Otwory, gwinty i połączenia śrubowe w druku 3D FDM – jak zaprojektować je poprawnie

Elementy mechaniczne rzadko istnieją samodzielnie – prawie zawsze trzeba je z czymś połączyć: przykręcić, wcisnąć na wałek, osadzić na kołku.

Druk FDM ma swoją specyfikę w tym zakresie, różniącą się od obróbki skrawaniem czy odlewania, i zignorowanie jej najczęściej kończy się elementem, który teoretycznie pasuje w CAD, ale w praktyce trzeba go dopasowywać pilnikiem.

Otwory drukują się mniejsze niż zaprojektowane

Okrągłe otwory w druku FDM wychodzą zwykle nieco mniejsze niż wartość nominalna zadana w modelu – wynika to ze sposobu, w jaki dysza obrysowuje krzywizny, oraz z lekkiego wycieku materiału na krawędziach. Różnica jest zwykle niewielka, rzędu 0,1–0,3 mm, ale przy elementach pasowanych – na przykład otworach pod łożyska czy tuleje – potrafi zdecydować o tym, czy element wejdzie na wcisk, czy w ogóle się nie zmieści. W praktyce warto zaprojektować otwór nieco większy niż nominalny wymiar łączonego elementu i, jeśli to możliwe, przetestować dokładność na próbnym wydruku przed uruchomieniem właściwej produkcji.

Gwinty drukowane wprost – kiedy to ma sens, a kiedy nie

Gwint można wydrukować bezpośrednio w modelu, ale przy standardowej dokładności FDM sprawdza się to głównie przy większych rozmiarach (od M6 wzwyż) i przy połączeniach niewymagających dużej precyzji ani wielokrotnego skręcania i rozkręcania. Drukowany gwint ściera się szybciej niż gwint metalowy czy nacięty w tworzywie obrabianym mechanicznie, dlatego przy połączeniach używanych regularnie lepszym rozwiązaniem bywają wkręcane wkładki gwintowane (tzw. insert heat-set) – metalowe tuleje z gwintem, wtapiane w tworzywo za pomocą podgrzanej końcówki po wydrukowaniu, dające trwałość zbliżoną do gwintu w metalu.

Otwory pod śruby samogwintujące

Przy prostszych połączeniach, gdzie śruba sama nacina sobie gwint w tworzywie podczas wkręcania, kluczowy jest dobór średnicy otworu pilotowego – zbyt mały prowadzi do pęknięcia materiału podczas wkręcania, zbyt duży skutkuje luźnym, niepewnym połączeniem. Orientacyjnie otwór pilotowy powinien mieć średnicę zbliżoną do rdzenia śruby (bez gwintu), choć dokładna wartość zależy od materiału i grubości ścianki wokół otworu.

Elementy wciskowe (press-fit)

Połączenia na wcisk – na przykład kołek wciskany w otwór bez gwintu – wymagają szczególnej uwagi przy FDM, ponieważ zbyt ciasne pasowanie może rozsadzić otoczenie otworu, zwłaszcza przy niskim wypełnieniu wewnętrznym w tym miejscu. Warto lokalnie zwiększyć wypełnienie lub grubość ścianki wokół newralgicznych otworów, jeśli mają one przenosić siłę wcisku, zamiast polegać na domyślnych ustawieniach wypełnienia zastosowanych do całego modelu.

Praktyczna zasada

Najbezpieczniejszym podejściem przy elementach z krytycznymi połączeniami mechanicznymi jest zaprojektowanie i wydrukowanie najpierw prostego testu pasowania – małego fragmentu z samym otworem czy gwintem, zanim wydrukuje się cały, docelowy element. Test taki kosztuje ułamek ceny pełnego wydruku, a pozwala uniknąć sytuacji, w której cały, często duży i czasochłonny w druku element okazuje się niedopasowany dopiero po ukończeniu. Konsultację doboru pasowań i połączeń pod konkretny projekt oferuje m.in. 3dpunkt.pl/prototypowanie.