Einfädeln von 3D-gedruckten Teilen: Wie man Wärme nutzt

Wir können unsere 3D-gedruckten Teile noch leistungsfähiger machen, wenn wir sie mit einigen wichtigen „mechanischen Vitaminen“ mischen. Durch die Kombination von Drucken mit Schrauben, Muttern, Befestigungselementen und Stiften erhalten wir ein reichhaltiges Ökosystem für die Herstellung von Mechanismen mit Fähigkeiten, die über das hinausgehen, was wir allein drucken könnten.

Heute möchte ich einige Tipps zu einer meiner liebsten funktionellen 3D-Drucktechniken geben: dem Hinzufügen von Heatset-Einsätzen. Als jemand, der sie jahrelang manuell in Kunststoffteile eingebaut hat, denke ich, dass viele Anleitungen einige Prozessdetails übersehen, die für das Erzielen konsistenter Ergebnisse entscheidend sind.

Mach keinen Fehler; Es gibt bereits eine Handvoll Einfügeanleitungen [1, 2]. (Tatsächlich ermutige ich Sie, zuerst dort nach einer guten Starthilfe zu suchen.) Im Laufe der Jahre habe ich jedoch meinen eigenen Finishing-Move (nichts Exotisches oder Schwieriges) hinzugefügt, den ich die Plate-Press-Technik nenne, der mir einen gibt deutliche Steigerung der Konsistenz.

Begleiten Sie mich weiter unten, während ich die Wissenslücken (und einige auch wörtliche) schließe, um Sie mit einer Technik, die Ihnen jedes Mal perfekt sitzende Einsätze liefert, zurück ins Labor zu schicken.

Bei thermofixierten Einsätzen handelt es sich um Standardteile, die einem aus Thermoplast gefertigten Teil Gewinde hinzufügen. Da beim 3D-Druck Kunststoff aus den Düsen austritt, entspricht buchstäblich jedes einzelne 3D-gedruckte Material der Definition für Thermoplast – also funktionieren sie alle! Was die passenden Techniken angeht, scheint es fast so, als wären diese Einsätze füreinander gemacht! (Leider war das nicht der Fall, aber zum Glück hat das Spritzgießen von Kunststoff diese Teile zu einer Ware gemacht.)

Heatset-Einsätze funktionieren, indem sie das umgebende Material beim Einbau weicher machen. Nach der Installation führt das Entfernen der Wärmequelle dazu, dass dieser geschmolzene Kunststoff um die Rändelung der Einsätze herum wieder erstarrt und diese an Ort und Stelle hält. Betrachten wir diesen Prozess im Hinblick auf die Wärmeübertragung. Die Installationslöcher sind kleiner als die Einsätze selbst (sie sind zu klein), daher können wir die Einsätze nicht mit Gewalt von Hand installieren. Vielmehr erhitzen wir zuerst den Einsatz und leiten diese Wärme dann an das umgebende Material weiter, sodass sich das Loch verformt und sich der größeren Form des Einsatzes anpasst.

Mit zunehmender Zeit überträgt sich die Wärme vom Einsatzwerkzeug über den Einsatz durch den Oberflächenkontakt und schließlich nach außen in unser 3D-gedrucktes Teil, wo sie abfließt. Je länger das Einsetzen des Teils dauert, desto mehr Zeit hat die Wärme, in das Teil einzudringen, wo sie die umliegenden Teilbereiche verformen kann. Bei der Großserienfertigung wird dieser Prozess maschinell durchgeführt. In unserem Fall erfolgt die Installation jedoch von Hand, daher müssen wir unser Timing im Auge behalten. Vergessen Sie nicht, dass wir beim Einbau des Einsatzes geschmolzenen Kunststoff verdrängen, um Platz für den thermofixierten Einsatz zu schaffen. Der verdrängte Kunststoff muss irgendwohin und landet normalerweise am Boden des Einsatzes.

Unsere Werkzeuge müssen nicht teuer sein. Ich verwende einen Einsatz „Einbauspitze“ kombiniert mit einem preisgünstigen 40W-Lötkolben von Amazon ohne jegliche Temperaturregelung. Diese „Einbauspitzen“ sind nichts Besonderes, aber im Gegensatz zu Lötkolbenspitzen sind sie nicht konisch. Wenn Sie eine Spitze ohne Konus verwenden, lässt sich die Spitze nach der Installation des Einsatzes leicht entfernen.

