3D プリント部品のねじ切り: 熱の利用方法

3D プリント部品に必須の「機械ビタミン」を混ぜ始めると、その部品の機能をさらに高めることができます。 プリントとネジ、ナット、ファスナー、ピンを組み合わせることで、単に単独でプリントできるものを超えた機能を備えた機構製作のための豊かなエコシステムが得られます。

今日は、私のお気に入りの機能的 3D プリント技術の 1 つである、ヒートセット インサートの追加に関するヒントをいくつか共有したいと思います。 何年も手作業でプラスチック部品に取り付けてきた者として、多くのガイドが一貫した結果を得るために重要なプロセスの詳細を見落としていると思います。

間違えないでください。 すでにいくつかのインサート ガイドが公開されています [1、2]。 （実際、良いジャンプスタートのために、最初にそこを見ることをお勧めします。）しかし、私は何年にもわたって、私がプレートプレステクニックと呼んでいる独自の仕上げ動作（珍しいものや難しいものは何もありません）を追加してきました。一貫性が大幅に向上します。

知識のギャップ (文字通りのギャップもいくつか) を埋めるために、私と一緒に以下に参加して、毎回完璧に装着されたインサートを提供するテクニックを備えたラボにあなたを送り返してください。

ヒートセット インサートは、熱可塑性プラスチックで作られた部品にねじ山を追加するストック部品です。 3D プリントはノズルからプラスチックがにじみ出ることに依存しているため、文字通りすべての 3D プリント材料が熱可塑性プラスチックの定義に適合し、すべて機能します。 マッチング テクニックに関する限り、これらのインサートはお互いのために作られたかのようです。 (残念ながらそうではありませんでしたが、ありがたいことに射出成形プラスチックのおかげでこれらの部品は商品になりました。)

ヒートセットインサートは、取り付け時に周囲の素材を柔らかくすることで機能します。 取り付け後、熱源を取り除くと、この溶融プラスチックがインサートのローレット形状の周囲で再凝固し、所定の位置に保持されます。 このプロセスを熱伝達の観点から考えてみましょう。 取り付け穴はインサート自体よりも小さい（サイズが小さい）ため、インサートを手で力で取り付けることはできません。 むしろ、最初にインサートを加熱し、次にその熱を周囲の材料に伝導して穴を変形させ、インサートのより大きな形状に対応させます。

時間が経つにつれて、熱は挿入ツールから、接触面からインサートを通って、最終的には外側に向かって 3D プリントされた部品に伝わり、そこで放散されます。 部品の挿入に費やす時間が長いほど、熱が部品に伝わる時間が長くなり、周囲の部品領域が変形する可能性があります。 大規模製造では、このプロセスは機械によって行われます。 ただし、私たちの場合は手動でインストールするため、タイミングを念頭に置く必要があります。 最後に、インサートを取り付けるときは、ヒートセット インサート用のスペースを作るために溶融プラスチックを移動させていることを忘れないでください。 移動したプラスチックはどこかに移動する必要があり、通常はインサートの底部で押しつぶされてしまいます。

私たちのツールは高価である必要はありません。 私はインサート「取り付けチップ」とアマゾンの手頃な価格の40Wはんだごてを温度制御なしで組み合わせて使用​​しています。 これらの「取り付けチップ」は特に特別なものではありませんが、はんだごてのチップとは異なり、先が細くなっていません。 テーパーのないチップを使用することで、インサート装着後のチップの取り外しが容易になります。

インサートは McMaster-Carr (pn: 92160a115) または Tindie で見つけることができます。 (4-40 および M2.5 インサートに McMaster-Carr のものを使用していることは認めますが、M3、M4、および M5 インサートでも問題なく使用できます。)

以下の理由により、バニラのはんだこて先を使用することは強くお勧めしません。 これらのチップのほとんどは先細になっています。 先細のはんだこて先を使用すると、こて先がインサートに引っかかる危険があります。 金属は加熱すると膨張し、冷却すると収縮することを覚えておいてください。 金属インサートをプリント部品に取り付けると、インサートから部品に熱が放散され、加熱されたインサートがわずかに冷え、コテ先の周囲も収縮します。 その結果、アイロンのチップを引き抜こうとすると、インサートが付いてきます。 このシナリオは中国の指罠に似ていると思います。

そうは言っても、このプロセスにバニラのはんだごてチップを使用していた頃は、この問題はそれほど頻繁には発生しませんでしたが、5 枚中 1 枚のプリントが台無しになるだけで、追加の 10 ドルをかき集めて、右先端。

最後に、このプロセスで使用する最後のツールは、約 150x150mm (6 インチ x 6 インチ) の小さな正方形の薄い金属板です。 このシートは、後のプロセスで説明する「フラット」参照になります。

インサートの穴のサイズを決定する場合は、インサートのデータシートに付属の寸法情報に従うことをお勧めします。 クイックリファレンスとして、私がよく使うインサートとその推奨穴サイズのリンクをまとめたリンクをここに示します。

