3D-printen van draden en schroeven – Eenvoudige handleiding

Het 3D-printen van passende draden en schroeven is een uitdaging. Bekijk deze eenvoudige handleiding om te leren hoe je ze succesvol ontwerpt en print!

Allereerst: wat is het verschil tussen een schroef en een schroefdraad? Een schroef is een bevestigingselement dat wordt gebruikt om een ​​verbinding te vormen die later kan worden gedemonteerd, terwijl een schroefdraad het belangrijkste bevestigingselement van een schroef is. Schroefdraden worden echter niet alleen gebruikt voor schroeven; ze komen ook voor in buizen, lineaire aandrijvingen, wormwielen en vele andere apparaten.

De gemeenschappelijke eigenschap van alle schroefdraden is de manier waarop ze gevormd zijn. Elke schroefdraden zijn doorlopende spiraalvormige groeven met een specifieke doorsnede, gevormd aan de buiten- of binnenkant van een cilindrisch oppervlak.

In de meeste gevallen is de doorsnede, of vorm, driehoekig of trapeziumvormig. Driehoekige schroefdraadvormen worden meestal gebruikt voor bevestigingsmiddelen (schroeven), terwijl trapeziumvormige schroefdraadvormen, een variant op vierkante schroefdraadvormen, worden gebruikt voor krachtoverbrenging en lineaire aandrijvingen op leispindels. Om het eenvoudiger te maken, bespreekt dit artikel alleen driehoekige schroefdraad, maar alles is van toepassing op beide typen.

Een verdere categorisering onderscheidt metrische schroefdraad van inch-schroefdraad. De eerste wordt vooral gebruikt in Europa en Azië, terwijl de laatste in de VS en het VK worden gebruikt. Voor het ongetrainde oog zien ze er hetzelfde uit, maar er is een verschil in de vorm van de driehoek en de spoed van de helixcurve.

In dit artikel bespreken we de basisprincipes van het ontwerpen en 3D-printen van schroeven en schroefdraad.

Basisbegrippen

Voordat u begint met het ontwerpen van threads, zijn er een paar termen en concepten waarmee u bekend moet zijn:

• Buiten- of binnendraad: Een buiten- of buitendraad loopt vanuit een cilindrisch oppervlak. Een binnen- of binnendraad is de exacte negatieve draad van een buitendraad, wat betekent dat deze in een negatief cilindrisch oppervlak is gesneden. Bouten hebben bijvoorbeeld buitendraad, terwijl moeren binnendraad hebben.
• Schroefdraadrichting: Schroefdraden draaien naar rechts of links. Rechtsdraaiende schroefdraad loopt met de klok mee en linksdraaiende schroefdraad tegen de klok in. Als je rechtsdraaiende schroefdraad tegen de klok in draait, draait deze los. Bovendien draait een rechtsdraaiende moer niet op een linksdraaiende schroef. Hoewel rechtsdraaiende schroefdraad het meest voorkomt, kun je linksdraaiende schroefdraad vinden in bijvoorbeeld douches of wastafels voor de warmwaterkraan.
• Schroefdraadas: Dit is de lijn die door het midden van de cilinder loopt waarop de schroefdraad is gevormd.
• Root: Dit is de onderkant van de groef die rond het draadlichaam loopt.
• Top: Dit is het hoogste punt van het draadprofiel.
• Grote diameter: De diameter van de cilinder die de top van de buitendraad of de basis van de binnendraad omsluit, wordt de grote diameter genoemd. Deze cilinder is concentrisch ten opzichte van de draadas.
• Kleine diameter: Dit is de diameter van de cilinder die de basis van de schroefdraad bij een buitenschroefdraad of de top van een binnenschroefdraad omsluit. Deze cilinder is concentrisch ten opzichte van de schroefdraadas en de grote diameter. De kleine diameter wordt ook wel de "boordiameter" genoemd wanneer het om binnenschroefdraad gaat.
• Spoed: Dit is de afstand tussen gelijkwaardige punten op aangrenzende draden. Bijvoorbeeld de afstand tussen twee aangrenzende toppen van een driehoekige draad.

Draden ontwerpen

Bij het ontwerpen van schroefdraadelementen zijn er twee mogelijkheden. U kunt gebruikmaken van de bestaande toolboxen in CAD-software die modellen van veel gangbare machine-elementen bevatten. De beschikbare tools in toolboxen variëren per software en sommige moeten mogelijk worden aangeschaft.

U kunt ook schroefdraadelementen vanaf nul modelleren. Om schroefdraadelementen vanaf nul te modelleren, biedt Fusion 360 bijvoorbeeld een vereenvoudigde schroefdraadgeneratiefunctie. Andere CAD-programma's hebben tools die in verschillende mate vergelijkbaar zijn.

Het belangrijkste is echter om de basis te begrijpen. Het gaat niet alleen om het gebruik van CAD-software, maar ook om het kennen van de ontwerpregels voor schroefdraad. Voordat we ingaan op het modelleren van schroefdraad, gaan we het daarom eerst hebben over de regels voor schroefdraad.