Beilagen finden Sie bei McMaster-Carr (Pn: 92160a115) oder bei Tindie. (Ich gebe zu, dass ich das McMaster-Carr-Gerät für 4-40- und M2,5-Wendeschneidplatten verwende, aber auch für M3-, M4- und M5-Wendeschneidplatten ohne Probleme!)

Aus folgendem Grund rate ich dringend von der Verwendung einer Vanille-Lötkolbenspitze ab. Die meisten dieser Spitzen sind konisch. Wenn wir eine konische Lötkolbenspitze verwenden, besteht die Gefahr, dass die Lötkolbenspitze im Einsatz stecken bleibt. Denken Sie daran: Metall dehnt sich aus, wenn es erhitzt wird, und zieht sich zusammen, wenn es abkühlt. Während wir den Metalleinsatz in das gedruckte Teil einbauen, leiten wir Wärme vom Einsatz in das Teil ab, wodurch der erhitzte Einsatz leicht abkühlt und sich auch um die Eisenspitze herum zusammenzieht. Das Endergebnis ist, dass, wenn wir versuchen, die Eisenspitze herauszuziehen, der Einsatz mitkommt! Ich stelle mir vor, dass dieses Szenario einer chinesischen Fingerfalle ähnelt.

Abgesehen davon ist dieses Problem bei mir nicht allzu oft aufgetreten, als ich für diesen Vorgang eine Vanille-Lötkolbenspitze verwendet habe, aber 1 von 5 ruinierten Abdrücken reichte mir aus, um die zusätzlichen 10 $ aufzutreiben und das zu bekommen richtiger Tipp.

Schließlich ist mein letztes Werkzeug für diesen Prozess ein kleines Quadrat aus dünnem Blech, etwa 150 x 150 mm (6″x6″). Dieses Blatt wird zu einer „flachen“ Referenz, auf die ich später noch eingehen werde.

Wenn es um die Größe der Löcher für Einsätze geht, würde ich empfehlen, die Maßangaben zu befolgen, die in den Datenblättern der Einsätze enthalten sind. Als Kurzreferenz finden Sie hier eine kleine Sammlung von Links zu einigen meiner Lieblingseinsätze und deren Empfehlungen zur Lochgröße.

Um verdrängtes Material auszugleichen, empfehle ich, die Lochtiefe um etwa 50 % der Einsatzlänge zu erhöhen. Durch diese Änderung wird sichergestellt, dass der verdrängte Kunststoff seinen Platz hat und nicht den Hohlraum füllt, in dem sich der Einsatz befinden sollte.

Andere Anleitungen schlagen vor, dem Lochmerkmal eine kleine Verjüngung hinzuzufügen. Dies ist eine praktische Funktion, die es den Einsätzen ermöglicht, sich selbst in das Loch zu setzen, bevor sie mit Hitze installiert werden. Einige Einsätze sind selbst konisch, was den gleichen Sitzeffekt bei einem nicht konischen Loch hat. Das Hinzufügen dieser konischen Funktion (oder der Kauf der etwas teureren konischen Einsätze) ist nicht notwendig, erleichtert aber den Installationsprozess.

Wenn das Design fertig ist, würde ich empfehlen, zuerst eine Slicer-Einstellung für den 3D-Drucker zu optimieren, nämlich die Umfangsebenen. Slic3r verwendet standardmäßig zwei Umfangsebenen für Loch-Features. Ich würde aus zwei Gründen empfehlen, diesen Wert auf mindestens 4 Perimeter zu erhöhen.

Zunächst möchten wir sicherstellen, dass unser installierter Einsatz nach der Installation immer noch am Material „greift“. Ein installierter Einsatz verdrängt beim Einbau Material nach außen, sodass das Hinzufügen von Schichten die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass wir ihn beim Einbau nicht durchgeschmolzen haben.

Zweitens verringert das Hinzufügen weiterer Randschichten auch das Ausmaß, in dem sich äußere Vertiefungen auf dem Teil bilden, wenn Einsätze nahe an der Außenfläche eines Teils platziert werden. Diese Einfallstellen werden Einfallstellen genannt und sind eigentlich auch bei Spritzgussteilen ein häufiges Problem. Einfallstellen entstehen, weil sich ein Teil beim Abkühlen zusammenzieht. Ich habe festgestellt, dass das Hinzufügen weiterer Perimeter diesen Effekt verringert. Ich kann nicht genau sagen, warum das so ist, aber ich gehe davon aus, dass das Hinzufügen von Vollmaterial den freien Raum im Inneren des Teils verringert, wodurch es für interne Geometrien schwieriger wird, ihre Form zu ändern.

