Simple Guide to a Perfect Snap-Fit Joint Design for 3D Printing

في هذا المقال، سأخبرك بكل ما أعرفه عن كيفية تصميم وصلات قوية ويمكن الاعتماد عليها في الطباعة ثلاثية الأبعاد. سنلقي نظرة على الأفكار البسيطة، وأفضل الممارسات، والحيل الصغيرة التي تحدث فرقًا كبيرًا. إذا كنت ترغب في التوقف عن تجربة الأشياء دون معرفة والبدء في صنع أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد رائعة تتناسب مع بعضها البعض بشكل صحيح في كل مرة، فهذه المقالة مناسبة لك.

ما هي وصلة التثبيت القابلة للالتصاق؟ ولماذا يجب عليك استخدامها؟

لنبدأ بالأشياء البسيطة. التثبيت المفاجئ هو طريقة ذكية لربط جزأين. لا تحتاج إلى براغي أو غراء. أفكر بها مثل مشبك يكون جزء من الجسم. يحتوي التصميم على خطاف أو نتوء صغير على جزء واحد. هذا يسمى نتوء أو عروة. يستقر في أخدود أو ثقب صغير على الجزء الآخر. هذا يسمى انخفاض التزاوج. عندما تدفع الأجزاء معًا، ينثني جزء الخطاف قليلاً. يمر فوق الحافة ثم يعود إلى شكله. سماع صوت "الطقطقة" هذا رائع! فهو يخبرك أن الأجزاء مقفلة معًا في اتصال متين ومتشابك.

السبب الأكبر الذي يجعلني أحب استخدام وصلة التثبيت المفاجئ في أعمال التصميم الخاصة بي هو مدى بساطتها. فكّر في تركيب الأشياء معًا. فبدلًا من محاولة التعامل مع البراغي الصغيرة، ما عليك سوى دفع جزأين معًا. هذا يجعل عملية التجميع سريعة وسهلة للغاية. يعني أيضًا أن لديك أجزاء أقل تحتاج إلى تصنيعها وتتبعها. بالنسبة لأي نموذج أولي أو منتج نهائي، يمكن أن يجعل التصميم الجيد للتركيب المفاجئ عملية التصنيع والتجميع بأكملها أسهل بكثير. هذا جزء أساسي من التصميم الجيد للطباعة ثلاثية الأبعاد. التثبيت المفاجئ نفسه هو ميزة تصميم بسيطة ولكنها مفيدة جدًا. يمكن لمفصل التثبيت المفاجئ الجيد أن يغير منتجك حقًا.

وصلة التثبيت الإضافية هي أكثر من مجرد مشبك. تصميمها هو حل جيد لمشكلة شائعة: كيفية تجميع الأشياء معًا. في الطرق القديمة لصنع الأشياء، كما هو الحال مع القولبة بالحقن، ترى وصلات التثبيت الإضافية في كل مكان. انظر إلى أغطية البطاريات على أجهزة التحكم عن بُعد في التلفاز أو أغطية علب الطعام البلاستيكية. كلها تستخدم جميع أنواع التثبيتات الخاطفة. مع التصنيع بالإضافة، يمكننا الآن تصميم وتصنيع هذه الأجزاء المفيدة بأنفسنا. وهذا يخلق عملية ربط بسيطة للأشياء التي نصنعها. يُحدث التصميم المناسب للتركيبات الإضافية فرقًا كبيرًا حقًا.

ما هي الأشياء الجيدة والسيئة في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

مثلها مثل أي شيء آخر، لها نقاط جيدة ونقاط سيئة. من المهم معرفة الإيجابيات والسلبيات قبل أن تقرر استخدام هذا النوع من التصميم. أفضل شيء هو مقدار المال الذي توفره. فهي فعالة جداً من حيث التكلفة. لا تحتاج إلى شراء أجزاء أخرى مثل البراغي. الوصلة مدمجة مباشرة في الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد نفسه. وهذا يجعل عملية التصميم والتصنيع أسهل. كما أن التجميع سريع جداً.

