在 3D 打印部件中嵌入螺母以隐藏紧固件强度

美国陆军案例研究

我们之前已经介绍了如何通过将一些金属添加到带有热固螺纹插件的 3D 打印塑料中来解决这个问题。嵌件熔化并回流零件周围的塑料，使其更坚固、更安全。然而，这可能并不总是一个好的选择——虽然插入确实有效，但它们有一些设计限制。插入件必须位于零件的表面，并且其拉拔强度不能超过插入件周围塑料的材料特性。

但是，有一些解决方法可以采用叠印的形式。这种技术有几个名称：套印、协同处理和嵌入印刷只是其中的几个。该技术类似于注塑成型和铸造过程中的二次成型，其中将零件放入模具中，并在其周围浇铸塑料或橡胶。一个例子是踏板车车轮的制造方式——橡胶轮胎实际上是围绕金属轮毂铸造的。

概述

我们也可以在 3D 打印中利用这种技术——通过在暂停期间将外部组件嵌入到打印中。此过程允许您制作一些整洁的不可能制造的组件。通过将螺母嵌入 3D 打印部件中，我们可以在螺栓和螺母之间添加更多材料，而不是使用插入件来隐藏螺母并增加拉拔强度。我们甚至可以用纤维进一步加强夹在螺母之间的层，从而在您的工业强度 3D 打印部件中实现坚固、隐藏的螺栓连接。其基本设计过程是设计一个与您想要添加到 3D 打印部件中的嵌入式螺母大小的腔，在打印腔的顶层之前暂停打印，添加您的组件，并允许打印继续。

设计指南：

1. 公差： 将组件嵌入 3D 打印部件时，最需要记住的是打印机的公差。在 Mark Two 上，四面八方留有 0.05-.08 毫米的间隙，让您非常贴合您的零件。这应该是您零件的测量尺寸，只是为了安全。制造商报告的尺寸始终有其自己的公差！过大的空腔不会与螺母的外侧接合，因此您将无法将螺栓拧入其中。空腔太小，您将无法将螺母装入其中。
2. 顶面： 您要嵌入的零件的顶面也非常重要。如果您嵌入的零件顶部有一个平面，您可能希望设计您的零件，以便打印机将打印在它的正上方，在这种情况下，您可能需要在顶部涂上一些胶水你的一部分。如果零件的顶部不平坦，则您需要设计一个在打印时不接触零件顶部的型腔。无论哪种方式，您要嵌入的零件的顶面必须在将其放入 3D 打印零件后立即位于打印头下方，否则打印头会损坏并可能撞到它。设计零件时要记住的最重要的事情之一是它将从哪个面上打印以及停顿在哪里。
3. 支持材料： 理想情况下，您不想在嵌入零件时使用支撑，因为它们会妨碍您。但是，如果由于零件中的其他特征而不得不这样做，则需要在将螺母放入之前的暂停期间将其移除，并确保一旦安装完成，就不会在稀薄的空气中或在螺母顶部打印任何支撑已嵌入。
4. 选择螺母类型： 在您的设计中嵌入螺母时，方形螺母实际上更适合这种应用，因为如果拧得太紧，它们不太可能剥离腔的内表面。然而，六角螺母更为常见和广为人知，因此在本指南中，我将主要使用六角螺母，因为这可能是您所熟悉的。如果您真的想参与其中，方坚果将是一项不错的投资。

在 XY 平面中嵌入螺母

1.设计腔体： 为您的螺母设计空腔相当简单。设计好螺栓孔后，测量要嵌入的螺母的尺寸，并使用螺栓孔作为中心点在空腔中进行 CAD。通常，我会在空腔开始或结束的任一层制作一个构造平面，并在其上创建草图。

接下来，测量您要嵌入的螺母并勾勒出空腔。在本例中，我使用的是宽度为 7.85 毫米、高度为 3.85 毫米的 M5 六角螺母。我直接用一组卡尺测量了这个，而不是使用规格表，它说它是 8 毫米 x 4 毫米。不是直接输入螺母尺寸，而是考虑公差 - 每侧约 0.05 毫米（因此添加 2 x 0.05 以获得 0.1 以获得全直径公差）提供非常紧密的配合。这会给我 7.95 毫米的宽度和 3.95 毫米的高度，但我想安全地玩这个，所以我会给自己更多的回旋余地，并且无论如何都将其舍入到 8 毫米的宽度和 4 毫米的高度。