材料のずれに対応するには、穴の深さをインサートの長さの約 50% 増やすことをお勧めします。 この変更により、移動したプラスチックがどこかに行き、インサートがあるべきキャビティを埋めることがなくなります。

他のガイドでは、穴フィーチャーに小さなテーパーを追加することを提案しています。 これは、熱を加えて取り付ける前にインサートを穴にしっかりと固定できる便利な機能です。 一部のインサートはそれ自体がテーパーになっており、テーパーのない穴に対しても同様の着座効果をもたらします。 このテーパー機能を追加する (または、少し高価なテーパー付きインサートを購入する) 必要はありませんが、取り付けプロセスが簡単になります。

デザインの準備ができたら、最初に 3D プリンターのスライサー設定の 1 つ、つまり周囲のレイヤーを微調整することをお勧めします。 Slic3r では、穴フィーチャに対してデフォルトで 2 つの周囲レイヤーが使用されます。 2 つの理由から、この値を少なくとも 4 周まで上げることをお勧めします。

まず、取り付けたインサートが取り付け後も材料を「掴んでいる」ことを確認する必要があります。 取り付けられたインサートは、取り付け中に材料を外側に移動させるため、層を追加すると、取り付け時に溶けていない可能性が高くなります。

第 2 に、外周層を追加すると、インサートが部品の外面近くに配置されている場合に、部品上に形成される外部のくぼみの程度も減少します。 このようなへこみはヒケと呼ばれ、実際には射出成形部品でもよく見られる問題です。 ヒケは、部品が冷えるにつれて収縮するために発生します。 周囲を追加すると、この効果が減少することがわかりました。 これがなぜ当てはまるのかははっきりとは言えませんが、私の推測では、固体材料を追加すると部品内部の空きスペースが減り、内部形状の形状が変化しにくくなるのではないかと考えられます。

インサート用の部品の設計と準備については理解できたので、取り付け手順に進みましょう。

まず、はんだごてを使用してインサートを取り付ける前に、はんだごてが設定温度に完全に達していることを確認してください。 アイロンが設定値まで上昇している間にインサートを取り付けようとすると、プロセスに時間がかかるだけで、アイロンからの熱が部品内に拡散する時間が長くなり、部品が歪む原因になります。

次に、インサートを穴に配置した状態で、インサートを熱します。 はんだごてツール自体の重さで、インサートを所定の位置に押し込むのに必要な穏やかな力を加えます。 ここでは重力がほとんどの仕事を行っているはずです。 このプロセスには約 10 ～ 15 秒かかります。 インサートが部品に約 90% 装着されるまで熱を加え続けます。

さて、ここで慣例から脱線します。 インサートがパーツに約 90% 挿入された状態で、アイロンを取り外し、パーツを平らな耐熱面に素早く裏返し、素材と面一になるまでパーツを静かに押し下げます。 (このステップでは小さな板金を使用します。) 部品が冷えるまでさらに 6 ～ 10 秒ほど待って、完了です。 この操作をプレートプレステクニックと呼ぶことにします。

プロセスのこの最後のステップは奇妙に思えますが、2 つの理由から重要です。 まず、インサートが垂直かつ印刷パーツの上部と完全に同一平面になるように取り付けます。 次に、インサートの取り付け中に盛り上がった膨らんだ素材を平らにします。

すべてがうまくいけば、部品表面と面一になった見栄えの良いインサートが得られるはずです。 下の画像では、アイロンを使用してこれらのパーツをほぼ完全に固定し、プレート プレス技術で面一になるまで冷却しました。

以下の次の例では、このインサートはプレートプレス技術を使用せずに設定されました。 インサートの周りにビーズ状になっている余分な素材の厄介な「膨らみ」に注目してください。 それはまさに、最終的なプレートプレス技術を使用するときに除去できる膨らみです。

さまざまな条件下でこれらのインサートを取り付ける練習をすると、アイロンの温度と挿入速度の両方を微調整することで、この膨らみの影響が軽減または除去される可能性があると思います。 しかし、練習が必要であるという仮説こそが、プレートプレス技術を非常に価値あるものにしているのです。 簡単に言えば、プレートプレス技術により、ロボットレベルの精度を必要とせずに一貫した結果が得られます。 インサートを最終位置に「滑らかに」するだけで完了です。 その結果、ほとんど力を入れず、練習することなく、フラッシュインサートが得られます。 確かに、この技術は業界関係者が大量生産のために行う方法ではありませんが、一貫性があることは確かであり、ハッキングですらあります。

それでおしまい！ このガイドが、手間をかけずに毎回美しいフラッシュインサートを釘付けにするのに役立つことを願っています。 ここでは、何が期待されるかをある程度理解するために私が作成した他のいくつかの部分の簡単な抜粋を示します。

私は #beautyinserts を付けて自分の作品を投稿し始めましたが、このテクニックがどのように機能するか見てみたいと思っています。 何か楽しいものを作ったら、会話に参加して他のコミュニティ メンバーにインスピレーションを与えてみてはいかがでしょうか?