Inserts de Alta Resistência para Impressão 3D: Montagens Duráveis e Precisas

A manufatura aditiva tem muitas vantagens, incluindo a possibilidade de imprimir conjuntos de peças em uma única impressão ou geometrias complexas como uma rosca. No entanto, neste último caso, o design da rosca não é feito para que haja possibilidade de montagem regular, pois, sendo feito de plástico, podem se deformar e perder suas dimensões ou até fraturar.

Quando se deseja fabricar um certo tipo de peça no mundo da impressão 3D, há numerosas ocasiões em que é necessário usar juntas fortes para fazer peças removíveis ou garantir a união permanente de elementos de grande volume.

Componentes mecânicos fabricados com tecnologias tradicionais tornam-se um suporte para peças de manufatura aditiva. E no caso específico de união de peças, os inserts são particularmente notáveis.

O que são inserts?

Uma alternativa a incorporar porcas no meio de uma impressão é usar inserts metálicos. Inserts metálicos são fixadores roscados que são inseridos em um furo para fornecer à peça uma possível conexão roscada de parafuso.

Imagem 1: Inserts. Fonte: Filament2print.

Existem dois fatores-chave a considerar ao selecionar o melhor tipo de insert: resistência à extração e resistência à torção.

• A resistência à extração é a resistência do insert a sair de seu alojamento quando o parafuso é apertado. Este é um valor que pode ser aumentado aumentando o comprimento do insert.

• A resistência à rotação é a oposição ao insert girar sobre si mesmo quando o parafuso é apertado. Neste caso, quanto maior o diâmetro do insert, maior a capacidade de torque, pois haverá mais área de superfície prendendo a peça.

Genericamente, fatores como o diâmetro e tamanho do insert serão levados em conta (para o qual é necessário consultar a ficha técnica do fabricante). E materiais, tanto do insert quanto do plástico onde a instalação será realizada. Existe uma ampla variedade de inserts para instalar em qualquer tipo de material, seja metal, madeira, plástico ou similar. O material mais comum na fabricação de inserts é latão, embora outros materiais como aço inoxidável (resistente à corrosão) ou alumínio (peso mais leve) também estejam aparecendo.

Para FDM (ao fabricar com materiais termoplásticos) quase qualquer insert seria adequado, mas ao fabricar por SLA (que usa materiais termofixos e, portanto, uma vez impressos não podem ser modificados por calor ou pressão) apenas inserts de rosca automática ou helicoidais poderiam ser instalados.

É muito importante enfatizar que, apesar do fato de que no FDM um insert feito de quase qualquer tipo de material pode ser usado, o procedimento para colocar este insert sempre será mais problemático do que em peças SLA. Isso se deve à não-isotropia da peça, o que significa que, diante de um insert colocado a frio, a pressão é tal que a peça delamina.

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

Tipos de inserts

Inserção por calor: Inserts de calor são usados com materiais termoplásticos, que derretem a baixas temperaturas. O método de uso é muito simples e requer apenas um ferro de solda ou outra fonte de calor (Modifi3D Pro), que faz o insert aquecer por contato através de transmissão de calor. Para colocar este tipo de insert, deve haver um furo na peça cujo diâmetro seja ligeiramente menor que o diâmetro externo do insert. Usando uma ferramenta de inserção, e controlando a pressão (pois é possível derreter a peça ao redor do furo), pressione o insert sobre a borda do furo para expandir o plástico. O insert ficará preso entre as fibras do plástico quando esfriar. O insert estará na posição correta quando ambas as bordas, peça e insert, estiverem no mesmo nível. Com o posicionamento correto deste tipo de insert, uma resistência à tração de 15 kg e uma resistência à torção de 2.5 kg podem ser alcançadas. Além disso, inserts roscados por calor têm ambos os furos abertos, então podem ser considerados furos passantes, significando que o comprimento do insert não será uma limitação mesmo se o parafuso a ser rosqueado tiver que ser inserido mais fundo que o comprimento do próprio insert.

Imagem 2: Insert de calor. Fonte: Filament2print.

Pressão: Inserts de pressão, ou rebites, requerem um furo com o mesmo diâmetro do rebite. Sua instalação é muito simples, pois, como qualquer rebite, simplesmente precisam ser pressionados no lugar com uma ferramenta de compressão. Como no caso anterior, o insert estará na posição correta quando as duas bordas estiverem no mesmo nível. É muito importante notar que durante a instalação, os inserts devem ser pressionados adequadamente, pois as peças podem ser esmagadas perto dos furos.

Auto-roscante: Para certos materiais usados em SLS e impressão 3D de resina que derretem a temperaturas muito altas ou não exibem comportamento estável quando aquecidos, inserts auto-roscantes são ideais. Caracterizados por uma rosca interna e externa para fácil instalação na peça, estes inserts são colocados usando uma ferramenta de rosqueamento tipo ensat. A peça deve ser fabricada com um furo que tenha o mesmo diâmetro nominal que o insert, pois estes inserts criam uma rosca no plástico à medida que são instalados, resultando em uma montagem que pode ser submetida a tensões muito maiores comparadas aos inserts de calor. Além disso, estes inserts são feitos de aço inoxidável, um material altamente resistente ao desgaste e ambientes agressivos.

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

Helicoil: Como os inserts auto-roscantes, inserts helicoidais também têm 2 roscas e funcionam da mesma forma. O furo na peça deve ser dimensionado de acordo com o padrão do helicoil selecionado. Para ajustar o insert, a rosca deve primeiro ser criada no furo usando um macho e então instalado usando uma ferramenta. Finalmente, a pequena flange na parte inferior do insert, que atua como parada para a ferramenta de instalação, é quebrada. Embora seja verdade que estes inserts não são baratos, a aparência e praticidade são notáveis.

Recomendações

Com relação ao diâmetro dos furos, deve-se levar em conta que ao imprimir a peça haverá variações dimensionais entre o design 3D e a peça, portanto ao projetar os furos será necessário aplicar uma tolerância a eles. Além disso, o furo deve ser longo o suficiente para a instalação do insert, também levando em consideração o comprimento extra da protrusão do parafuso. Outra coisa a levar em conta relacionada ao design é a espessura da parede; tente aplicar valores altos o suficiente para que, ao usinar o furo, ele não entre no preenchimento da peça.

Imagem 4: Inserção do insert por calor. Fonte: Markforged.

Em termos de instalação, é muito importante garantir certos aspectos como posicionamento e velocidade de operação. Sempre assegure que o insert esteja, na medida do possível , centralizado e perpendicular ao furo. Isso se aplica a inserts de calor, pressão ou roscados, pois a inserção do insert pode levar a rosca cruzada e danificar a rosca ou até resultar em subsequente inserção incorreta do parafuso de conexão. Tendo em mente que as peças são feitas de plástico e que o insert é um elemento metálico afetará a velocidade de instalação, pois a dureza do metal pode danificar as peças impressas. É por isso que a velocidade terá que ser controlada para não danificar as paredes do furo.

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