Inserções em impressão 3D

O fabrico de aditivos tem muitas vantagens, incluindo a possibilidade de imprimir conjuntos de peças numa única impressão ou geometrias complexas, tais como um fio. No entanto, neste último caso, o desenho do fio não é feito de modo a que haja a possibilidade de uma montagem regular uma vez que, sendo feitos de plástico, podem deformar-se e perder as suas dimensões ou mesmo fracturar-se. 

Quando se pretende fabricar um determinado tipo de peça no mundo da impressão 3D, há numerosas ocasiões em que é necessário utilizar juntas fortes para fazer peças amovíveis ou para assegurar a ligação permanente de elementos de grande volume.

Os componentes mecânicos fabricados utilizando tecnologias tradicionais tornam-se um suporte para o fabrico de peças de fabricação aditiva. E no caso específico da união de peças, as inserções são particularmente dignas de nota.

O que são inserções?

Uma alternativa à incorporação de porcas no meio de uma impressão é a utilização de inserções metálicas. Os insertos metálicos são fixadores roscados que são inseridos num furo para fornecer a peça com uma possível ligação roscada de parafuso.

Imagem 1: Inserts. Fonte: Filament2print.

Há dois factores-chave a considerar ao seleccionar o melhor tipo de inserção: resistência de arrancamento e resistência à torção. 

• A resistência ao arrancamento é a oposição do inserto a puxar para fora da sua caixa quando o parafuso é apertado. Este é um valor que é aumentado através do aumento do comprimento da inserção.

• A resistência à rotação é a resistência do inserto a rodar sobre si mesmo quando o parafuso é apertado. Neste caso, quanto maior o diâmetro do inserto, maior a capacidade de torque, uma vez que mais área de superfície é fixada à peça de trabalho.

Genericamente, factores como o diâmetro e o tamanho da inserção serão tidos em conta (para os quais é necessário consultar a ficha técnica do fabricante). E materiais, tanto da inserção como do plástico onde a instalação vai ser efectuada. Existe uma grande variedade de inserções a serem instaladas em qualquer tipo de material, seja para metal, madeira, plástico ou similar. O material mais comum no fabrico de insertos é o latão, embora outros materiais como o aço inoxidável (resistente à corrosão) ou o alumínio (mais leve) também estejam a aparecer. 

Para FDM (quando se fabrica com materiais termoplásticos) quase qualquer inserção seria adequada, mas quando se fabrica com SLA (que utiliza materiais termofixos e, portanto, uma vez impressos, não podem ser modificados pelo calor ou pela pressão) só poderiam ser instaladas inserções auto-roscantes ou helicoidais.

É muito importante salientar que embora uma inserção feita de quase qualquer tipo de material possa ser utilizada em FDM, o procedimento de inserção será sempre mais problemático do que em peças de SLA. Isto deve-se à não-isotropia da peça, o que significa que quando confrontada com um inserto colocado a frio, a pressão é tal que a peça delamina.

Existem muitos tipos de inserções, e a classificação comum é de acordo com a sua forma de inserção.

Tipos de inserções

Inserção por calor: As inserções de calor são utilizadas com materiais termoplásticos, que derretem a baixas temperaturas. O método de utilização é muito simples e requer apenas um ferro de soldar ou outra fonte de calor (Modifi3D Pro), o que faz com que o inserto aqueça por contacto através da transmissão de calor. Para colocar este tipo de inserção, deve haver um orifício na peça cujo diâmetro é ligeiramente menor do que o diâmetro exterior da inserção. Utilizando uma ferramenta de inserção, e controlando a pressão (porque é possível derreter a peça à volta do orifício), pressionar a inserção sobre a borda do orifício para expandir o plástico. A inserção ficará presa entre as fibras do plástico quando arrefecer. A inserção estará na posição correcta quando ambas as arestas, parte e inserção, estiverem ao mesmo nível. Com o posicionamento correcto deste tipo de inserção, é possível obter uma resistência à tracção de 15 kg e uma resistência à torção de 2,5 kg. Além disso, os insertos roscados térmicos têm ambos os orifícios abertos para que possam ser considerados através de furos, o que significa que o comprimento do inserto não será uma limitação mesmo que o parafuso a ser roscado tenha de ser inserido mais fundo do que o comprimento do próprio inserto.