ولكن هناك أيضاً أشياء سيئة. يمكن أن تكون الوصلة ذات التصميم السيئ سيئة التصميم مشكلة كبيرة. مصدر القلق الرئيسي هو أن تنكسر. يمكن أن يحدث ذلك في المرة الأولى التي تقوم بتركيبها. أو يمكن أن يحدث بعد الاستخدام المتكرر، مما قد يؤدي إلى تعطلها من فشل التعب. ماهية المادة وخصائصها المادية مهمة جدًا هنا. بعض المواد من السهل جدًا أن تنكسر بسبب حركة الانثناء التي يحتاجها التثبيت المفاجئ. هذا هو أحد قيود التصميم الرئيسية التي يجب أن تفكر فيها في تصميم وصلة التثبيت الإضافي.

لا يمكنك تصميم الأداة الإضافية من تلقاء نفسها. عليك التفكير في كيفية صنعه.

ما هي الأنواع المختلفة لمفاصل التثبيت القابلة للالتصاق؟

تأتي أدوات التثبيت بأشكال مختلفة. عندما بدأت، كنت أعرف فقط عن نوع الخطاف والفتحة. ولكن هناك بعض الأنواع الشائعة المختلفة. النوع الذي يستخدمه الناس أكثر في الطباعة ثلاثية الأبعاد هو تركيب الكابولي الإضافي الكابولي. يشبه لوح غطس صغير مع خطاف في نهايته. وهي عبارة عن عارضة تنحني أثناء التجميع. يمكنك العثور عليها على أشياء مثل أغطية الأقلام. تصميمها بسيط، وهي واحدة من أسهل أنواع التركيبات المثبتة بالقطعة لتصميمها وصنعها.

لقد استخدمت أيضًا نوعًا آخر يسمى تركيب حلقية التثبيت الإضافي. فكر في غطاء زجاجة الحبوب. تتسع الحلقة بأكملها لتظهر على حافة الزجاجة. تعمل هذه بشكل جيد مع الأجزاء المستديرة. ويمكنها أيضًا عمل ختم محكم. الجزء الصعب في التصميم مع الوصلات الحلقية هو التأكد من أن المقاسات صحيحة. لا يمكن أن تكون ضيقة للغاية ولا يمكن أن تكون فضفاضة للغاية. حسابات الإجهاد أصعب قليلاً. ولكن ما تحصل عليه هو وصلة متشابكة قوية للغاية.

هناك أنواع أخرى من وصلات التثبيت الخاطفة أيضًا، مثل وصلات التثبيت على شكل حرف U ووصلات التثبيت على شكل حرف L. كل تصميم جيد لأشياء مختلفة. الكابولي رائع للتجميع والتفكيك الذي تقوم به كثيرًا. أما الوصلة ذات الإطباق الحلقي فهي أفضل للوصلات التي يصعب تفكيكها. يعتمد اختيار التصميم المناسب لمفصل التثبيت الإضافي على وظيفة منتجك. غالبًا ما أقوم بعمل نسخة اختبارية صغيرة لمفصل التثبيت الإضافي فقط. يساعدني ذلك في اختبار التصميم الأفضل قبل أن أقوم بتصنيع الجزء بالكامل. يمكن أن يوفر لك ذلك الكثير من الوقت.

ما هي عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد والمواد الأفضل لتصميم مناسب بشكل سريع؟

يعتمد نجاح الثبات الإضافي على العمليات والمواد التي تختارها. تعطيك عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة نتائج مختلفة لصنع ثبات الخاطف الذي يمكن أن ينحني. لقد حصلت على أفضل النتائج باستخدام FDM (نمذجة الترسيب المنصهر). أستخدم مواد مثل PETG وABS وخاصة النايلون. النايلون رائع لأنه قوي، ولكن يمكن أن ينحني أيضًا. وهذا يجعله مثاليًا لمفصل التثبيت المفاجئ الذي يحتاج إلى استخدامه عدة مرات.

