Замковые соединения основаны на силе трения между двумя компонентами и включают в себя выступ и соответствующее ему углубление, в которое этот выступ входит. Таким образом, соединение будет прочным благодаря трению и форме этих двух компонентов и предотвратит разборку в одном направлении, но позволит разобрать его в других направлениях. Замковые соединения очень распространены в конструкциях из очень жестких материалов, таких как дерево, но также распространены подобные соединения, напечатанные на 3D принтере.

В отличие от них, защелкивающиеся соединения сконструированы таким образом, что одна деталь слегка деформируется, когда другая деталь заходит за выступ, а затем «защелкивается» в исходное положение, эффективно фиксируя сопряженную деталь. Поскольку пластик может многократно деформироваться (лучше, чем, например, дерево), защелкивающиеся соединения для 3D печати являются очень распространенным методом изготовления узлов.

Существует множество примеров замковых соединений и узлов, от самых старых деревянных конструкций из столбов и балок или срубов до кольчуги и узлов двигателя, компоненты которых вращаются и перемещаются относительно друг друга. Такие соединения обладают многочисленными преимуществами. Создание замкового соединения позволяет:

• Легко монтировать и разбирать конструкцию;

• Создавать системы, которые больше, чем отдельные доступные компоненты;

• Соединять вместе два и более материала или цвета;

• Оптимизировать конструкцию или сборку, сократив необходимость вручную соединять детали с помощью винтов, клея и т. д. и увеличив прочность.

3D печать замковых соединений позволяет печатать эти узлы целиком, в отличие от традиционных методов изготовления, при которых нужно создавать элементы отдельно, а затем соединять. В традиционных примерах, таких как каркасный дом, два больших бруса срезаются под углом (образуя переход между двумя поверхностями) таким образом, чтобы их поверхности соприкасались, а затем скрепляются штифтами или колышками. Традиционные методы строительства из дерева позволяют создавать эти соединяющиеся детали с помощью так называемого шарфового соединения, или, точнее, шарфового соединения с косым углом.

При традиционном производстве кольчуги отдельные звенья прикрепляются к предыдущему кольцу в последовательности, а затем тщательно свариваются. Хотя в наши дни традиционная броня не так уж и нужна, 3D печать звеньев цепей и более крупных элементов для прототипирования или моды — это более простой и быстрый способ изготовления. Блокирующие соединения для 3D печати дают множество преимуществ при проектировании крупных изделий или сложных сборок. Одним из основных преимуществ является то, что существуют некоторые детали, которые невозможно изготовить никаким другим способом. Например, в некоторых конструкциях соединяемых деталей углубления, за которые зацепляется выступ, язычок или ребро, не поддаются механической обработке или формовке. 3D печать деталей с соединительными элементами, которые подходят друг к другу, проста, если вы понимаете несколько основных принципов проектирования и знаете, как выбрать подходящий 3D принтер и материал для вашего проекта.

Сквозные соединения

В зависимости от типа соединения языка различают «Т»-образные, «I»-образные, «пластинчатые» или «таблетированные» «I»-образные соединения.

Идеально подходит для 3D печати в домашних условиях, а также для создания эстетичных соединений в виде пазлов или прототипов потребительских товаров.

Ласточкин хвост

Самый популярный простой способ создания и выдавливания в программах САПР. Идеально подходит для 3D печати деталей методом SLA с острыми краями и гладкими поверхностями.

Гребневые соединения

Тонкие зубцы гребенки легко ломаются и не подходят для 3D печати.

Соединения шип - паз

На некоторых недорогих принтерах, таких как модели FDM, из-за эффекта ступенек или линий слоев может быть сложно получить идеально круглые пазы. Для каждого типа технологии необходима некоторая постобработка.

Торцевые соединения

Для 3D печати крупных и массивных деталей потребуется допуск 0,4 мм.

