Моделирование резьбы для 3D печати

Не смотря на то, что в статье используется программа Компас 3D, методика (алгоритм) всё равно одинаковая, подойдёт и для реализации в других программах.

Содержание статьи:

1. Введение (о чём статья).

2. Виды резьбовых соединений.

3. Что необходимо учитывать при моделировании для дальнейшей печати.

4. Подготовка среды для моделирования (подключение модуля для Компаса 3D).

5. Конкретный алгоритм действий для PLA и PETG.

Если неинтересны подробности, то рекомендую сразу перейти к 5 главе.

Введение (о чём статья)

Данная статья подойдёт тем, кто пытается моделировать в CAD’ах и напечатать на 3д принтере резьбу и сталкивается с трудностями: резьба не накручивается или некачественно печатается, непонятно «куда жмать» и как вообще подступиться к этой задаче и т.д.

Вообще, на ютубе есть немало уроков по созданию резьбы в CAD-редакторах, однако, как мне показалось, в одних не отражается суть (даётся просто последовательность действий для конкретного случая с размерами, но нет пояснений «что зачем и как»), в других способы какие-то уж слишком извращенные, а в некоторых и вовсе предлагают скачивать отдельную программу для выполнения такой задачи. Комментаторы под такими роликами активно пишут свои способы, которые помогли им и указывают на недочёты видеоролика.

Я же, будучи таким же обывателем, решил самостоятельно, собрав всё в кучу, разобраться в этой проблеме, решение которой не должно занимать много времени и быть предельно понятным. Это моя первая статья, готов к конструктивной критике, на замечания буду стараться реагировать (неадекватно, разумеется).

Виды резьбовых соединений

В первую очередь, резьбы делят на две группы: метрическая и дюймовая. Нам, как представителям нормальной части человечества, привычнее использовать метрическую. Её обозначения строятся по типу М(номинальный диаметр)х(шаг резьбы). То есть, резьба с обозначением М24х1,5 имеет номинальный диаметр 24 миллиметра и шаг резьбы 1,5 миллиметра. Шаг резьбы — это, если по-простому, расстояние между пиками двух ближайших зубцов. Номинальным диаметром нашей резьбы принято считать наружный диаметр (в случае внешней резьбы). На рисунках 1 и 2 эти параметры отражены.

Шаг бывает крупный и мелкий. Для каждого диаметра это понятие определяется по-своему, но всегда используется правило: крупный шаг начинается от 1,25мм на каждые 10мм диаметра. То есть, для резьбы М10 шаг 1,25мм мелкий, а 1,5мм крупный. На рисунке 3 приведены примеры для уяснения этого правила.

Последнее, что надо уяснить в этом пункте. Резьба бывает правой и левой. Не обязательно себе это пытаться представить (если хочется, то рисунок 4 вам поможет), надо просто понять, что по стандарту вся метрическая резьба является правой и направления закручивания/раскручивания у них, разумеется, разные. Зачем нужна левая? Чаще всего для создания удобных переходников с одной резьбы на другую. Если вы имеете дело с левой метрической резьбой, то обозначается она дополнительными буквами LH, например, М10×1,5LH.

Что необходимо учитывать при моделировании для дальнейшей печати

Теперь разберёмся с некоторыми техническими моментами. 3д принтер — это, своего рода, станочек, который вполне способен печатать детали с коммерческой скоростью, как это делают на заводе с более серьёзным оборудованием. Так вот, даже на производстве, при создании резьбы, не делают внешнюю и внутреннюю резьбу 1 к 1, чтобы внутренняя резьба по максимуму заполнялась внешней без всяких пустот. То есть, зазор между ними есть в любом случае, а его величина зависит от требуемого допуска. Наша ситуация в этом плане такая же — необходимо делать зазор. Какой и как? Разберёмся в следующей главе ниже.

Какие пластики для 3д печати вы знаете? Наверняка, отвечая на этот вопрос, первыми вы назовёте святую троицу: PLA, PETG, ABS. Помимо различных механических характеристик, отличатся они усадкой. Усадка тоже делится на несколько типов, но здесь нас интересует усадка отверстий. Проявляется она в том, что когда мы моделируем отверстие небольших размеров, то после печати обнаруживаем, что оно стало меньше в диаметре, чем мы рисовали (хотя здесь, конечно, влияет не только усадка, но и другие явления при печати). Лично я в таких случаях использую правило для небольших отверстий в PETGе — делай на 0,2-0,3 мм больше. В PLA усадка меньше, в ABS больше — параметры подбираются экспериментальным путём. Таким образом, нам усадку тоже надо учитывать.

Как мы с вами понимаем, при преобразовании 3д модельки из цифрового вида в материальный, принтер разбивает её геометрию на слои по вертикальной оси. Толщину слоя всегда можно задать около 0,2 мм (зависит от принтера). В нашем случае этот параметр представляет собой интерес при рассмотрении его зависимости от шага резьбы. Допустим, у нас шаг 2мм, а толщина слоя задана 0,16 мм. В таком случае, на один шаг убирается.. 2 ÷ 0,16 = 12,5 слоёв? Разумеется, принтер не может напечатать половину слоя, и в этом случае произойдёт нарушение геометрии. А вот при толщине 0,2 мм, в шаг 2 мм убирается ровно 10 слоёв. Соответственно, это повлияет на качество профиля резьбы. А сильно ли? Посмотрим в главе ниже.

Подготовка среды для моделирования (подключение модуля для Компаса 3D)

Мы не будем рисовать резьбу вручную. В программе Компас 3Д есть специальный модуль и он скачивается с ним по умолчанию, но изначально не активирован.