لقد جربت أيضًا استخدام طباعة SLA ثلاثية الأبعاد، والتي تستخدم الراتنج. غالبًا ما يكون الراتنج العادي سهل الكسر. يصنع أجزاء تبدو رائعة وتحتوي على الكثير من التفاصيل. ولكنه ليس جيدًا لمفصل التثبيت المفاجئ الذي يحتاج إلى العمل. لا يمكنه تحمل الضغط الناتج عن الانحناء. ولكن الآن، هناك أنواع خاصة من الراتينج المرن أو "القوي". وهي تعمل مثل البلاستيك مثل ABS. إذا كنت تستخدم SLA، عليك اختيار الراتنج المناسب. لقد حصلت على بعض النتائج الجيدة وبعض النتائج السيئة مع SLA لتصميمي من أجل تصميمي للتركيب المفاجئ. ولكن يمكن أن يكون الراتينج القاسي جيدًا لنموذج أولي.

ستحدد المادة التي تختارها حدود تصميمك. قد ينكسر التصميم الذي يعمل بشكل رائع في النايلون إذا قمت بطباعته باستخدام راتينج SLA عادي. لهذا السبب أختار دائمًا المواد التي أختارها قبل لقد انتهيت من تصميم وصلة الأداة الإضافية. تخبرك الطريقة التي تعمل بها المادة بسُمك الجدار وعرض الكابولي والأجزاء المهمة الأخرى لمفصل التثبيت المفاجئ. هذه خطوة مهمة جدًا في عملية التصميم. التصميم الجيد والاختيار الجيد للمواد يعملان معًا لتصنيع مفصل مثالي لمطابقة الخاطف.

كيف تصمم وصلة بسيطة ذات وصلة ناتئة بسيطة؟

حسناً، لنتحدث عن كيفية القيام بذلك. كيف تصمم بالفعل مفصل الكابولي القابل للتثبيت المفاجئ؟ سأوضح لك خطواتي البسيطة في برنامج CAD الخاص بي. يحتوي التصميم على جزأين رئيسيين: ذراع الكابولي مع خطاف (هذا هو النتوء) والمكان الذي سينقر فيه (هذا هو منخفض التزاوج).

1. تصميم الذراع: هذا هو الجزء الذي يقوم بالثني. يتحكم طول الذراع وسُمك جداره وعرضه في مقدار ثنيه. كما أنها تتحكم في مقدار القوة التي تحتاجها لثنيها. إذا كان الذراع أطول وأرفع، فسيكون أكثر مرونة. أما إذا كان الذراع أقصر وأسمك، فسيكون ثنيه أصعب. يجب أن يكون تصميمك مناسبًا تمامًا.
2. أضف الخطاف: في نهاية الذراع، أصمم خطافًا صغيرًا أو عروة. الزاوية الموجودة في مقدمة الخطاف مهمة. فالانحدار السلس، مثل 30 إلى 45 درجة، يسهّل تجميع الوصلة المثبتة في الخاطف. تحدد الزاوية الموجودة على الجزء الخلفي من الخطاف ما إذا كان من الصعب فكها. الزاوية بزاوية 90 درجة تجعلها قابلة للتركيب لمرة واحدة. الزاوية 45 درجة تتيح لك تجميعه وفكه.
3. أنشئ المصيد: على الجزء الآخر، تحتاج إلى تصميم أخدود أو فتحة لينقر فيها الخطاف. المكان الذي تضعه فيه ومدى التفاوت مهمان للغاية من أجل تثبيت محكم.

نصيحتي الأهم هي البدء بتصميم أساسي ثم عمل نسخة تجريبية منه. إنها فكرة جيدة أن تطبع الجزء القابل للتركيب المفاجئ فقط أولاً. يمكنك عمل أجزاء اختبارية صغيرة من ملفات STL لترى كيف تتلاءم وتعمل. يمكنك القيام بذلك قبل طباعة الجزء الكبير بالكامل. تعد عملية اختبار التصميم الخاص بك وتغييره أحد أفضل أجزاء استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكنك اختبار تصميمك الملائم بشكل أفضل بسرعة كبيرة.

