Menuiserie et impression 3D : Simplifier l'assemblage

Le terme « menuiserie » est généralement associé au travail du bois et désigne la pratique consistant à assembler deux pièces de bois auxquelles on a appliqué des contraintes géométriques. Une bonne menuiserie permet de réaliser des assemblages solides avec peu ou pas d'aide d'éléments de fixation comme des clous ou des vis. La menuiserie permet d’assurer une connexion solide avec un processus d'assemblage moins complexe qu’avec des éléments de fixation. Cependant, il s'agit généralement de formes compliquées dont la conception et la création prennent du temps, alors que les boulons et les vis ne nécessitent qu'un trou et un élément de fixation fabriqué en série.

L'impression 3D est une méthode de fabrication intéressante car l'impression de géométries complexes n'est souvent pas plus coûteuse que l'impression d'un bloc. En revanche, l'impression FDM est limitée par les propriétés des matériaux et le processus de construction par couches. La conception pour l'impression 3D nécessite donc un nouvel état d'esprit, qui consiste notamment à exploiter la liberté géométrique d'une imprimante 3D pour réduire la complexité et le coût de l'assemblage final. L'une des façons d'y parvenir est d'étudier les techniques d'assemblage inventées pour le travail du bois et le moulage par injection et de les appliquer aux contraintes de l'impression 3D. Dans ce blog, j'aborde la question de l'utilisation d'assemblages simples tels que les queues d'aronde et les encliquetages pour améliorer vos conceptions d'assemblages imprimés en 3D, avec quelques exemples à l'appui.

Queues d'aronde

Lorsqu'il s'agit de contraindre deux pièces, de nombreuses personnes pensent en termes d'angles droits. Les angles droits sont généralement beaucoup plus faciles et rapides à réaliser que les autres angles, car ils nécessitent moins de réglages et pas de mèches ou de tables d'indexation spéciales. Cependant, pour une imprimante 3D, les queues d'aronde et les parois droites sont identiques. Sans effort supplémentaire, vous pouvez contraindre un autre degré en toute liberté. Cela s'avère pratique partout, que vous souhaitiez un assemblage coulissant ou un joint en T sans fixation.

Lorsque vous pensez aux angles, n'oubliez pas que la forme traditionnelle de la queue d'aronde n'est pas la seule application. La boîte coulissante en deux parties illustrée ci-dessus permet d'obtenir la même retenue qu'une queue d'aronde, mais ressemble davantage à une plaque dont les côtés sont inclinés. Cela lui permet de glisser facilement avec l'autre moitié de la boîte et comprend même un petit cran d'arrêt à l'extrémité pour la fermer. Cette forme serait très difficile à fabriquer par d'autres moyens, mais la Mark Two a été en mesure d'imprimer en 3D des articulations sans matériaux de soutien et d'obtenir un ajustement parfait.

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Pour aller encore plus loin, la géométrie angulaire en général peut aider à l'impression 3D. Par exemple, l'impression d'un profil en V latéral, illustré ci-dessous à gauche, peut créer une contrainte qui serait difficile à usiner, mais qui est très facile à imprimer. En revanche, un assemblage classique par rainure et languette, tel qu'illustré à droite, est difficile à réaliser pour la plupart des imprimeurs en raison du débord qu'il contient. Ce surplomb donne une face inférieure mal supportée, avec une mauvaise précision dimensionnelle, et doit être évité si possible.

Snap-fits

Les raccords rapides sont une méthode couramment utilisée pour assembler à moindre coût des pièces moulées par injection. Ce sont de bonnes formes pour les plastiques car elles restent dans les limites des contraintes géométriques de la fabrication des moules et utilisent la capacité du plastique à se déformer élastiquement puis à reprendre sa forme. Comme les raccords rapides sont conçus pour le plastique, ils sont facilement adoptés pour l'impression 3D... sur le plan XY. La plupart des utilisateurs d'imprimantes 3D savent que les objets imprimés sur des imprimantes FDM de bureau sont beaucoup plus susceptibles de se briser en cas de tension le long de l'axe Z (vers l'extérieur de la plaque de construction) que dans les axes X et Y, en raison des limites entre les couches. Comme les snap-fits ont généralement des sections fines (pour réduire le moment de flexion du clip), les snap-fits imprimés en 3D doivent être imprimés "couchés" sur la plaque de construction, sous peine d'être cisaillés après une utilisation répétée.

