Le parti e gli assemblaggi a incastro sono presenti ovunque e, con la crescente diffusione della stampa 3D come metodo di fabbricazione in sempre più settori e applicazioni, è fondamentale comprendere come realizzare giunzioni a incastro tramite questa tecnologia.
Le giunzioni a incastro si basano sulla forza di frizione tra due componenti e prevedono una sporgenza e uno spazio negativo corrispondente in cui questa possa incastrarsi. Una volta unite, la forma delle due giunzioni e la frizione tra di loro mantengono saldo l'incastro, impedendo lo smontaggio in una direzione specifica ma permettendolo quando la forza viene applicata da altre direzioni. Le giunzioni a incastro sono molto comuni in applicazioni che utilizzano materiali rigidi come il legno, ma anche le versioni stampate in 3D sono ampiamente utilizzate.
Diversamente, le giunzioni con accoppiamenti a scatto sono progettate per deformare leggermente un particolare quando l'altro componente incastra a pressione la sua sporgenza, per poi tornare nella posizione originale, bloccando di fatto l'elemento corrispondente. Poiché i materiali plastici possono deformarsi ripetutamente (molto più del legno, ad esempio), le giunzioni con accoppiamenti a scatto in plastica ottenute tramite stampa 3D sono una soluzione molto diffusa per l'assemblaggio di componenti.
Come progettare accoppiamenti a scatto, particolari a incastro e altro ancora con la SLS
L'esperto di progettazione SLA e SLS di Formlabs, Shiden Yohannes, ci guida nella progettazione di parti con accoppiamenti a scatto e nella scelta di materiale e tecnologia di stampa 3D più adatti per una parte funzionale con accoppiamenti a scatto.
Introduzione alla stampa 3D di parti a incastro
Esistono molti esempi di giunzioni e assemblaggi a incastro, dai più antichi metodi di costruzione in legno con travi e pilastri o capanne di tronchi fino alle maglie metalliche e agli assemblaggi di motori con componenti che ruotano e si muovono in relazione tra loro. Questo tipo di giunzioni offre numerosi vantaggi. Creare una giunzione a incastro permette di:
- Assemblare e smontare facilmente una struttura
- Creare sistemi più grandi rispetto ai singoli componenti disponibili
- Unire due o più materiali o colori diversi
- Semplificare un design o un assemblaggio, riducendo la necessità di unire manualmente le parti con viti, adesivi o altri metodi e aumentando al tempo stesso la resistenza
La stampa 3D di giunzioni a incastro consente di realizzare questi assemblaggi direttamente nella posizione designata, a differenza dei metodi di fabbricazione tradizionali, nei quali le parti devono essere create separatamente e poi unite. In un esempio classico come quello di una casa con struttura in legno, due grosse travi vengono smussate (cioè tagliate in obliquo per creare una transizione tra due superfici), in modo che le superfici combacino perfettamente, e poi unite tramite perni o pioli. I metodi tradizionali di costruzione in legno creano queste parti a incastro mediante quella che è conosciuta come una giunzione a sciarpa o, più precisamente, una giunzione a sciarpa con inclinazione ridotta ed estremità svasate.
Nella produzione tradizionale di maglie metalliche, le singole maglie aperte vengono fissate all'anello precedente della sequenza e poi accuratamente saldate. Anche se al giorno d'oggi non c'è molta necessità di armature tradizionali, la stampa 3D degli anelli di catena e di pezzi più grandi di maglia, destinati alla prototipazione o alla moda, rappresenta un metodo di fabbricazione più semplice e veloce.
La stampa 3D di giunzioni a incastro offre molti vantaggi per la progettazione di prodotti di grandi dimensioni o assemblaggi complessi. Il vantaggio principale è che alcune parti a incastro non possono essere prodotte con altri metodi. In certi casi, infatti, le rientranze in cui si incastrano sporgenze, linguette o alette non possono essere realizzate mediante lavorazione meccanica né tramite stampaggio. Nell'esempio che segue, la parte a incastro può essere realizzata solo tramite stampa 3D.
La stampa 3D di parti a incastro con giunzioni che aderiscono tra loro è semplice una volta compresi alcuni principi base di design e come scegliere la stampante 3D e il materiale più adatti al tuo progetto specifico.