之后，将草图向上拉伸计算出的高度尺寸，现在型腔就完成了。您不想对空腔内部的任何边缘进行圆角或倒角，因为这会影响零件的配合以及打印喷嘴的位置——例如，如果您对空腔的天花板边缘进行圆角处理，一旦暂停到来，您将无法将螺母装入空腔！

2.添加暂停： 在 Eiger 中，您可以在给定图层后添加暂停。首先，确保您已关闭支持（除非您确实需要它）。您可以在“高级设置”下执行此操作。

接下来，找到空腔天花板在切片文件中的开始位置，然后滚动到之前的图层。在那里，您可以点击“一层一层的暂停”来添加暂停。

3.添加纤维： 为了增加螺母的拉拔强度，您可以选择在零件中添加纤维。您需要将其添加到零件上方或下方的图层上。这实际上取决于您的螺栓将来自的方向以及它将如何加载螺母。有关有效布置光纤的更多信息，请查看本系列文章。在下图中，我在螺母腔的两侧添加了纤维以加强支架。纤维也可以添加到构成螺母侧面的层中，以加强空腔壁。更坚固的墙壁意味着更安全的螺母，不太可能将其自身拧松。

4. 打印零件： 现在是打印的时候了。幸运的是，您可以通过查看 Eiger 中的图层详细信息来确定打印机何时暂停，因此无需等待。一旦发生暂停，只需将您的组件放入并继续打印。如果您担心尼龙或 Onyx 不会粘在嵌入组件的顶部，只需在继续打印之前将我们提供的一些构建板胶添加到顶面（但是，请注意不要在打印件上沾上胶水本身——这会导致层分层）。如果您有一些难以从打印机正面够到的螺母，不用担心！幸运的是，构建板底部的运动耦合器以 10 微米的精度卡回，因此您可以在嵌入所有组件后取下构建板并将其弹回原位。

5.处理支撑材料和更复杂的几何形状（如有必要）： 如果由于零件的其他功能而需要使用支撑材料，则在打印暂停时，您可以使用尖嘴钳将其拉出。但是，这仅在您的空腔具有平坦天花板时才真正有效。如果要嵌入具有更复杂顶面的零件，则可能无法使用支撑材料。您要么需要依靠拱形或成角度的悬垂来保持内部空腔清晰，要么打印第二块以嵌入平坦的顶面，以便轻松去除支撑材料。下面解释这个过程。

打印二次零件以在其他平面上嵌入螺母

在其他平面上添加嵌入式螺母是可能的，但需要更多的设计考虑，以便轻松移除支撑并使螺母保持在零件内。为此，必须设计辅助组件。例如，我想在这件作品中嵌入一个六角螺母，使其轴线平行于构建板，如下面的横截面所示。方形螺母将是解决此问题的简单方法，因为它提供了可打印的平坦表面，但我只是为了举例。如果我保留这个空腔，灯丝将无法很好地弥合间隙，并且该区域的任何支撑材料都需要移除。

我可以在空腔中加入一个有角度的悬垂，但这仍然意味着我不能使用支撑材料，因为它会在螺母上方填充不良，这意味着螺母将能够在空腔内滑动，使其更难将螺栓穿过时固定。

相反，我可以添加一个辅助部件进行打印，该功能将固定螺母并为打印机提供平坦的顶部表面以进行打印。为此，我制作了一个顶部平坦的螺母腔：

然后创建一个小块来填充该空腔中的剩余空间，为了安全起见，在顶部和侧面留下一点公差。

这可以与主要组件一起打印，这样当打印暂停时，我可以在暂停期间添加螺母和辅助组件，然后打印可以继续在辅助打印部件的平顶上，就像这样下面的角形方螺母：

使用相同的方法，您也可以以其他角度嵌入螺母，但您需要确保有空间将螺母滑入。在下面的横截面图中，三角形小块以一定角度将方形螺母固定到位在打印部分内：

这种技术可以让您在 3D 打印部件的任何平面上以任何角度固定螺母，而且它不仅限于螺母 - 找出嵌入螺母和其他组件对您最有用的方式，并且不要忘记在 Twitter、Facebook 或 Instagram 上与我们分享！