Ce diagramme montre de façon exagérée les couches d'une coupe instantanée imprimée. Lorsqu'il est imprimé à la verticale (photo de gauche), les forces qui font dévier l'encliquetage exercent également une tension entre les couches, ce qui augmente considérablement le risque de rupture. Imprimé sur le dos (photo du centre), l'emboîtement sera certainement plus solide, mais il comporte toujours un plan de cisaillement entre la dent et le bras. Imprimé sur le côté (photo de droite), l'emboîtage n'a pas de limites de couches dans sa section transversale, ce qui lui confère une résistance plus prévisible. De plus, si l'encliquetage est suffisamment important, l'impression sur le côté permettrait d'acheminer des fibres dans la dent et d'utiliser ainsi toute la force d'une pièce Markforged. Cette règle s'applique également aux dents d'engrenage, aux dents de cliquet et à toute autre protubérance devant supporter une charge importante.

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N'oubliez pas non plus que les raccords rapides peuvent prendre de nombreuses formes en fonction de l'application, et que la conception et l'orientation du raccord rapide peuvent être modifiées en fonction de votre projet. Les ajustements qui sortent de l'imprimante 3D notamment ne sont pas limités par l'épaisseur ou la forme des moules, ce qui vous permet de faire preuve de créativité quant à l'endroit où vous les placez (voir ci-dessous). Les imprimantes permettent de réaliser rapidement et facilement des prototypes. Essayez donc plusieurs géométries avant d'opter pour la forme définitive.

Assemblage : Support de téléphone

Pour présenter les mécanismes d'ajustement et d'encliquetage, j'ai conçu ce support de téléphone portable qui s'accroche au capot de la Mark Two et qui tient n'importe quel téléphone portable d'une largeur comprise entre 2,5 et 4 pouces, de sorte qu'un opérateur peut prendre une vidéo en accéléré ou surveiller une impression sensible.

Ce support de téléphone ne comporte que trois parties, deux interfaces. L'une de ces interfaces est une articulation en torsion servant de charnière. Bien qu'elle ne ressemble pas à une queue d'aronde, elle a la même fonction : elle permet un emboîtement coulissant facilement imprimable, grâce à des angles complémentaires.

L'autre interface fonctionne comme un cliquet linéaire avec des parois inclinées (pour éviter qu'elles ne s'écartent) et des dents pour régler la largeur du support. Cette interface serait très difficile à fabriquer par d'autres moyens, mais elle a été très facile et rapide à imprimer !

Note sur les tolérances

Comme toute chose, la menuiserie nécessite de concevoir vos tolérances. Sur l' imprimante 3D compositeMark Two, pour la plupart des usages généraux, un écart de 0,08 mm entre chaque paroi (0,16 mm diamétralement) est suffisant pour permettre à deux pièces de s'emboîter de manière cohérente. Si l'une de vos surfaces est maintenue par un matériau de support, essayez d'augmenter l'écart à 0,15 mm environ. Bien entendu, les pièces imprimées en 3D ont tendance à varier considérablement. Veillez donc à effectuer des tests unitaires et à créer des prototypes afin d'obtenir l'ajustement souhaité.

Ce n'est qu'un exemple parmi d'autres de la manière dont la conception en tenant compte de la menuiserie peut conduire à des modèles plus simples et mieux adaptés à votre imprimante 3D. Si vous trouvez de bons raccords à imprimer, envoyez-nous un tweet @MarkForged pour partager vos créations !