Draadvoorschriften

Alle commerciële schroeven zijn gestandaardiseerd. Een ISO M4X20 Bristol inbusschroef heeft bijvoorbeeld een vooraf gedefinieerde spoed, hoek en tandafmetingen. Daarom moeten de afmetingen bij het modelleren van een element met schroefdraad niet willekeurig worden bepaald, maar gebaseerd zijn op een standaard. Dit is de aanbevolen werkwijze en het maakt je model flexibeler, zelfs als je de schroefdraad in 3D gaat printen.

Let ook op de meeteenheden:

• Metrische schroefdraad:  De 'M'-aanduiding van een metrische schroefdraad geeft de nominale buitendiameter van een schroefdraad in millimeters aan. Zo heeft schroefdraad M5 een nominale buitendiameter van 5 mm. Bij een buitenschroefdraad is de nominale buitendiameter gelijk aan de grootste diameter. Bij een binnenschroefdraad kan de nominale buitendiameter worden bepaald door de kleinste diameter te meten en een tabel met metrische schroefdraad te raadplegen .
• Inch-schroefdraad:  Inch-schroefdraad wordt aangegeven met behulp van een aantal standaarden, waaronder de  Unified Thread Standard (UTS) . Deze standaard benoemt standaardschroefdraadmaten voornamelijk met nummers (bijvoorbeeld #4). De twee belangrijkste maten in de UTS zijn de grootste of kleinste diameter van de buiten- of binnenschroefdraad en het aantal draden per inch (TPI).

Wanneer u schroefdraadelementen wilt ontwerpen, moet u daarom de specificaties voor spoed, hoek en overige informatie uit de aanbevolen standaardtabellen halen.

Software Toolboxen gebruiken

In veel gevallen is het niet nodig om het onderdeel helemaal opnieuw te modelleren. Zoals hierboven vermeld, zijn veel CAD-programma's uitgerust met een toolbox met standaardonderdelen. Als het onderdeel dat u gebruikt een bestaand commercieel onderdeel is, heeft u misschien geluk en hoeft u het niet te modelleren.

In SolidWorks kunt u bijvoorbeeld kant-en-klare schroeven en moeren gebruiken zonder dat u ze zelf hoeft te modelleren. U heeft ook diverse weergaveopties:

• Simpel gezegd: De schroef lijkt glad, maar de schroefverhouding van de spoed is nog steeds van toepassing.
• Schema: Het model heeft een sticker van de draad.
• Gedetailleerd: Er is al een “thread” in het model opgenomen.

Controleer echter zorgvuldig of de schroefdraad werkt. In sommige versies van SolidWorks is deze schroefdraad, om een ​​reden die alleen de ontwikkelaars kennen, geen spiraal, maar eerder een reeks cirkelvormige sneden in hetzelfde vlak. Dit betekent dat de schroefdraad niet echt is en niet zal vastlopen. Als je dit print in de veronderstelling dat je het systeem hebt bedrogen, heb je in feite een paar uur printwerk verspild. Dit is niet voor alle software het geval, dus vergeet niet om dit te controleren.

Fusion 360

Fusion 360 maakt gebruik van add-ins om de functionaliteit van de software te vergroten. Als het gaat om bevestigingselementen, is McMaster-Carr het populairst. Het omvat elementen zoals schroeven en bouten, draadstangen, ringen, pennen en spijkers.

Je hebt toegang tot McMaster-Carr in de werkruimte Ontwerp. Klik op het tabblad Solid op Invoegen en vervolgens op 'McMaster-Carr-component invoegen'. Bevestig met 'OK'.

Je kunt door de vele categorieën bladeren of direct zoeken naar wat je zoekt in het zoekveld. Zodra je iets selecteert – bijvoorbeeld een schroef – kun je de schroefdraadmaat en -lengte kiezen en deze vervolgens toevoegen aan de werkruimte.

Modellering Threads

Als het gewenste schroefdraadelement niet direct beschikbaar is, moet u het helemaal opnieuw modelleren. Hieronder demonstreren we het proces voor het ontwerpen van externe en interne schroefdraad met behulp van de vereenvoudigde schroefdraadgeneratiefunctie van Fusion 360.

Andere CAD-programma's hebben mogelijk vergelijkbare tools. Zoals we al eerder zeiden, is het echter vooral belangrijk om de basisprincipes te begrijpen, inclusief de terminologie, gevestigde standaarden en ontwerpprincipes – die we hierboven allemaal hebben besproken. Met deze kennis zou het mogelijk moeten zijn om elke geschikte modelleringstool te gebruiken om modellen en invoerwaarden te manipuleren om de gewenste threads te genereren.

Laten we beginnen met de buitendraad van een bout.