ما هي أفضل الممارسات الأكثر أهمية عند تصميم سناب فيت؟

على مر السنين، قمت بإعداد قائمة بأفضل الممارسات لتصميم مفصل رائع للتركيب المفاجئ. إذا اتبعت هذه القواعد، سيساعدك ذلك على تجنب الكثير من المشاكل. أهم قاعدة هي لا تستخدم الزوايا الحادة. تصنع الزوايا الحادة نقاط ضعف حيث من المحتمل أن ينكسر الجزء. يجب دائمًا إضافة شريحة أو منحنى في الجزء السفلي من ذراع الكابولي حيث يتصل بالجزء الرئيسي. تساعد هذه الشريحة على توزيع الضغط الناتج عن الانحناء. وهذا يجعل التثبيت المفاجئ أقوى بكثير.

من أفضل الممارسات الرئيسية الأخرى التي أتبعها هي التحكم في الإجهاد. الإجهاد هو مقدار تمدد المادة عندما تنحني. بالنسبة لمعظم المواد البلاستيكية المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، يجب أن تحاول إبقاء الإجهاد أقل من 5%. يمكنك التحكم في ذلك من خلال تصميم وصلة التثبيت المفاجئ. سيكون للذراع الأطول إجهاد أقل عندما ينحني بنفس المقدار. الذراع السميكة سيكون لها إجهاد أكثر. أنت بحاجة إلى إيجاد التوازن الصحيح في تصميم أي مفصل مثبت بمطباق.

وأخيراً، فكر في مدى سماكة الجدران، سمك الجدار. يجب أن تكون سماكة جدار الذراع والجزء المحيط به مناسبة للمادة. كما يجب أن يكون مناسبًا للقوة المطلوبة لتشغيل التثبيت المفاجئ. الجدار الرفيع جدًا قد ينكسر. وقد لا ينثني الجدار السميك جدًا. هذه الممارسات المثلى عند التصميم مهمة للغاية. ربما تكون الشرائح الجيدة هي الشيء الوحيد الذي يساعدك أكثر في تصميم الثبات المفاجئ. فهي تجعل تصميمك أقوى بكثير. تكون الشرائح مفيدة جدًا عند تصميم الثبات المفاجئ.

كيف يؤثر اتجاه الطباعة على تصميم المفصل الملائم للمطابقة؟

كل من يقوم بالطباعة ثلاثية الأبعاد يتعلم ذلك، عادةً بعد ارتكاب خطأ. الطريقة التي تضع بها الجزء الخاص بك على لوحة الإنشاء لها تأثير كبير جدًا على مدى قوة الوصلة المثبتة بالقطعة. الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد متباينة الخواص. هذه كلمة خاصة تعني أنها أقوى في بعض الاتجاهات من غيرها. الاتصال بين الطبقات المطبوعة (في الاتجاه z) ضعيف. الاتصال داخل الطبقة قوي.

عندما تقوم بتصميم أداة التثبيت الإضافية الكابولية، يجب أن تتأكد من أن الذراع الطويل الذي ينحني مطبوع بشكل مسطح على لوحة البناء. لا يجب أن يكون متجهًا لأعلى. إذا كان الذراع مطبوعًا لأعلى، فإن الطبقات ترتفع لأعلى طوله. عندما ينحني، ستسحب القوة الطبقات الضعيفة بعيدًا عن بعضها البعض، وستنكسر أداة التثبيت المفاجئة. حدث ذلك معي عدة مرات. من السهل ارتكاب خطأ في عملية الطباعة. يمكن أن يفسد تصميم جيد للتثبيت المفاجئ.

لذا، فإن قاعدتي سهلة: ضع دائماً وصلة التثبيت الإضافية بحيث يحدث الانحناء على طول الخطوط المطبوعة القوية. لا تريد أن يحدث الانحناء عبر خطوط الطبقة الضعيفة. هذا يعني أن العارضة الكابولية للملاءمة الخاطفة يجب أن تكون مسطحة مع قاعدة الطابعة. يمكن أن يؤدي هذا التغيير السهل في اتجاه البناء إلى صنع وصلة ملائمة سريعة تعمل لفترة طويلة، بدلاً من تلك التي تنكسر على الفور. انظر دائمًا إلى ملفات STL في برنامج أداة التقطيع إلى شرائح للتحقق من اتجاه البناء قبل تصنيع الجزء.