Звенья цепи

Идеально и наиболее экономично с помощью 3D печати. Звенья цепи могут быть напечатаны на месте с помощью поддержек или окружающего порошка, удерживающего каждое звено отдельно от соседнего в процессе печати, чтобы избежать сплавления, отверждения или спекания в один объект.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM), стереолитография (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS) — все эти 3D принтеры можно использовать для создания взаимодополняющих деталей, хотя у каждого из них есть свои преимущества. Основным фактором при 3D печати деталей с замковыми соединениями является допуск — допустимые отклонения по заданному размеру. Для деталей с замковыми соединениями, изготовленных методом литья под давлением, допуск обычно составляет 0,1 мм. Однако при 3D печати действует больше факторов. Тепло, используемое для экструзии, отверждения или спекания пластика, может привести к усадке замкового соединения, а связующее вещество может увеличить объем, что приведет к превышению заданных размеров. Однако 3D принтеры по-прежнему обеспечивают значительные преимущества по сравнению с литьем под давлением двух деталей, которые затем соединяются между собой с помощью механизма блокировки.

Зазоры

Самое важное, о чём следует помнить при проектировании замков для 3D печати, — это соблюдение точных зазоров. Зазор в замке — это расстояние между двумя компонентами. Правильно спроектированный замок для 3D печати будет иметь достаточный зазор, чтобы его можно было легко собрать без чрезмерных усилий, но при этом он не будет слишком свободным и бесполезным.

Допуски

Зазор между двумя компонентами должен учитывать допуски принтера и материала. Таким образом, зазор для FDM печати должен быть больше, чем для SLA или SLS печати, потому что у FDM принтеров погрешность больше.

Выбор материала

Еще один фактор, который следует учитывать при 3D печати деталей с замковыми соединениями, — это материал, для которого вы разрабатываете конструкцию: его жесткость, коэффициент трения и необходимость последующей обработки для придания гладкости.

SLA-принтеры совместимы с широким спектром материалов с разными свойствами: от очень мягких и гибких эластомеров, таких как эластичная или силиконовая смола, до чрезвычайно жестких вариантов, таких как жесткая или высокотемпературная смола. В зависимости от желаемой функции соединения вы можете выбрать смолу, которая либо удерживает соединение неподвижным, либо допускает небольшое перемещение и легкую разборку соединения.

Преимущество SLS принтеров заключается в использовании стандартных для отрасли пластмасс, таких как нейлон и TPU. Из-за прочности этих материалов и отсутствия опор, необходимых для создания сложных элементов с выступами, выемками, каналами и ребрами, SLS печать, пожалуй, является наиболее идеальным методом создания взаимосвязанных узлов.

Другим потенциальным решением для 3D печати замковых соединений является сочетание нескольких типов 3D печатных замковых соединений и элементов. 

Блокирующие соединения предназначены для удержания деталей вместе под действием действующих на них сил, которыми может быть сила тяжести или активная энергия, растягивающая две детали друг от друга (например, звено цепи может удерживать груз на креплении, действуя против силы тяжести, или звено цепи может удерживать вместе два вагона поезда, которые тянутся в противоположных направлениях). Хотя эти силы можно классифицировать по их источнику энергии, например, по силе тяжести, мы вместо этого обозначим их по типу или направлению нагрузки, которую они оказывают на само сочленение.

Трение: основная сила, удерживающая соединение. Уменьшая зазоры и ужесточая допуски, вы увеличиваете трение, и соединение будет удерживаться более плотно.

Напряжение: основная сила, действующая на соединение и пытающаяся разъединить его.

Сдвиг: вторичная сила, действующая перпендикулярно направлению натяжения, сила, действующая вбок.

Как показано в наших примерах, проектировать простые соединительные элементы для 3D печати довольно просто. Главное, о чём следует помнить при проектировании для 3D-печати, — это то, что нужно учитывать допуски технологии и материала, а также то, какую деталь вы печатаете: очень большую и массивную или более компактную и тонкую. Для более мелких и тонких деталей при проектировании многокомпонентных сборок с взаимосвязанными деталями можно использовать допуск 0,2 мм. Для более крупных и массивных сборок рекомендуется увеличить допуск до 0,4 мм. Принтеры SLA хорошо подходят для печати деталей с очень острыми краями и гладкими поверхностями, которые пригодятся для деталей, которые должны скользить друг по другу с минимальным трением. SLS печать подходит для создания сложных узлов и цепей, поскольку в качестве опор используется не спекшийся материал, который легко удаляется после печати.

В DigitalCraft3D мы помогаем проектировать и печатать сложные узлы. Узнайте больше о возможностях нашего производства у менеджера DC3D!