Inserti in stampa 3D

La fabbricazione additiva offre molteplici vantaggi, tra cui la possibilità di stampare insiemi di pezzi in una singola stampa o geometrie complesse come una filettatura. Tuttavia, in quest'ultimo caso, la progettazione del filetto non viene fatta per consentire un montaggio regolare, poiché essendo di plastica, possono deformarsi e perdere le loro dimensioni o addirittura rompersi.

Quando si desidera fabbricare un determinato tipo di pezzo nel mondo della stampa 3D, ci sono numerose occasioni in cui diventa necessario l'uso di giunzioni robuste per creare pezzi smontabili o assicurare la connessione permanente di elementi di grandi dimensioni.

I componenti meccanici prodotti mediante tecnologie tradizionali diventano un supporto per i pezzi di fabbricazione additiva. E nel caso specifico dell'unione di pezzi, è importante sottolineare gli inserti.

Cosa sono gli inserti?

Un'alternativa all'incorporazione di dadi nel mezzo di una stampa è l'uso di inserti metallici. Gli inserti metallici sono elementi di fissaggio filettati che vengono inseriti in un foro per consentire l'unione del pezzo tramite filettatura - vite.

Immagine 1: Inserti. Fonte: Filament2print.

Esistono due fattori chiave da tenere in considerazione nella scelta del miglior tipo di inserto: la resistenza all'estrazione e la resistenza alla rotazione.

• La resistenza all'estrazione è l'opposizione dell'inserto a uscire dal suo alloggiamento quando si stringe la vite. Questo valore può essere aumentato aumentando la lunghezza dell'inserto.

• La resistenza alla rotazione è l'opposizione dell'inserto a ruotare su se stesso quando si stringe la vite. In questo caso, maggiore è il diametro dell'inserto, maggiore è la capacità di torsione, poiché ci sarà più superficie aderente al pezzo.

In generale, si dovranno tenere in considerazione fattori come il diametro e le dimensioni dell'inserto (aspetti per i quali è necessario consultare il foglio tecnico del produttore). E i materiali, sia dell'inserto che della plastica in cui verrà effettuata l'installazione. Esiste una vasta gamma di inserti da utilizzare su qualsiasi tipo di materiale, che siano metallici, di legno, plastica o simili. Il materiale più comune nella fabbricazione degli inserti è il ottone, anche se stanno emergendo altri materiali come l'acciaio inossidabile (resistente alla corrosione) o l'alluminio (meno peso).

Per FDM (quando si fabbrica con materiali termoplastici) quasi ogni tipo di inserto sarebbe adatto, ma quando si fabbrica mediante SLA (che utilizza materiali termoindurenti e quindi una volta stampati non possono essere modificati dal calore o dalla pressione), sarebbero adatti solo inserti autofilettanti o helicoil.

È molto importante sottolineare che, anche se in FDM si può utilizzare un inserto realizzato in quasi qualsiasi tipo di materiale, la procedura di installazione di quell'inserto sarà sempre più problematica rispetto alle parti SLA. Questo è dovuto alla non isotropia del pezzo, che fa sì che rispetto a un inserto installato a freddo, la pressione sia tale da far sì che il pezzo si stacchi.

Esistono molti tipi di inserti, e la classificazione comune è basata sul metodo di inserimento.

Tipi di inserti

Inserimento con calore: Gli inserti termici sono utilizzati con materiali termoplastici, che si fondono a basse temperature. Il loro utilizzo è molto semplice e richiede solo un ferro da saldare o un'altra fonte di calore (Modifi3D Pro), che attraverso il contatto tramite conduzione di calore riscalda l'inserto. Per posizionare questo tipo di inserti, è necessario avere un foro nel pezzo con un diametro leggermente inferiore al diametro esterno dell'inserto. Utilizzando un attrezzo di inserimento e controllando la pressione (poiché è possibile far fondere la parte circostante al foro), è necessario premere l'inserto sul bordo del foro in modo che allarghi la plastica. L'inserto rimarrà intrappolato tra le fibre della plastica quando questa si raffredderà. L'inserto sarà nella posizione corretta quando i bordi della parte e dell'inserto si trovano allo stesso livello. Con una corretta installazione di questo tipo di inserti si può ottenere una resistenza alla trazione di 15 kg e una resistenza alla torsione di 2,5 kg. Inoltre, gli inserti filettati mediante il calore hanno entrambi i fori aperti, quindi possono essere considerati passanti, il che implica che la lunghezza dell'inserto non sarà un limite anche se la vite da avvitare deve essere inserita più in profondità rispetto alla lunghezza dell'inserto stesso.

