадке с зазором между отверстием и валом. Между 0,0 мм и 0,0375 мм привело к неподвижной посадке — вал мог быть вставлен с нормальной величиной ручного усилия. При менее 0,0 мм (посадка с натягом) вал становится намного сложнее вставить и быстро превышается предел усилия в 55 Нм. Вал можно было вставить с помощью рычажного пресса на -0,0375 мм, но его нельзя было снять
Результаты для прочного полимера Durable: В этом тесте оценивается деталь из полимера Durable, переходящая от неподвижной посадки к свободно осуществляемой посадке с зазором при 0,0625 мм допуска. При 0,0125 мм допуска и менее детали имели посадку с натягом и их было трудно удалить. Тем не менее, детали все еще могут быть соединены даже при отрицательном зазоре -0,0375 мм. Это связано с высоким удлинением полимера Durable.
ШАР И ГНЕЗДО
Зазор должен существовать, чтобы позволить шару свободно вращаться в гнезде. Однако существует большая интерференция между радиусом шара и отверстием в гнезде. Отверстие гнезда должно деформироваться настолько, чтобы его можно было вставить, но не вытащить при нормальном использовании.
Загрузить тестовую модель шара и гнезда
Результаты для прочного полимера Durable: В этом тесте присутствовала точка перегиба между 0,2 мм и 0,3 мм зазора, где шар и гнездо становится легче разделить. Между 0,0 мм и 0,2 мм шарик плавно перемещается в гнезде, но остается на месте. Посадка с натягом в этом диапазоне была бы идеальна для шарнирных фигур, которые должны сохранять ориентацию. Выше 0,3 мм, шар слегка ослаблен и свободно перемещается в гнезде. Менее 0,0 мм, шар не может быть вставлен вообще.
Результаты для жесткого полимера Tough: Модель шара и гнезда также была напечатана из жесткого полимера Tough Resin, но не могла быть вставлена вручную из-за высокого трения и высокой прочности материала. Прочный полимер лучше подходит для геометрии шара и гнезда из-за его износостойкости.
СТЕРЖЕНЬ И ВТУЛКА
Втулка представляет собой тип подшипника скольжения, предназначенного для плавного, свободного перемещения вдоль стержня. Между стержнем и втулкой должна быть посадка с зазором. В зависимости от применения зазор может быть больше или меньше.
Загрузить тестовую модель стержня и втулки
Результаты для прочного полимера Durable: Втулки, напечатанные из прочного полимера, имели плавное движение с низким трением над полированным стальным направляющим стержнем. При расчетном допуске 0,025 мм втулка показала плавную посадку с зазором без люфта. При и выше 0,025 мм втулка вообще не захватывала стержень, допуская свободное скольжение. Между 0,0 мм и 0,025 мм втулка потребовала легкого усилия, чтобы проталкивать ее по стержню. При менее 0,0 мм зазора наблюдалась посадка с натягом, которая требовала значительного усилия для скольжения втулки над стержнем, хотя стержень мог быть вставлен из-за соответствия материала. В этом диапазоне деталь не работает как подшипник.
Правильно смазанный прочный полимер Durable Resin — хороший выбор для быстрого изготовления прототипов специальных втулок, редукторных систем и гладких изделий из полипропилена с движущимися частями. Для кинетических сборок, которые должны переносить многочисленные циклы движения без износа, лучше всего использовать готовые вкладыши Delrin, встроенные в детали из жесткого полимера Tough Resin.
Примечание: Tough Resin лучше всего подходит для создания прочных структурных компонентов, которые не требуют длительного трения.
Трение
Величина силы трения между двумя компонентами представляет собой произведение силы на сопрягаемую поверхность (непосредственно связанную с посадкой) и константу (коэффициент трения), которая является определенной для каждого материала. Коэффициент трения полезен для прогнозирования того, какое сопротивление Вашим деталям будет создавать движение и износ, и какие результаты от полимеров Formlabs Вы можете ожидать, по сравнению с другими распространенными материалами.
Formlabs испытала коэффициент трения с использованием салазок, дорожки и измерителя силы.
| Коэффициент статического трения (µs) | Коэффициент кинетического трения (µk) | |
| Durable | Durable | 0,32 | 0,14 |
| Tough | Tough | 0,77 | 0,2 |
| Durable | Tough | 0,57 | 0,16 |
Детали измерялись без какого-либо последующего сглаживания или шлифования. Полимер Durable Resin имеет самое низкое трение скольжения среди полимеров Formlabs благодаря своей высокой смазывающей способности. В отличие от этого, Tough Resin имеет более высокое трение скольжения и значительно более высокое статическое трение, которое вызвало поведение скольжения в наших тестах. Более низкий коэффициент трения Durable Resin делает его наиболее подходящим для движущихся компонентов, которые взаимодействуют в кинетических сборках.