Imagem 2: Inserção de calor. Fonte: Filament2print.

Pressão: As inserções de pressão, ou rebites, requerem um furo com o mesmo diâmetro que o rebite. A sua instalação é muito simples, pois, como qualquer rebite, precisam simplesmente de ser pressionados no lugar com uma ferramenta de compressão. Como no caso anterior, a inserção estará na posição correcta quando as duas arestas estiverem ao mesmo nível. É muito importante notar que durante a instalação, os insertos devem ser devidamente pressionados, uma vez que as peças podem ser esmagadas perto dos furos.

Auto-roscantes: Para certos materiais utilizados em SLS e impressão 3D de resina que derretem a temperaturas muito elevadas ou não apresentam um comportamento estável quando aquecidos, as inserções auto-roscantes são ideais. Caracterizadas por uma rosca interna e externa para fácil instalação na peça, estas inserções são colocadas utilizando uma ferramenta de rosqueamento tipo ensat. A peça deve ser fabricada com um orifício que tenha o mesmo diâmetro nominal que a inserção, uma vez que estas inserções criam uma rosca no plástico à medida que são instaladas, resultando numa montagem que pode ser sujeita a tensões muito maiores em comparação com as inserções de calor.  Além disso, estas inserções são feitas de aço inoxidável, um material altamente resistente ao desgaste e a ambientes agressivos.

Imagem 3: Inserção auto-roscante e ferramenta. Fonte: Filament2print.

Helicoil: Tal como os insertos auto-roscantes, os insertos de helicoil também têm 2 fios e funcionam da mesma forma. O orifício na peça deve ser dimensionado de acordo com o padrão do helicoidal seleccionado. Para encaixar o inserto, a rosca deve primeiro ser criada no furo com uma torneira e depois instalada com uma ferramenta. Finalmente, a pequena flange no fundo do inserto, que actua como uma paragem para a ferramenta de instalação, é quebrada. Embora seja verdade que estas inserções não são baratas, a aparência e a praticidade são notáveis.

Recomendações

No que diz respeito ao diâmetro dos furos, deve ter-se em conta que ao imprimir a peça haverá variações dimensionais entre o desenho 3D e a peça, portanto, ao desenhar os furos será necessário aplicar uma tolerância aos mesmos. Além disso, o orifício deve ter comprimento suficiente para a instalação do inserto, tendo também em consideração o comprimento extra da protuberância do parafuso. Outra coisa a ter em conta relacionada com o desenho é a espessura da parede; tente aplicar valores suficientemente altos para que, ao fazer o furo, não entre no enchimento da peça.

Imagem 4: Inserção de calor da inserção. Fonte: Markforged.

Em termos de instalação, é muito importante assegurar certos aspectos como o posicionamento e a velocidade de operação. Assegurar sempre que a inserção seja, tanto quanto possível, centrada e perpendicular ao buraco. Isto aplica-se ao calor, pressão ou inserções roscadas, uma vez que a inserção da inserção pode levar a roscas cruzadas e danos na rosca ou mesmo resultar na inserção incorrecta subsequente do parafuso de ligação. Tendo em conta que as peças são feitas de plástico e que a inserção é um elemento metálico irá afectar a velocidade de instalação, uma vez que a dureza do metal pode danificar as peças impressas. É por isso que a velocidade terá de ser controlada de modo a não danificar as paredes do buraco.

Como sabemos, a impressão em 3D está em plena evolução e soluções como esta são as que fazem a diferença quando se trata de obter peças com maior complexidade e que respondem com maior precisão às necessidades da indústria.