Первое, что надо сделать, это открыть компас, создать новую деталь и верхней панели во вкладке «Приложения» нажать на «+ Добавить приложения…». (Рисунок 5).

В появившемся окне мы видим внутренности папки Libs. Нам надо найти папку Shaft. Открываем её. (Рисунок 6).

В этой папке лежит файл Shaft3D.rtw. Выбираем его и жмём «Открыть». (Рисунок 7).

Готово. Теперь, если мы наведёмся на вкладку «Приложения», то там будет ещё одна — «Валы и механические передачи 3D», а в ней будет нужный нам инструмент «Внешняя цилиндрическая ступень с метрической резьбой». (Рисунок 8).

Конкретный алгоритм действий для PLA и PETG

Моделирование резьбового соединения начинается с создания с внешней резьбы. Создадим новую деталь и выберем подключенный в главе выше инструмент «Внешняя цилиндрическая ступень с метрической резьбой» (Рисунок 8 актуален). В левом окне щелкнем на синий калькулятор, чтобы изменить параметры. (Рисунок 9).

Далее у нас открывается интерфейс инструмента. Полагаю, комментарии излишни — здесь все подписано. Единственное, что не сразу очевидно — блокнотик. На него щелкаем и открывается доп. окно, где можем выбирать диаметры из таблицы. (Рисунок 10).

После того, как подобрали параметры резьбы, жмём «Ок», выбираем плоскость, с которой будет формироваться наша резьба и получаем модельку. (Рисунок 11).

Внешняя резьба готова. Благодаря этой затравочке мы получаем возможности сделать любую другую деталь с данной резьбой. Например, если хочется болтик, достаточно приделать сверху шляпку. Для эксперимента не обязательно выделывать какие-то супер удобные и практичные детали, хватит и такой. Сразу загрузил её в слайсер и отправил на печать две одинаковые детали с толщиной слоя 0,16 мм и 0,2 мм. Использовал PLA пластик серии Hyper от Creality.

Внутреннюю резьбу сделать не так легко. Для неё почему-то не сделали удобного инструмента, как для внешней, поэтому будем использовать то, что есть. Логика следующая: используем сделанную выше шпильку с внешней резьбой, вставляем её в деталь, где нам необходима внутренняя резьба и вырезаем ей отверстие с резьбой. Для этого нам надо сохранить шпильку с внешней резьбой, затем открыть модель, где нужна внутренняя резьба и с помощью функции «добавить деталь-заготовку» вставляем её. (Рисунок 12).

После того, как деталь разместили мы будем использовать функцию «Масштабирование». Именно благодаря ней мы и будем создавать тот самый зазор, про который я говорил. Выбираем её, выделяем нашу шпильку, погружённую в место для выреза. Ползунок под «Способ масштабирования» выдвигаем на «По осям». Теперь пришло время выставлять коэффициенты масштабирования по осям.

Следует пояснить, что выставлять нам надо только два коэффициента, которые идут перпендикулярно резьбе (в моём случае — Х и Y, так как моя резьба идёт по оси Z). Если мы будем масштабировать нашу модель вдоль распространения резьбы, то тогда у нас изменится шаг и деталь может не закрутиться. Кроме того, коэффициенты по Х и Y должны быть одинаковыми — иначе резьбу будет растягивать непропорционально.

Какие коэффициенты ставить. Удобно записывать их в процентах. Так, коэффициент 1,05 — 5%, 1,04 — 4% и так далее. Я напечатал несколько моделек с разными коэффициентами, чтобы прийти к чему-то более менее однозначному. Сравнил PLA и PETG, данные привёл в таблицу снизу на Рисунке 14.

Уточню несколько моментов. Для заполнения этой таблицы я производил несколько циклов закручивания-выкручивания и руководствовался сугубо своими ощущениями по затрате сил. Надо сказать, что у всех деталей, только снятых с печати, когда я проводил самые первые два-три цикла закручивания-выкручивания, они проходили туго во всех случаях, затем деталь, видимо, растиралась и потом постепенно становилось легче, доходя до определённой точки (легко, нормально или ощутимо туже и т.д.). Именно эти, устоявшиеся ощущения я и записал в таблицу. В целом, результаты получились логичными, они соответствуют свойствам пластиков, описанным выше. На рисунке 15 показал, как выглядят образцы.

Вернёмся к толщине слоя. Данные в таблице описаны для толщины слоя 0,16 мм (и для внешней и для внутренней). Попробовав ввернуть внешнюю резьбу с толщиной слоя 0,2 мм в внутреннюю с 0,16 слоем, понял, что стало туго, причем, для всех вариантов масштабирования. То есть, печатать части резьбы на разных толщинах слоя — затея, которая не всем подойдёт. А вот когда я взял обе части резьбы PLA с слоями 0,2 и масштабированием 3%, обнаружил, что идёт чуть туже, пусть и не сильно. Выходит, что играет роль количество слоёв — чем больше, тем качественнее резьба, а целое оно или нет — выходит, что не играет, хотя тут требуются более значительные исследования, но что увидел, то увидел.

Пришло время доделать внутреннюю резьбу. После масштабирования выбираем «Булева операция», результат операции — «вычитание», базовый объект — деталь с внутренней резьбой, модифицирующий — с внешней. Применяем операцию и получаем резьбу.

Вот такая небольшая исследовательская работа получилась. Надеюсь, что везде всё написал подробно. Если есть вопросы — пишите в комментариях. Печатал на принтере Creality K1C, PLA — Creality Hyper PLA, PETG — НИТ.