Скользящие компоненты, такие как направляющие, поршни и стержни, имеют более низкое трение, если площадь контактной поверхности двух сочетаемых поверхностей уменьшается. Это достигается путем ориентации объектов в PreForm, чтобы слой текстуры был перпендикулярен между деталями. Если текстура параллельна, канавки слоев будут зацепляться, создавая большую площадь поверхности и более высокое статическое и кинетическое трение.
Formlabs испытал статический и кинетический коэффициент трения между компонентами Durable с параллельными и перпендикулярными текстурами, ориентируя салазки на 90° в Preform.
Наибольшее статическое и кинетическое трение
Высокое статическое и умеренное кинетическое трение
Наименьшее статическое и кинетическое трение
Как в статических, так и в кинетических испытаниях перпендикулярная ориентация имела более низкие коэффициенты трения. На коэффициент статического трения значительно влияет ориентация текстуры: в наших тестах трение между перпендикулярными поверхностями было на 43% ниже, чем у параллельных поверхностей. Кинетическое трение было на 11% ниже между перпендикулярными поверхностями текстуры.
Трение между деталями уменьшается по мере износа поверхностей. Это часто полезно для кинетических сборок, а шлифовка и полировка — пример преднамеренного износа. Однако чрезмерный износ имеет тенденцию к увеличению зазоров между деталями. Смазка — лучший способ уменьшить долговременный износ.
Примечание: Полимер Durable Resin спроектирован как самый износостойкий материал Formlabs и наиболее подходит для зубчатых передач, втулок и кинетических сборок.
В некоторых случаях — например, ролики, колеса и роботизированные захваты — большее трение является желательным. Для этих применений гибкий полимер Flexible Resin имеет более высокий коэффициент трения и более низкую смазывающую способность.
Смазка
Смазочные материалы необходимы для обеспечения бесперебойной работы компонентов в кинетических сборках. Минеральное масло — недорогая и общедоступная смазка, обычно используемая при SLA печати. Смазочные материалы на основе силиконового масла, такие как Super Lube®, также хорошо работают и дольше не становятся липкими.
Модель плоской двухцилиндровой системы внутреннего сгорания с воздушным питанием, напечатанная из Durable и Tough полимеров и смазанная минеральным маслом.
Связанные компоненты
Для того, чтобы скреплять печатные компоненты с помощью клея, требуется посадка с узким зазором. Цианакрилат (Super Glue) заполняет тонкие зазоры из-за его низкой вязкости. Шприц с полимером, отверждаемым вручную с помощью ультрафиолетовой или сине-фиолетовой лазерной ручки (405 нм) (и УФ защитных очков), может использоваться для сварки деталей в стыковых соединениях.
Обработка отпечатанных деталей
Наиболее распространенными этапами последующей обработки для печатных сборок являются шлифование, полировка и смазка. Иногда может быть полезно выполнить обработку пластиковой детали после печати, например, если допустимые отклонения объекта должны быть более жесткими, чем 0,025 мм, или для изменения объекта после печати. Добавление отверстий с помощью сверлильного станка или резьбы с помощью метчика может быть более быстрым и эффективным, чем повторная печать, если инструменты доступны, а дизайн был изменен в середине печати.
Полимеры Tough и Durable выдерживают обработку лучше всего из материалов Formlabs из-за их высокой прочности и удлинения. Другие полимеры Formlabs также могут быть обработаны, хотя они требуют более консервативных методов и более высокой скорости инструмента.
Какие операции обработки лучше всего подходят для SLA-полимеров?
| Высокотемпературный полимер High Temp | ШлифованиеВысокоскоростная высечка
Высокоскоростная расточка и сверление малого диаметра |
| Полимеры Tough, Durable, Standard (жесткий, прочный и стандартный) | ШлифованиеФронтальное и периферийное фрезерование Сверление
Бурение Развертывание Нарезка резьбы |
| Гибкий полимер Flexible | Шлифование
Сверление Нарезка |
Заключение
Определение посадки, основанной на свойствах материала и механической функции, является необходимой практикой в разработке изделий. Диапазоны посадки, показанные для общих геометрий, могут широко применяться ко многим конструкциям для получения функциональных прототипов с меньшим количеством итераций. Для еще большей точности и интуитивного понимания того, как детали будут соответствовать друг другу, напечатайте тестовые модели в более широком спектре материалов и посмотрите, как они работают.
Помимо посадки, выбор подходящего материала необходим для создания рабочих отпечатков. Материалы Formlabs значительно различаются в отношении прочности на растяжение, относительного удлинения и износостойкости. Некоторые основные геометрии, такие как стержень и втулка, будут работать значительно лучше в исполнении из прочного полимера Durable Resin из-за высокой износостойкости и низкого трения материала. Структурные компоненты под нагрузкой будут наиболее успешными в исполнении из жесткого полимера Tough Resin, который имеет высокую прочность на растяжение и модуль упругости при изгибе, подобный пластику ABS.