Tipi comuni di giunzioni a incastro
Giunzioni a puzzle o a linguetta
Tra le giunzioni a puzzle figurano quelle a "T", a "I" o le varianti di quest'ultima con alette o linguette.
Ideali per applicazioni hobbistiche della stampa 3D e per giunzioni simili a pezzi di puzzle o per la prototipazione di beni di consumo.
Giunzioni a coda di rondine
È la giunzione più semplice e comune da creare ed estrudere nei software CAD. Ideale per parti con angoli appuntiti e superfici lisce realizzate con la stampa 3D SLA.
Giunzione a chiave
Non è l'ideale per la stampa 3D: maggiore è il numero di parti, maggiore è la possibilità di avere una variazione delle tolleranze tra le facce.
Giunzione a pettine
I bordi sottili della giunzione a pettine tendono a rompersi, pertanto non sono ideali per applicazioni di stampa 3D.
Giunzioni a tenone
Su alcune stampanti a basso costo, come quelle FDM, "scalini" o linee degli strati potrebbero causare un effetto che renderebbe difficile ottenere incastri perfettamente rotondi. Per ogni tipo di tecnologia è necessaria una post-elaborazione.
Giunzione a sciarpa
Ideale per la stampa 3D; le parti più grandi e grosse richiederanno una tolleranza maggiore, pari a 0,4 mm.
Maglie della catena
Ideale e più conveniente tramite la stampa 3D. Le maglie possono essere stampate già assemblate, utilizzando strutture di supporto o polvere circostante che le mantiene separate durante il processo, evitando che si fondano, polimerizzino o sinterizzino in un unico pezzo.
Qual è la tecnologia ideale per la stampa 3D di parti a incastro?
Le stampanti 3D a modellazione a deposizione fusa (FDM), stereolitografiche (SLA) e a sinterizzazione laser selettiva (SLS) possono tutte essere utilizzate per creare parti a incastro, anche se la scelta dell'una rispetto all'altra presenta dei vantaggi.
Un fattore importante nella stampa 3D di parti a incastro è la tolleranza, ovvero le variazioni consentite in una determinata dimensione. Le tolleranze delle parti a incastro realizzate mediante stampaggio a iniezione sono in genere di 0,1 mm. Tuttavia, nella stampa 3D entrano in gioco più fattori. Il calore utilizzato per estrudere, polimerizzare o sinterizzare la plastica può causare il restringimento della giunzione a incastro, oppure un agente adesivo può aumentarne il volume, generando dimensioni superiori a quelle previste. Tuttavia, poiché alcune stampanti 3D sono in grado di stampare le parti nella loro posizione finale, offrono comunque notevoli vantaggi rispetto allo stampaggio a iniezione di due parti che vengono poi unite con un elemento a incastro.
Idoneità delle diverse tecnologie per la stampa 3D di parti a incastro
| Tolleranze necessarie | Vantaggi della stampa 3D di parti a incastro | Svantaggi della stampa 3D di parti a incastro | |
|---|---|---|---|
| FDM | 0,5 mm | Economico per prototipi per il controllo rapido della forma | Anisotropiche, linee degli strati, parti soggette a rottura sotto l'effetto di forze di taglio |
| SLA | 0,2 mm | Parti isotropiche, ampia variabilità dei materiali | Resistenza funzionale inferiore a quella della SLS |
| SLS | 0,2 mm | Parti autoportanti, resistenza funzionale, tolleranze ridotte, parti per lo più isotropiche | Una superficie più ruvida può aggiungere ulteriore frizione all'interno della giunzione |
Le tecnologie SLS e SLA sono ideali per la stampa 3D di parti a incastro. Le tolleranze ristrette e l'ampia gamma di proprietà meccaniche offerte da queste tecnologie permettono di creare assemblaggi stampati in 3D resistenti con giunzioni a incastro che aderiscono in modo stabile.
SLA
SLS
Tolleranza minima di assemblaggio
Consigliata: 0,4 mm/400 micron
Particolari inferiori a 20 mm2: 0,2 mm
Particolari superiori a 20 mm2: 0,4 mm
Gioco per assemblaggi integrati
Sconsigliato perché la resina liquida tra le parti può essere difficile da rimuovere senza un adeguato drenaggio.
