Falegnameria stampata in 3D: semplificare gli assemblaggi

Falegnameria è un termine che si trova di solito nella lavorazione del legno e che si riferisce alla pratica di unire due pezzi di legno tra loro vincolandoli geometricamente. Una buona falegnameria garantisce connessioni solide senza l'ausilio di elementi di fissaggio come chiodi o viti. La falegnameria è utile perché garantisce un collegamento solido con un processo di assemblaggio meno complicato. Tuttavia, di solito si tratta di forme complicate che richiedono tempo per essere progettate e create, mentre per i bulloni e le viti è sufficiente un foro e un dispositivo di fissaggio prodotto in serie.

La stampa 3D occupa una posizione interessante come metodo di fabbricazione, perché la stampa di geometrie complesse spesso non è più costosa della stampa di un blocco. La stampa FDM è invece limitata dalle proprietà del materiale e dal processo di costruzione a strati. La progettazione per la stampa 3D richiede quindi una nuova mentalità, che consiste nello sfruttare la libertà geometrica della stampante 3D per ridurre la complessità e il costo dell'assemblaggio finale. Un modo per farlo è guardare alla falegnameria inventata per la lavorazione del legno e lo stampaggio a iniezione e applicarla ai vincoli della stampa 3D. In questo articolo parliamo dell'utilizzo di giunti semplici come le code di rondine e gli incastri a scatto per migliorare i progetti di giunti stampati in 3D, corredati da alcuni esempi.

Code di rondine

Quando si tratta di vincolare due parti, molti pensano ad angoli retti. Gli angoli retti sono in genere molto più facili e veloci da realizzare rispetto agli altri angoli, e richiedono meno configurazioni e nessuna punta speciale o tabelle di indicizzazione. Per una stampante 3D, tuttavia, le code di rondine e le pareti diritte sono tutte uguali. Senza alcuno sforzo aggiuntivo, è possibile vincolare un altro grado di libertà. Questo è utile ovunque, sia che si tratti di un assemblaggio scorrevole o di un giunto a T privo di elementi di fissaggio.

Quando si ragiona per angoli, bisogna tenere presente che la forma a coda di rondine non è l'unica applicazione. La scatola scorrevole in due parti mostrata sopra realizza lo stesso vincolo di una coda di rondine, ma assomiglia più a una piastra con lati angolati. In questo modo può scorrere facilmente insieme all'altra metà della scatola e comprende anche un piccolo fermo all'estremità per chiuderla a scatto. Questa forma sarebbe molto difficile da produrre con altri mezzi, ma la Mark Two è stata in grado di stampare in 3D i giunti senza materiali di supporto ottenendo un ottimo adattamento.

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Esplorando ancora di più, la geometria angolata in generale può aiutare nella stampa 3D. Ad esempio, la stampa di un profilo a V laterale, mostrato sotto a sinistra, può creare un vincolo che sarebbe difficile da lavorare, ma che è banale da stampare. Nel frattempo, un classico incastro maschio-femmina, come quello mostrato a destra, è difficile da realizzare per la maggior parte dei produttori a causa della sporgenza che crea. Questa sporgenza determina una superficie inferiore mal supportata con una cattiva accuratezza dimensionale e, nei limiti del possibile, deve essere evitata.

Incastri a scatto

Gli incastri a scatto sono un metodo utilizzato comunemente per unire in modo economico le parti stampate a iniezione. Si tratta di forme adatte alle materie plastiche perché rientrano nei vincoli geometrici della costruzione degli stampi e sfruttano la capacità della plastica di deformarsi elasticamente e di ritornare in forma. Poiché gli incastri a scatto sono progettati per la plastica, sono facilmente adottabili per la stampa 3D... sul piano XY. La maggior parte degli utenti di stampanti 3D sa che gli oggetti stampati su stampanti FDM desktop sono significativamente più soggetti a cedimenti in tensione lungo l'asse Z (che punta fuori dalla piastra di costruzione) rispetto a X e Y, a causa dei confini tra gli strati. Poiché gli incastri a scatto hanno solitamente sezioni trasversali sottili (per ridurre il momento di flessione della clip), gli incastri stampati in 3D devono essere stampati "appoggiati" sulla piastra di costruzione per evitare che rischino di strapparsi dopo un uso ripetuto.