ما هو سر الحصول على التسامح الصحيح للمفاصل للطباعة ثلاثية الأبعاد؟

الآن نتحدث عن التسامح. هذا هو المكان الذي تكون فيه مهارة تصميم التثبيت الإضافي مهمة. التفاوت المسموح به هو المساحة الصغيرة جدًا التي تصممها بين الأجزاء التي تتحرك في وصلة التثبيت المفاجئ. إذا كانت المساحة صغيرة جدًا، فلن تتناسب الأجزاء جيدًا. قد تنكسر عند تجميعها معًا. إذا كانت المساحة كبيرة جدًا، لن تكون الأجزاء المثبتة بمفصل التثبيت المفاجئ محكمة ولن تتماسك جيدًا. من المهم جدًا أن تكون صحيحة.

يكمن سرّي في عمل اختبار طباعة للتحمل. قبل أن أقوم بتصميم آخر تركيب إضافي لمنتجي، أصنع جزءًا صغيرًا يحتوي على عدة وصلات تركيب إضافي. لكل واحدة منها مساحة مختلفة. قد أصمم جزءًا بمسافة 0.2 مم، وآخر بمسافة 0.3 مم، وآخر بمسافة 0.4 مم. أطبع هذا الجزء الاختباري. أستخدم نفس المواد وإعدادات الطابعة التي سأستخدمها للجزء النهائي. ثم يمكنني أن أتحسسها لأرى أيهما أفضل من حيث الملاءمة المفاجئة. هذا يعني أنني لست مضطرًا إلى التخمين لتصميمي.

يجب أن تتذكر أن كل طابعة ثلاثية الأبعاد مختلفة قليلاً. كل مادة مختلفة قليلاً أيضًا. التسامح الجيد لطابعة FDM والنايلون قد لا يكون جيدًا لطابعة SLA مع الراتنج. عليك أن تختبرها لطابعتك وموادك الخاصة. إذا استغرقت وقتًا في الحصول على التفاوت المناسب لمفاصل الملاءمة للطباعة ثلاثية الأبعاد، ستحصل على منتج يعمل بشكل أفضل بكثير. تتميز الوصلة الملائمة الرائعة بالتفاوت المثالي.

كيف يمكنني منع كسر تصميمي الملائم من الانكسار؟

لقد تحدثت بالفعل عن بعض الطرق التي يمكن أن تنكسر بها الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن أن تنكسر عند الزوايا الحادة أو من اتجاه بناء سيء. ولكن الشيء الذي يسبب معظم المشاكل لمفصل التثبيت الإضافي الذي يُستخدم كثيرًا هو فشل الإرهاق. يحدث هذا عندما تصبح المادة ضعيفة بسبب ثنيها عدة مرات. يمكن أن يساعد التصميم الجيد في منع حدوث ذلك. المفتاح هو جعل الضغط على المادة صغيرًا قدر الإمكان أثناء حركة الثني.

إن الشريحة الجيدة في الجزء السفلي من التثبيت المفاجئ هي أفضل طريقة لمنعها من الفشل. هذا مهم للغاية. هذا الانحناء الصغير يجعل الوصلة أقوى ويمنع حدوث نقطة ضعف. نصيحة أخرى هي تصميم شيء ما لإيقافه، وهو عبارة عن سدادة صلبة. هذا جزء يوقف الذراع المثبّتة بالقطعة من الانحناء كثيرًا عند تجميعها. ثنيها كثيرًا هو سبب شائع لانكسارها في أول مرة تستخدمها فيها.

وأخيرًا، فكّر في مقدار القوة التي يتطلبها إغلاق التثبيت المفاجئ، القوة المطلوبة. إذا كان الدفع صعبًا جدًا، فأنت تضع ضغطًا كبيرًا على الأجزاء. يجب أن تغلق أداة التثبيت الجيدة بدفعة جيدة غير قاسية جدًا وصوت "طقطقة" جيد. إذا كنت تشعر أنها قد تنكسر، فمن المحتمل أن يكون تصميمك قاسي للغاية. قد تحتاج إلى جعل الذراع المثبتة بالقطعة أطول أو أرفع. الطريقة الوحيدة لمعرفة ذلك هي اختبار نموذجك الأولي. يجب أن يكون التصميم قويًا بما يكفي ليعمل.