Particolari inferiori a 20 mm2: 0,3 mm
Particolari superiori a 20 mm2: 0,6 mm
Considerazioni per la progettazione di giunzioni a incastro stampate in 3D
Giochi
La cosa più importante da tenere a mente quando si progettano giunzioni a incastro per la stampa 3D è il mantenimento di giochi precisi. Il gioco di una giunzione è la quantità di spazio tra i due componenti di tale giunzione. Una giunzione a incastro stampata in 3D e progettata correttamente avrà un gioco adeguato, in modo da poter essere assemblata facilmente senza troppa forza, ma senza essere troppo allentata e risultare inutilizzabile.
Tolleranze
Il gioco tra i due componenti deve tenere conto delle tolleranze della stampante e del materiale. Pertanto, il gioco di una giunzione a incastro realizzata con la stampa 3D FDM deve essere maggiore rispetto a quello di una giunzione realizzata con la stampa 3D SLA o SLS, perché la stampante 3D FDM ha una maggiore variabilità dimensionale.
Come progettare accoppiamenti a scatto, particolari a incastro e altro ancora con la SLS
Tolleranza e accoppiamento sono concetti fondamentali usati dai team di ingegneria per ottimizzare la funzionalità di assemblaggi meccanici e contenere le spese di produzione. Usa questo whitepaper come risorsa utile per progettare assemblaggi funzionali da realizzare mediante stampa 3D o come punto di partenza per calcolare l'accoppiamento fra parti stampate.
Scelta dei materiali
Un altro aspetto da tenere in considerazione per la stampa 3D di parti a incastro è il materiale con il quale si progetterà: quanto è rigido, il coefficiente di frizione e se verrà sottoposto a post-elaborazione per renderlo più liscio.
Le stampanti SLA come la Form 4 e la Form 4L di Formlabs offrono un'ampia gamma di proprietà dei materiali, da elastomeri molto morbidi e flessibili come l'Elastic Resin 50A Resin o la Silicone 40A Resin a opzioni estremamente rigide come la Rigid 10K Resin o l'High Temp Resin. A seconda della funzione desiderata della giunzione, puoi scegliere una resina che la mantenga immobile oppure che ne consenta un leggero movimento e un facile smontaggio.
Le stampanti 3D SLS come quelle della serie Fuse di Formlabs hanno il vantaggio di utilizzare plastiche standard del settore, come nylon e TPU. Grazie alla resistenza di questi materiali e alla mancanza di supporti necessari per creare elementi complessi con sporgenze, rientranze, canali e alette, la stampa 3D SLS è forse il metodo migliore per creare assemblaggi a incastro.
Un'altra potenziale soluzione per la stampa 3D di giunzioni a incastro è la combinazione di più tipi di giunzioni e particolari stampati in 3D. Qui puoi vedere una morsa stampata in 3D direttamente in posizione con la stampante 3D SLS Fuse 1+ 30W in Nylon 12 Powder e con la Form 4 utilizzando l'Elastic 50A Resin per realizzare ganasce morbide.
Forze che agiscono su una giunzione a incastro stampata in 3D
Le giunzioni a incastro sono progettate per mantenere unite le parti contro le forze che agiscono su di esse, che possono essere la gravità o un'energia attiva che tende a separarle (ad esempio, l'anello di una catena può sostenere il peso su un fissaggio, opponendosi alla gravità, oppure può unire due vagoni ferroviari che tirano in direzioni opposte). Sebbene queste forze possano essere classificate in base alla loro fonte di energia, come la gravità, noi le etichettiamo in base al tipo o alla direzione della sollecitazione che esercitano sulla giunzione stessa.
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Frizione: forza principale che tiene unita una giunzione. Diminuendo i giochi e stringendo le tolleranze, si aumenta la frizione e la giunzione a incastro viene tenuta insieme più saldamente.
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Tensione: forza principale che agisce contro la giunzione, cercando di separarla.
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Taglio: forza secondaria che agisce perpendicolarmente alla direzione della tensione, una forza di strappo laterale.
Guida dettagliata per la progettazione di giunzioni a incastro stampate in 3D
Dima in Nylon 12 Powder: particolare a incastro
Per progettare questo particolare a incastro:
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Designa l'area di lavoro generale (l'area specifica della parte in cui avverrà l'incastro).
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Crea un lato della giunzione a incastro e scegli un angolo per il taglio che sia adatto alla tua parte: in questo caso abbiamo scelto un angolo di 65°.