Nachdem wir nun das Entwerfen und Vorbereiten von Teilen für Einsätze im Griff haben, kommen wir zum Installationsverfahren.

Stellen Sie zunächst sicher, dass Ihr Lötkolben die eingestellte Temperatur vollständig erreicht hat, bevor Sie ihn zum Einbau von Einsätzen verwenden. Wenn wir versuchen, einen Einsatz zu installieren, während das Eisen noch seinen Sollwert erreicht, dauert der Vorgang einfach länger und die gesamte Wärme des Eisens braucht mehr Zeit, um in unser Teil zu diffundieren, was zu einer Verformung führt.

Anschließend den Einsatz im Loch positionieren und Wärme auf den Einsatz anwenden. Lassen Sie das Gewicht des Lötkolbenwerkzeugs selbst die sanfte Kraft ausüben, die erforderlich ist, um den Einsatz in Position zu drücken. Die Schwerkraft sollte hier die meiste Arbeit erledigen. Dieser Vorgang dauert etwa 10-15 Sekunden. Wenden Sie so lange Hitze an, bis Ihr Einsatz zu etwa 90 % in Ihrem Teil sitzt.

Ok, hier weichen wir von der Konvention ab. Wenn der Einsatz zu etwa 90 % in Ihrem Teil steckt, entfernen Sie das Bügeleisen, legen Sie das Teil schnell auf eine ebene, hitzebeständige Oberfläche und drücken Sie das Teil vorsichtig nach unten, bis es bündig mit dem Material abschließt. (Für diesen Schritt verwende ich ein kleines Stück Blech.) Warten Sie noch etwa 6–10 Sekunden, bis das Teil abgekühlt ist, und schon sind Sie fertig! Ich nenne dieses Manöver die Plattenpresstechnik.

Dieser letzte Schritt des Prozesses erscheint seltsam, ist aber aus zwei Gründen von entscheidender Bedeutung. Zunächst wird der Einsatz so platziert, dass er sowohl vertikal als auch vollständig bündig mit der Oberseite des gedruckten Teils ist. Zweitens glättet es jegliches aufgewölbtes Material, das beim Einbau des Einsatzes aufgeplatzt ist.

Wenn alles gut gegangen ist, sollten Sie einen gut aussehenden Einsatz haben, der bündig mit der Teileoberfläche abschließt. Im Bild unten habe ich diese Teile mit dem Bügeleisen fast vollständig eingepasst und sie dann mit der Plattenpresstechnik bündig abgekühlt.

Im nächsten Beispiel unten wurde dieser Einsatz ohne Verwendung der Plattenpresstechnik eingesetzt. Beachten Sie die unangenehme „Ausbuchtung“ überschüssigen Materials, die um den Einsatz herum abperlt. Genau diese Wölbung können wir mit der abschließenden Plattenpresstechnik entfernen.

Ich stelle mir vor, dass eine Optimierung der Eisentemperatur und der Einführgeschwindigkeit diesen Wölbungseffekt verringern oder beseitigen könnte, wenn wir die Installation dieser Einsätze unter verschiedenen Bedingungen üben. Aber genau dieser hypothetische Übungsbedarf macht die Plattenpresstechnik so wertvoll. Einfach ausgedrückt liefert uns die Plattenpresstechnik konsistente Ergebnisse, ohne dass eine Roboter-Präzision erforderlich ist. Wir „schieben“ den Einsatz einfach an seinen endgültigen Platz und fertig. Das Ergebnis ist ein bündiger Einsatz mit geringem Aufwand und ohne Übung. Zugegebenermaßen entspricht diese Technik nicht der Technik, die die Leute in der Industrie für die Massenproduktion anwenden, aber sie ist auf jeden Fall konsistent – ​​sogar ein Hack.

Das ist es! Ich hoffe, dass diese Anleitung Ihnen dabei hilft, jedes Mal schöne bündige Einsätze zu nageln, ohne zu viel Mühe mit der Hand zu haben. Hier ist ein kurzer Ausschnitt einiger anderer Teile, die ich erstellt habe, um einen Eindruck davon zu vermitteln, was Sie erwartet.

Ich habe begonnen, meine Produkte unter #beautifulinserts zu veröffentlichen, und würde gerne sehen, wie diese Technik für Sie funktioniert. Wenn Ihnen etwas Spaß macht, warum inspirieren Sie dann nicht einige andere Community-Mitglieder, indem Sie sich an der Unterhaltung beteiligen?