如何將螺紋結合 3D 列印零件

▲將螺絲釘裝上到 3D 列印零件的方法有很多，包括嵌入件、攻牙，甚至是 3D 列印螺紋。

螺絲釘是所有材料中最受歡迎的緊固件之一。您可以在 3D 列印零件上使用現成的螺釘嗎？對於雷射光固化(SLA) 和雷射燒結 (SLS) 物件上，答案是可以的。

在本篇文章中，我們將使用不同方法探索金屬螺絲釘與 3D 列印物件結合，並提供將螺紋直接結合3D設計中的技巧。

觀看我們關於3D列印螺紋和用於3D列印塑料螺紋嵌入件的應用影片。

 

3D列印螺紋的設計選項

首先讓我們來看看多年來 Formlabs 根據客戶反饋收集的 3D 列印螺紋的各種設計選項。我們的測試設計是針對將所有方式一次展現：

我們根據緊固類型對這些選項進行了分組，並針對不同的案例列出了每個選項的優缺點。

 

金屬螺絲到金屬螺紋

在本章節中，我們將介紹三種將嵌件和螺母結合到完成的 3D 列印件中的方法，以實現強力持久的緊固，可承受多次組裝和拆卸。

 

嵌入型螺母

優點:

  • 非常適合3D列印零件
  • 金屬螺紋堅固耐磨
  • 透過簡單壓合安裝

缺點:

  • 嵌件可能在高溫下鬆動

 

嵌入型螺母是圓柱形的，外表有微小的錐體和咬花。在設計階段，將具有嵌件規格的深度和直徑整合到您的零件中。按照 SLA 或 SLS 後處理的常規步驟，照常列印和後處理零件，注意確保凹洞內沒有多餘的材料，並通過簡單的壓合安裝嵌件。添加螺母會將表面咬花壓入周圍的列印材料中，從而形成強勁摩擦力。

使用嵌入型螺母在SLA光固化列印物件上的小技巧：照常清洗零件，插入嵌入型螺母，安裝螺絲，並在螺絲到位後對零件進行後固化。將此步驟留到最後可減少嵌件在擴大時造成周圍材料破裂的機會。

 

熱固型嵌件

優點:

  • 嵌入3D列印零件最為牢固
  • 金屬螺紋堅固又耐磨

缺點:

  • 對於尼龍粉末燒結 (SLS) 零件：需要烙鐵和冷卻時間
  • 對於光固化雷射燒結 (SLA) 零件：需要黏著和固化時間

熱固型螺紋嵌件是為了使用尖頭烙鐵使其嵌入熱塑性塑料中而設計。它們還可以做為熱固性材料（例如 SLA 零件）中的膠合嵌入件。

要嵌入熱塑性物件中，例如用雷射燒結粉末列印的零件，需依照特定硬體安裝說明進行操作。典型的過程是使用帶有或不帶有特殊附件的烙鐵來加熱嵌件，從而導熱到周圍的塑料。周圍材料軟化，透過烙鐵下按可將嵌件輕壓入列印件。在安裝螺絲之前，請確保有足夠的時間讓材料冷卻並恢復強度。

若要嵌入熱固性物件中，例如使用 SLA 樹脂列印的零件，可以使用膠水將熱固性嵌件固定到位。與傳統安裝不同，確保將螺絲柱空間設計與嵌件的最寬直徑相匹配，並在安裝時使用快乾膠或環氧樹脂將其固定到位。在安裝螺絲之前，一定要留出足夠的時間讓膠水完全固化。

注意：本篇文章中拍攝的SLS 3D列印物件，螺絲柱尺寸適於壓合，因為我們在此推薦的是熱固性塑料。用於熱塑性零件也可行，只需一滴膠水或環氧樹脂，但不會真的像熱固型安裝那樣牢固。