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Ricrea in modo speculare il taglio sull'altro lato dell'interfaccia.
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Applica un offset al taglio: scegli 0,2 mm per le parti piccole e 0,4 mm per quelle più grandi. In questo modo otterrai la tolleranza della giunzione in modo da poterla stampare in modo pulito.
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Completa il processo per ottenere il taglio che potrai estrudere sulla parte.
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Regola la giunzione per assicurarti che l'estrusione sia allineata con la parte.
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Posiziona la giunzione a incastro in un altro punto della parte in modo da poter suddividere la parte grande in più parti piccole per una stampa e un posizionamento più semplici ed efficienti.
Hackey sack ad anelli in Nylon 12 Powder:
Per progettare questo hackey sack ad anelli a incastro:
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Fai uno schizzo di un semplice anello (puoi creare anelli di qualsiasi dimensione e poi ridimensionarli in PreForm).
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Posiziona un anello in piano.
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Duplica un anello accanto al primo e trascina il secondo in modo che si intrecci con il primo, lasciando almeno 0,2 mm di distanza tra le due superfici.
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Seleziona entrambi gli anelli e duplicali nuovamente, intrecciandoli in modo da formare un gruppo di quattro anelli che si estende verso l'alto e lateralmente.
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Continua questo processofino a ottenere una sfera chiusa formata da anelli intrecciati.
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Importa il modello in PreForm, adattalo alle dimensioni desiderate, duplicalo e posizionalo verticalmente, se necessario, per ottenere volumi più elevati di parti.
Supporto per tablet in Nylon 12 Powder
Per progettare questo supporto per tablet da utilizzare in una sala conferenze:
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Importa le dimensioni del tuo dispositivo: lunghezza, larghezza, altezza e profondità. Inserisci queste dimensioni nel tuo schizzo. Potrai così visualizzare le dimensioni complessive del dispositivo. Sposta le dimensioni per una migliore visibilità.
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Aggiungi un margine di tolleranza. Nel caso della Fuse 1+ 30W, una tolleranza di 0,2 mm è adatta per parti più sottili e meno voluminose come questa. Una tolleranza inferiore renderà la parte più a incastro, ma sarà anche più difficile da smontare.
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Crea un nuovo schizzo sulla superficie superiore. Disegna un lato e poi crea un'immagine speculare per generare l'altro lato. Crea una giunzione a incastro con un semplice incastro a coda di rondine. Estrudi lo schizzo.
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Assicurati che lo spazio di tolleranza attraversi completamente la giunzione.
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Stabilisci se le parti dovranno scorrere insieme o se dovranno essere incollate. Nel secondo caso, utilizza una colla cianoacrilica o una resina epossidica bicomponente. Applicala in modo uniforme, poiché una piccola quantità di colla verrà assorbita dalla superficie.
Stampa 3D di parti e assemblaggi a incastro
Come mostrato nei nostri esempi, progettare semplici incastri per la stampa 3D può essere piuttosto facile. L'aspetto principale da tenere a mente quando si progettano giunzioni a incastro per la stampa 3D è che bisogna tenere conto della tolleranza della tecnologia di stampa 3D e del materiale, oltre a considerare tipo di parte da stampare, se molto grande e massiccia o più piccola e sottile. Questi fattori avranno un impatto sulle tolleranze, anche se le tecnologie SLA e SLS di Formlabs SLA hanno tolleranze ridotta e un'accuratezza elevata e ripetibile, permettendo di regolare il design in base alle esigenze.
Per le parti più piccole e sottili, puoi utilizzare una tolleranza di 0,2 mm quando progetti assemblaggi di più pezzi con parti a incastro. Per gli assemblaggi più grandi e grossi, è consigliabile aumentare le tolleranze fino a 0,4 mm.
La stampante SLS Fuse 1+ 30W è ideale per stampare parti a incastro direttamente in posizione, come la hackey sack ad anelli del secondo esempio. Potrai stampare anelli a incastro senza supporti ed eseguire facilmente la post-elaborazione con la Fuse Blast, che rimuove la polvere non sinterizzata tra gli anelli senza necessità di intervento manuale.
Le stampanti SLA di Formlabs, come la Form 4 e la Form 4L, sono perfette per la realizzazione di parti con bordi molto definiti e superfici lisce, che si rivelano utili per le parti che devono scorrere tra loro con una minima frizione.
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