Questo diagramma mostra una visualizzazione esagerata degli strati di un incastro a scatto stampato. Quando stampato in posizione verticale (foto a sinistra), le forze che deviano l'incastro a scatto mettono in tensione anche gli strati, rendendo molto più probabile la rottura. Stampato sul retro (foto al centro), un incastro a scatto è sicuramente più resistente, ma presenta comunque un piano di taglio che corre tra il dente e il braccio. Stampato su un fianco (foto a destra), invece, l'incastro a scatto non presenta limiti di strato all'interno della sua sezione trasversale, e questo gli conferisce una resistenza più prevedibile. Inoltre, se l'incastro a scatto è sufficientemente grande, la stampa sul lato consentirebbe di inserire la fibra nel dente, sfruttando così l'intera forza di una parte Markforged. La stessa regola si applica ai denti di ingranaggi, ai denti di cricchetti e a qualsiasi altra sporgenza che debba sostenere un carico significativo.

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Inoltre, è bene tenere presente che gli incastri a scatto possono assumere diverse forme in base all'applicazione e che il disegno e l'orientamento dell'incastro a scatto possono cambiare in base al progetto. In particolare, gli incastri a scatto che escono dalla stampante 3D non sono vincolati da spessori o forme di stampo, quindi si può essere creativi nel posizionarli (vedi sotto). Le stampanti consentono di realizzare prototipi in modo semplice e veloce, per cui è bene provare alcune geometrie prima di scegliere la forma definitiva.

Mettere insieme i pezzi: Supporto per telefono

Per mostrare gli incastri scorrevoli e i meccanismi a scatto, ho progettato questo supporto per cellulare che si aggancia al coperchio della Mark Two e tiene qualsiasi telefono cellulare di larghezza compresa tra 2,5 e 4 pollici, in modo che un operatore possa riprendere un video in time lapse o monitorare una stampa particolarmente delicata.

Questo supporto per telefono ha solo tre parti, due interfacce. Una di queste interfacce è un giunto di torsione che funge da cerniera. Anche se non assomiglia molto a una coda di rondine, assolve alla stessa funzione: consente un incastro scorrevole facilmente stampabile, grazie agli angoli complementari.

L'altra interfaccia funziona come un cricchetto lineare con pareti angolate (per evitare che si sfilaccino) e denti per impostare la larghezza del supporto. Questa sarebbe un'interfaccia molto difficile da realizzare a macchina con altri mezzi, ma è stata abbastanza facile e veloce da stampare!

Una nota sulle tolleranze

Come per ogni altra cosa, anche la falegnameria richiede la progettazione delle tolleranze. Nella stampante 3D per compositi Mark Two, per la maggior parte degli scopi generali, uno spazio di 0,08 mm tra le pareti (0,16 mm in senso diametrale) è sufficiente per consentire a due pezzi di ottenere un accoppiamento scorrevole. Se una delle superfici è sostenuta da materiale di supporto, provare ad aumentare lo spazio a 0,15 mm o giù di lì. Naturalmente, le parti stampate in 3D tendono a variare notevolmente, quindi assicuratevi di eseguire un test dell'unità e di realizzare un prototipo per ottenere l'accoppiamento desiderato.

Questo è solo un piccolo esempio di come quando si progetta tenendo conto della falegnameria, si riesce a realizzare progetti più semplici e più adatti alla stampante 3D. Se trovi un buon giunto da stampare, mandaci un tweet su @MarkForged per condividere i tuoi progetti!