如何為 3D 列印零件設計螺紋

2024/ 12/ 12 ,Chloe Vollaro

圖片來源：Formlabs

您是否應該停止在 3D 列印零件中手動攻絲並轉而設計螺紋？這取決於執行。

當然，工業 3D 列印技術具有將螺紋 3D 列印到所需位置的零件的準確性和能力，那麼為什麼這麼多公司將金屬和聚合物零件送到機械車間呢？

在 Protolabs，我們收到了很多關於在 3D 列印零件的 CAD 模型中添加螺紋特徵的最佳方法的問題。這並不奇怪，因為積層製造技術越來越多地用於原型和最終用途生產零件。

航空航太和國防承包商 Figure Engineering 3D 列印了這個螺紋零件，該零件將在電鍍過程中充當該大型螺栓的掩模。使用 Formlabs Figure 4 樹脂 3D 列印機列印（來源：Formlabs）

最重要的是要知道，列印後的線（在列印過程中創建的線）的成功率將根據列印技術和線尺寸的不同而有很大差異。

每種 3D 列印技術都有一個最小特徵尺寸（以及獨特的列印設定和整理方法），這也根據 3D 列印機的特定品牌而有所不同。我們已經看到，如果螺紋設計不適合 3D 列印和特定工藝，螺紋無法很好地接合或根本無法列印。這是因為，一旦具有錐形邊緣的螺紋變得比所選材料和技術的最小特徵尺寸更薄，就會損失材料。

在設計需要螺紋的零件時，不能只依賴Autodesk Fusion等設計軟體中的螺紋產生功能；還有更多因素需要考慮。

例如，對於剛從機器上加工出來的表面較粗糙的零件（例如使用選擇性雷射燒結 (SLS) 或金屬雷射粉末床熔合 (LPBF) 製造的零件），表面粗糙度實際上會妨礙螺紋功能。但一切都沒有失去！有多種方法可以在列印零件上獲得功能線

儘管我們傾向於不建議在許多零件上使用列印的螺紋，但我們和其他製造商建議使用一些可靠的方法來解決棘手的踩踏情況。

在塑膠列印零件上添加螺紋

英國 3D 列印服務公司 3D People 表示，熱定形插件的金屬螺紋比塑膠螺紋更耐用（來源：3D People）

例如，如果您希望在 3D 列印螺旋蓋容器上 3D 列印非常基本的大螺紋，請查看「3D 列印螺紋和螺絲 – 簡單指南」。

在本文中，我們將介紹您針對專業和工業應用的選擇。對於聚合物零件（例如碳纖維尼龍 GoPro 支架），您有一些螺紋選擇。

第一個選項是列印沒有螺紋的零件，然後再攻入胎面。攻牙是使用看起來像鑽頭的“絲錐”或“螺紋銑刀”在螺絲或螺栓的孔內創建螺紋的過程。它本質上是在前進時將精確的螺紋設計雕刻到孔的內部。對於需要一次性擰在一起並保持原樣的零件來說，這是一個選項。連續插入和拆卸螺絲可能會磨損螺紋。

如果您現有的 CAD 模型包含螺紋，請將其移除，並將孔的尺寸稍微小於與要切削的螺紋對應的絲錐的鑽頭尺寸。用於加工的標準絲錐和鑽頭尺寸表（您可以在網路上或應用程式中找到）也適用於 3D 列印零件。為了獲得最佳效果，請在用手攻牙錐進入之前對孔進行擴孔。

自攻螺絲，也稱為自攻螺絲，無需對零件進行任何準備工作即可插入凹形特徵中。請遵循製造商關於孔尺寸的指南。對於由具有一定彈性的聚合物（例如尼龍）製成的 3D 列印零件來說，這是一個不錯的選擇。

如果您需要更堅固的螺紋，黃銅或鋼嵌件是您的最佳選擇。這些有多種風格。

熱定形 嵌件（也稱為熱熔嵌件）使用烙鐵安裝，烙鐵加熱嵌件及其周圍的塑膠。將插入件壓入軟化的塑膠中，直到其與周圍表面齊平。

對於立體光刻 (SLA) 或任何類型的樹脂列印，最佳選擇是螺絲膨脹插入件，因為這些樹脂材料會受到高熱的影響。

Markforged 3D 列印的連續碳纖維尼龍零件上使用的螺絲膨脹嵌件（來源：Markforged）

上傳到印表機時，應從文件中刪除所有插入件，這樣它們就不會意外地與零件合併。

攻牙螺紋和熱固形螺紋的一個關鍵設計考慮因素是進入孔的能力。如果孔被其他特徵堵塞，導致螺紋工具無法到達該孔，則無法螺紋加工或安裝刀片。

當談到插入物時，還有一些事情需要考慮。給定刀片的直徑始終大於螺紋的直徑。您需要確保孔周圍有足夠的空間，以便插入件不會突破周圍的牆壁。

對於 SLS 和 MJF，請考慮容納刀片的孔周圍的幾何形狀。通常，插入件不會完全筆直地壓入，因此在將插入件壓入零件後，可以使用烙鐵來調整對齊方式。由於熱量和確保它們正確對齊的操作，您需要在插入件和相鄰特徵之間有足夠的空間，以便在此過程中不會意外熔化任何東西。

在理想情況下，如果插入件四周都被特徵包圍，則您需要在插入件周圍添加 0.25 英吋（6.35 毫米）的空間。然而，如果插入件靠近牆壁，但附近沒有任何特徵，則牆壁可以更近一些，因為在所有其他方向上都有足夠的空間來安裝插入件，而不會有損壞牆壁的風險。

如果您透過 3D 列印服務訂購零件，請告知製造商您想要螺紋孔或嵌件，並且不要將它們包含在模型中。相反，請包含正式的繪圖、快速標記或螢幕截圖。標明螺紋尺寸和位置。如果製造商正在加工通孔，請讓他們知道攻牙或安裝刀片的方向。預設情況下，大多數製造商安裝的嵌件與周圍表面齊平，但如果需要，它們也可以是亞齊平的。

另一種選擇是設計您的零件以適應標準鋼螺母。為此，您可以直接列印螺母支架或相應螺母的口袋。

美國 3D 列印服務 DI Labs 使用 Multi Jet Fusion 技術列印這些具有需要防水配合的細螺紋的閥體（來源：DI Labs）

列印的螺紋

現在讓我們轉向列印螺紋，這將消除攻絲和插入的額外步驟和勞動力，並且對於僅用螺絲組裝一次或很少而不是重複的零件來說是理想的選擇。

如果您將螺紋列印到零件中，螺紋越大越好。

當涉及到可列印的最小螺紋時，這將根據您所使用的特定機器和機器設定而有所不同。最好的方法是考慮應用程式的需求，並讓它指導創建線程的方法。

您還需要確保您使用的螺紋可以成功構建，而不會在支撐之間增加，因為無法完全移除的螺紋齒之間的支撐會影響螺紋功能。即使建造定向為使螺紋垂直列印，也不總是保證在沒有支撐的情況下列印螺紋。

請務必檢查您選擇的材料和技術的最小特徵尺寸。任何錐度低於此最小尺寸的螺紋區域都不會形成。如果您考慮最小特徵尺寸，那麼執行緒很可能會按預期工作。

無論如何，在設計和列印螺紋孔時，請務必考慮後處理。例如，您預計會有多少翹曲或收縮？您的孔內部是否有支撐結構？

文章來源 : all3dp ,Chloe Vollaro

圖片來源 : Formlabs ,3D People ,Markforged ,DI Labs