3Dプリントジョイナリー：組み立ての簡素化

米国陸軍のケーススタディ

建具は、木工で通常見られる用語であり、2つの木材を幾何学的に拘束することによって結合する方法を指します。優れた建具は、釘やネジなどの留め具の助けをほとんどまたはまったく必要とせずに、強力な接続を提供します。ジョイナリーは、それほど複雑でない組み立てプロセスとの強力な接続を保証するため、便利です。ただし、通常、設計と作成に時間がかかる複雑な形状が必要ですが、ボルトとネジには穴と大量生産の留め具が必要です。

複雑な形状の印刷はブロックの印刷よりも費用がかからないことが多いため、3D印刷は製造方法として興味深い位置にあります。代わりに、FDM印刷は、材料特性と層状に構築するプロセスによって制限されます。したがって、3D印刷用の設計には新しい考え方が必要であり、その考え方の一部は、3Dプリンターの幾何学的な自由度を活用して、最終的なアセンブリの複雑さとコストを削減することです。そのための1つの方法は、木工および射出成形用に発明された建具を調べ、それを3D印刷の制約に適用することです。このブログでは、アリ溝やスナップフィットなどの単純なジョイントを活用して印刷デザインを改善する方法について説明し、いくつかの例を示します。

アリ溝

2つの部分を制約することになると、多くの人が直角に考えます。そして、これは特に機械加工について考えるときに効率的です。直角は一般に奇数の角度よりもはるかに簡単で高速に作成でき、セットアップが少なくて済み、特別なビットやインデックステーブルは必要ありません。ただし、3Dプリンターの場合、アリ溝と真っ直ぐな壁はすべて同じです。余分な労力をかけずに、別の自由度を制限できます。これは、スライドアセンブリでも、留め具のないTジョイントでも、どこでも便利です。

角度を付けて考えるときは、確立されたアリ溝の形状だけがアプリケーションではないことに注意してください。上に示した2つの部分からなるスライドボックスは、あり継ぎと同じ拘束を実現しますが、側面が角度のあるプレートのように見えます。これにより、ボックスの他の半分と一緒に簡単にスライドでき、最後にスナップで閉じるための小さな戻り止めも含まれています。この形状は、他のほとんどの方法では製造が非常に困難ですが、サポート材料なしでMark Twoに印刷され、最初の試行で優れたフィット感と表面仕上げを実現しました。

コンポジット設計ガイドをご覧ください

さらに詳しく調べると、一般に角度の付いたジオメトリが3D印刷に役立ちます。たとえば、下の左側に示す横向きのVプロファイルを印刷すると、加工が難しい制約が作成される可能性がありますが、印刷は簡単です。一方、右に示すように、古典的な舌と溝のジョイントは、それが作成するオーバーハングのために、ほとんどのプリンターが作成するのが難しいです。このオーバーハングにより、底面のサポートが不十分になり、寸法精度が低下するため、可能であれば回避する必要があります。

スナップフィット

射出成形部品を安価に接合するために一般的に使用される方法は、スナップフィットを使用することです。これらは、金型製作の幾何学的制約の範囲内にとどまり、弾性的に変形してから元の形状に戻るプラスチックの機能を使用するため、プラスチックに適した形状です。スナップフィットはプラスチック用に設計されているため、XY平面での3D印刷に簡単に採用できます。ほとんどの3Dプリンターのユーザーは、デスクトップFDMプリンターで印刷されたオブジェクトは、層間の境界のために、XおよびYよりもZ軸（ビルドプレートの外側を指す）に沿った張力の障害の影響を大幅に受けやすいことを知っています。スナップフィットは通常（クリップの曲げモーメントを減らすために）断面が薄いため、3D印刷されたスナップフィットは、繰り返し使用した後にせん断する危険がないように、ビルドプレートに「敷設」し​​て印刷する必要があります。

この図は、印刷されたスナップフィットのレイヤーの誇張された視覚化を示しています。直立して印刷すると（左の写真）、スナップフィットを偏向させる力によって層間に張力がかかり、破損する可能性が大幅に高くなります。背面に印刷されている（中央の写真）スナップフィットは間違いなく強力ですが、それでも歯と腕の間にせん断面があります。横向きに印刷されていますが（右の写真）、スナップフィットは断面内に層の境界がないため、より予測可能な強度が得られます。また、スナップフィットが十分に大きい場合は、スナップフィットを側面に印刷すると、ファイバーを歯に配線できるため、マークフォージドパーツの強度を最大限に活用できます。これと同じ規則が、歯車の歯、ラチェットの歯、および大きな荷重を保持する必要のあるその他の突起にも適用されます。

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スナップフィットは用途に応じてさまざまな形をとることができ、スナップフィットのデザインと向きはプロジェクトに基づいて変わる可能性があることにも注意してください。特に、3Dプリンターから出てくるスナップフィットは、厚さや型の形状に制約されないため、配置する場所を工夫することができます（以下を参照）。プリンタを使用すると、プロトタイプをすばやく簡単に作成できるため、最終的な形状を決定する前に、いくつかのジオメトリを試してください。

まとめる：電話ホルダー

スライディングフィットとスナップメカニズムを展示するために、Mark Twoのフードに引っ掛けて、幅2.5〜4インチの携帯電話を保持するこの携帯電話ホルダーを設計しました。これにより、オペレーターはタイムラプスビデオを撮ったり、敏感なプリントを監視したりできます。 。

この電話ホルダーは、3つの部分、2つのインターフェースで構成されています。それらのインターフェースの1つは、ヒンジとして機能するツイストジョイントです。ダブテールのようには見えませんが、同じ目的を果たします。補完的な角度のおかげで、簡単に印刷できるスライドフィットが可能になります。

もう1つのインターフェースは、角度の付いた壁（壁がずれないようにするため）と歯を備えた線形ラチェットのように機能し、ホルダーの幅を設定します。これは、他のほとんどの方法で機械を作るのに非常に難しいインターフェースですが、印刷は非常に簡単で迅速でした！

公差に関する注記

何でもそうですが、建具はあなたの許容範囲で設計する必要があります。 Mark Twoコンポジット3Dプリンターでは、ほとんどの一般的な目的で、各壁の間に.08mmのギャップ（直径.16mm）で十分であり、2つの部品で一貫してスライドフィットを実現できます。表面の1つがサポート材で支えられている場合は、ギャップを.15mm程度に上げてみてください。もちろん、3D印刷されたパーツは大きく異なる傾向があるため、希望するフィット感を実現するために、必ず単体テストとプロトタイプを作成してください。

これは、建具を念頭に置いて設計することで、よりシンプルで3Dプリンターにより適した設計につながる可能性があることを示すほんの一例です。印刷に適したジョイントを見つけたら、@ MarkForgedにツイートしてデザインを共有してください。