Buitendraad

1. Teken een cirkel met de diameter als de grootste diameter van de gewenste draad.
2. Maak een cilinder door de cirkel uit te rekken tot de gewenste draadlengte.
3. Ga naar “Maken” en selecteer de optie “Thread”.
4. Selecteer de zojuist aangemaakte cilinder. Zorg ervoor dat het vakje 'Gemodelleerd' is aangevinkt en stel vervolgens het schroefdraadtype en andere schroefdraadparameters in.
5. Klik op “OK”.

En klaar is Kees. Je hebt je buitendraad! Om er een echte bout van te maken, moet je hem op een kop naar keuze bevestigen.

Laten we nu de moer met binnendraad ontwerpen.

Binnendraad

1. Teken een zeshoek. Zorg er voor deze tutorial voor dat deze groter is dan de draad die je wilt ontwerpen.
2. Extrudeer het tot de gewenste hoogte.
3. Maak een gat in het midden door de optie "Gat" in het menu "Maken" te selecteren. De diameter van het gat moet gelijk zijn aan de grootste diameter van de schroefdraad.
4. Selecteer het binnenoppervlak van het gat dat u zojuist hebt gemaakt, ga naar 'Maken' en kies vervolgens de optie 'Draad'.
5. Vergeet niet de optie "Gemodelleerd" aan te vinken. Stel de draadgrootte en andere parameters in.
6. Klik op “OK”.

Zo, je eerste draadjes zijn klaar om te printen!

Hoe dan ook, we hebben nu een CAD-model van een schroefdraadelement, dus de volgende stap is het printen ervan. Hier begint het plezier. Om ervoor te zorgen dat de prints succesvol zijn en een behoorlijke levensduur hebben, bekijken we eerst enkele printoverwegingen.

Aan de slag

Een van de eerste dingen die je moet overwegen, is het materiaal waarmee je gaat printen, aangezien dit een grote rol speelt in hoe goed het geprinte element zal werken. Een schroef oefent een aanzienlijke verticale kracht uit over zijn lengte, wat in het geval van een 3D-geprinte schroef simpelweg bestaat uit een reeks verlijmde lagen.

Bij zwakke materialen zoals PLA kan deze kracht ervoor zorgen dat de schroef op een kritiek punt breekt. Overweeg daarom om voor dit soort toepassingen sterkere materialen zoals ABS of nylon te gebruiken.

Nu het materiaal is gekozen, zijn er een paar belangrijke stappen voor het instellen van de printer voordat u begint met het printen van elementen met schroefdraad. Zorg ervoor dat uw printer correct is gekalibreerd . De kalibratie van de extruder is ook belangrijk. Het is ook sterk aan te raden om  uw printbed waterpas te zetten .

Afdrukinstellingen

Hieronder volgen enkele algemene richtlijnen voor het instellen van uw afdruk voor de best mogelijke threads:

• Afhankelijk van het doel van de print, wilt u uw draden verticaal of horizontaal printen. Verticaal betekent minder ondersteuning en nabewerking, maar als sterkte het doel is, levert een horizontale uitlijning veerkrachtigere prints op. Voor het beste resultaat moeten de draadassen loodrecht op het printbed staan.
• Print zonder ondersteuning, of zorg er in ieder geval voor dat de ondersteuning niet in de thread terechtkomt. Anders kan het lastig zijn om ze te verwijderen en de functionaliteit te behouden, vooral met interne threads.
• Gebruik indien mogelijk minimaal vier verticale lagen ( schelpen ) of verticale wanden van minimaal 2 mm dik. Dit zorgt voor een sterke draad.
• De vuldichtheid is afhankelijk van uw toepassing, maar probeer deze op minimaal 25% in te stellen.
• De laaghoogte is een belangrijke parameter bij het printen van draden. Voor een soepele werking moeten de lagen zo dun mogelijk zijn. Als richtlijn geldt dat draden groter dan M12 of 1/2″ succesvol kunnen worden geprint met lagen van 0,2 mm, terwijl kleinere draden met dunnere lagen moeten worden geprint.

Tips

Het lijkt misschien eenvoudig, maar het printen van draad is niet altijd even makkelijk, vooral niet als je draad met een kleine diameter wilt.

Stel dat je een nozzle van 0,4 mm en een laaghoogte van 0,2 mm gebruikt. Met deze opstelling is de kleinste pitch die je kunt printen waarschijnlijk rond de 0,5 mm (plus of min 0,1 mm). Zo'n pitch is geschikt voor een M3-schroefdraad en vormt geen groot probleem als je een binnenschroefdraad in een relatief groot gedeelte wilt printen. Je schroefdraad heeft dan namelijk voldoende tijd om af te koelen terwijl de nozzle ergens anders zit.

Het wordt interessant als je bijvoorbeeld een buitendraad op een schroef of bout nodig hebt. In dat geval kan je nozzle nergens anders heen, wat betekent dat je waarschijnlijk extra koeling nodig hebt. Test je printer voordat je besluit om veel dunne buitendraden te printen.

Over het algemeen is het een goed idee om een ​​draadtest uit te voeren . Dit is de beste manier om de mogelijkheden van je 3D-printer te testen.

Laatste gedachten