雖然需要焊接或是膠合等額外步驟，但 SLS 和 SLA 零件的熱固型嵌件與嵌入型螺母相比，提供了更高的安全性和強度。即使額外的步驟和設備有所不便，無論是焊接和膠合的熱固性嵌件都是增加安全性與強度的好選擇。

 

螺母融入設計

優點:

  • 嵌入3D列印零件十分牢固
  • 金屬螺紋堅固且耐磨

缺點:

  • 孔洞或螺絲柱部分需規劃入設計，列印後要是可用的
  • 根據幾何形狀，可能需要膠合和固化時間

在零件上設計凹或凸槽來固定螺母是另一個讓金屬接觸金屬的方式。可以使用六角形或方形螺母，甚至可能採用鎖緊螺母。這種方法有許多設計變化——只要確保您的凹或凸槽易於使用，以便能夠安裝螺母。為提高安全性，可用一滴快乾膠將螺母固定到位。

 

金屬螺絲直接鎖進3D 列印件

講求速度和簡單性，建議可選擇放棄插入螺母嵌件，而是轉而直接將螺絲鎖入3D列印物件。無論是攻牙還是使用自攻螺釘，專為塑料使用而設計的現成硬體都適用於樹脂和熱塑性粉末等3D列印材料。

 

在 3D 列印零件中自攻螺絲

優點:

  • 能緊抓住3D列印件
  • 簡單且能快速執行

缺點:

  • 重複組裝拆卸的耐受力較金屬差
  • 可能會增加有許多凹面特徵物件的工作時間

使用專為塑料設計的攻牙器是一種為 3D 列印件添加螺紋快速而經濟的方法。它不需要任何額外的設計步驟，而且大多數會用到塑料的店家往後都會有這項必需設備。

 

螺紋成型或自攻螺絲

優點:

  • 能緊抓住3D列印件
  • 簡單且能快速執行

缺點:

  • 重複組裝拆卸的耐受力較金屬差

自攻螺絲，也稱為螺紋成型，無需對零件進行任何準備工作即可嵌入凹面特徵中。遵循製造商關於凸面螺絲柱方向的說明。

建議將它們與延展性或高伸長率的材料一起使用。Formlabs尼龍11 粉末或尼龍12粉末都適用，Formlabs SLA材料系列中的高韌性以及類pp樹脂也同樣適用。偏脆的材料或伸長率低的材料（例如 Formlabs SLA 材料系列中的高強度樹脂）在與自攻螺絲一起使用時可能會破裂，因此在使用這些材料時要小心並佩戴護目鏡。

 

3D 列印螺紋

優點:

  • 可以客製化設計凹凸面的特徵

缺點:

  • 重複組裝拆卸的耐受力較金屬差
  • 僅適用於較大的螺紋尺寸

 

若您遵循某些準則，在列印部件中包含螺紋幾何形狀可能會很有效，如果堅持使用更大的螺紋尺寸，至少 ¼”–20（英制）或 M6（公制）或更大；用圓角減少應力集中；並使用專為塑料設計的螺紋參數。對於較小的螺釘，應訂製螺紋以做出更好的緊固件。例如，列印半圓形螺紋輪廓（在螺絲和螺母上）並使用 0.1mm偏移可提供更好的螺紋咬合和改善的磨損特性。

對於這種方法，SLA 和 SLS 3D 列印通常比 FDM 更佳，因為它們更精確，並且可以製作表面更光滑的物件。任何具有特別低表面摩擦的材料，例如類PP樹脂，在多次組裝和拆卸循環中較不易出現磨損。

在準備列印零件時，重要的是盡量減少任何螺紋表面上的支撐結構，以確保您的零件無需額外的後處理即可順利組裝。

 

將多個組件透過3D列印螺紋和螺絲嵌件相互結合

使用螺絲和螺紋緊固件組合多個3D列印件有很多選擇。直接透過3D螺紋和螺絲嵌件，您可以根據所選材料、預期的組裝和拆卸次數、所需的強度以及您需要的額外步驟數量，在確保工作流程適用的前提下選擇上述任何一種方法。

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