هل يمكنك أن تعطيني بعض الأمثلة على التصميم الجيد المناسب للمفاصل؟

أعتقد أن رؤية الأمثلة هي أفضل طريقة للتعلم. أحد أكثر المشاريع التي أعجبتني كانت علبة خاصة صنعتها لبعض الإلكترونيات. كنت بحاجة إلى غطاء يمكن فتحه وإغلاقه كثيرًا. استخدمت تصميم كابولي قابل للإغلاق. حرصت على إضافة شريحة كبيرة في الجزء السفلي من ذراع التثبيت المفاجئ. طبعتها من مادة PETG، وهي مادة تنحني جيدًا. لقد وضعت الجزء بحيث تكون أذرع أداة التثبيت الإضافية مطبوعة بشكل مسطح. تم فتح الغطاء الذي صنعته عدة مرات ولا يزال يعمل بشكل رائع.

مثال آخر هو مجموعة من الأدراج التي تناسب بعضها البعض والتي قمت بتصميمها. لتوصيل الأدراج، استخدمت وصلة على شكل حرف U. أعطاني هذا التصميم وصلة قوية جدًا لم أكن بحاجة إلى فكها كثيرًا. كان تركيبهم معًا سهلًا. قمت فقط بدفعهم معًا حتى أصدروا صوت "طقطقة". كان هذا التصميم جيدًا لأن القوة كانت موزعة على مساحة أكبر. هذا المشروع هو مثال جيد على كيفية استخدام أنواع مختلفة من التركيبات القابلة للتركيبات الإضافية لتلبية الاحتياجات المختلفة. كان تصميم وصلة التثبيت المفاجئ هذا ناجحًا للغاية.

نجحت هذه المشاريع لأنني استخدمت كل الأفكار الجيدة التي تحدثت عنها. كنت أعرف ما أردت القيام به. اخترت المواد الصحيحة. كنت حريصًا على التفاصيل الصغيرة في التصميم، مثل الشرائح والتفاوت. فكرت أيضًا في عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد. تساعد هذه الطريقة في القيام بالأشياء على التأكد من أن الوصلات الملائمة للطباعة ثلاثية الأبعاد ستعمل بشكل جيد. غالبًا ما تستخدم أفضل مشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد تركيب خاطفة ذكية.

Important Things to Remember

فيما يلي أهم الأشياء التي يجب أن تتذكرها من خبرتي عند تصميم الوصلة التالية التي ستركب في المرة القادمة:

• أضف فيليه دائماً: أضف حافة منحنية (وهي عبارة عن شريحة أو نصف قطر) في الجزء السفلي من ذراع التثبيت الإضافي لمنعها من الانكسار عند الانحناء. هذا هو الجزء الأكثر أهمية في التصميم القوي للتثبيت المفاجئ.
• فكّر في المواد الخاصة بك: اختر مادة يمكن أن تنحني بما فيه الكفاية للتثبيت المفاجئ، مثل PETG أو ABS أو النايلون. لا تستخدم المواد التي تنكسر بسهولة، مثل راتينج SLA القياسي، إلا إذا كان راتينج خاص "قوي" أو مرن.
• انتبه إلى اتجاه الطباعة: تأكد من طباعة الجزء الذي ينحني من القالب الذي ينحني بشكل مسطح (مسطح على لوحة البناء). هذا يضمن أن قوة الانحناء تسير على طول خطوط الطباعة القوية، وليس ضد الوصلات الضعيفة بين الطبقات.
• اصنع جزء اختبار أولاً: قبل أن تصنع الجزء الأخير، قم بتصنيع جزء اختباري صغير بمفصل التثبيت المفاجئ فقط. يتيح لك ذلك التحقق من التفاوت المسموح به ومعرفة كيف يبدو ويعمل.
• تذكّر التسامح المسافة بين الأجزاء مهمة جدًا. يعد التفاوت بين 0.2 مم إلى 0.4 مم مكانًا جيدًا للبدء، ولكنك تحتاج إلى إجراء اختبار لمعرفة ما هو الأفضل لطابعتك ومادتك.