Immagine 2: Inserto mediante calore. Fonte: Filament2print.

Pressione: Gli inserti a pressione, o rivetti, richiedono un foro con lo stesso diametro. La loro installazione è molto semplice poiché, come qualsiasi rivetto, devono semplicemente essere premuti con un attrezzo di compressione. Come nel caso precedente, l'inserto sarà nella posizione corretta quando i due bordi saranno allo stesso livello. È molto importante tenere presente che durante l'installazione, gli inserti devono essere premuti correttamente poiché le parti possono schiacciarsi vicino ai fori.

Autofilettanti: Per alcuni materiali utilizzati nella stampa 3D SLS e resine che fondono a temperature molto alte o non presentano un comportamento stabile quando si riscaldano, gli inserti autofilettanti sono ideali. Caratterizzati da una filettatura interna ed esterna che facilita la loro installazione nel pezzo, questi inserti vengono posizionati utilizzando uno strumento di filettatura tipo ensat. Il pezzo deve essere realizzato con un foro che abbia lo stesso diametro nominale dell'inserto, poiché questi, man mano che vengono installati, creano una filettatura sulla plastica, ottenendo così un insieme che può sopportare sforzi molto più grandi rispetto agli inserti termici. Inoltre, questi inserti sono in acciaio inossidabile, un materiale che offre una grande resistenza all'usura e agli ambienti aggressivi.

Immagine 3: Inserti autofilettanti e attrezzo. Fonte: Filament2print.

Helicoil: Come gli inserti autofilettanti, gli inserti helicoil hanno anche 2 filettature e funzionano allo stesso modo. Il foro nel pezzo deve avere una dimensione come indicato dalla normativa dell'inserto helicoil selezionato. Per posizionare l'inserto, prima deve essere creato il filetto all'interno del foro con un maschio filettatore e poi installato con uno strumento. Infine, si romperà la piccola linguetta situata nella parte inferiore dell'inserto, che funge da blocco per l'utensile di installazione. Sebbene questi inserti non siano economici, l'aspetto e la praticità sono notevoli.

Consigli

Riguardo al diametro dei fori, è importante tenere presente che alla stampa del pezzo ci saranno variazioni dimensionali tra il design 3D e il pezzo stesso, quindi quando si progettano i fori è necessario applicare loro una tolleranza. Inoltre, il foro deve avere una lunghezza sufficiente per l'installazione dell'inserto, tenendo conto anche della lunghezza extra che deve sporgere dalla vite. Un'altra considerazione di progettazione è lo spessore del muro; è importante applicare valori sufficientemente alti in modo che, quando si lavora il foro, questo non entri nell'infill del pezzo.

Immagine 4: Installazione di un inserto termico. Fonte: Markforged.

Per quanto riguarda l'installazione, è molto importante assicurarsi di alcuni aspetti come la posizione e la velocità dell'operazione. È sempre necessario fare in modo che l'inserto sia, per quanto possibile, centrato e perpendicolare al foro. Questo si applica sia agli inserti termici, a pressione o filettati, poiché la loro installazione può causare un intasamento del filetto e danneggiare il filetto o addirittura portare a una successiva installazione errata della vite di connessione. Tenere presente che i pezzi sono realizzati in plastica e che l'inserto è un elemento metallico sono fattori che influenzeranno la velocità dell'installazione, poiché la durezza del metallo può danneggiare le parti stampate. Pertanto, la velocità deve essere controllata in modo che non danneggi le pareti del foro.

Come si sa, la stampa 3D è in continua evoluzione e soluzioni come questa fanno la differenza nel ottenere pezzi più complessi e che rispondono in modo più preciso alle esigenze dell'industria.