3D打印螺纹和螺钉–简单指南
魔猴君 知识堂 196天前
先说第一件事：螺丝和螺纹有什么区别？螺钉是一种紧固元件，用于形成可拆卸的连接，而螺纹则是螺钉的主要紧固特征。也就是说，螺纹不仅用于螺丝，还存在于管道、线性驱动器、蜗轮蜗杆和许多其他设备上。
所有螺纹的共同特征是它们的形成方式。每条螺纹都是在圆柱形表面的外部或内部形成的具有特定截面的连续螺旋槽。
在大多数情况下，横截面或形状是三角形或梯形。三角形螺纹主要用于紧固件（螺钉），而梯形螺纹（方形螺纹的一种变体）则用于动力传输和引线螺钉的线性驱动。为了简化说明，本文只讨论三角形螺纹，但所有内容都适用于这两种类型。
公制螺纹和英制螺纹还有一个不同的分类。前者主要用于欧洲和亚洲，而后者则用于美国和英国。对于未经训练的人来说，它们看起来是一样的，但在三角形的形状和螺旋曲线的螺距上存在差异。
基本术语 
螺钉的螺纹（来源：装配紧固件）
在开始设计线程之前，您应该熟悉一些术语和概念：
外螺纹或内螺纹：外螺纹或阳螺纹从圆柱表面延伸出来。内螺纹或阴螺纹是外螺纹的反面，即刻在一个负圆柱表面上。例如，螺栓使用外螺纹，而螺母使用内螺纹。
螺纹方向：螺纹要么向右拧，要么向左拧。右旋螺纹顺时针旋转，左旋螺纹逆时针旋转。如果逆时针旋转右旋螺纹，它就会拧开。此外，右旋螺母无法拧到左旋螺钉上。虽然右旋螺纹最常见，但在淋浴或水槽等地方的热水手柄上也能找到左旋螺纹。
螺纹轴线：这是一条穿过圆柱体中心的直线，螺纹就是在这条直线上形成的。
根部：这是环绕螺纹主体的凹槽底部。
顶点：这是螺纹轮廓的最高点。
大直径：环绕外螺纹顶端或内螺纹根部的圆柱直径称为大直径。该圆柱与螺纹轴同心。
小直径：环绕外螺纹螺纹根部或内螺纹螺纹峰的圆柱直径。该圆柱与螺纹轴线和大直径同心。当提到内螺纹时，小直径也称为"钻头尺寸直径"。
螺距：这是相邻螺纹上等效点之间的距离。例如，三角形螺纹的两个相邻峰之间的距离。
设计线程
在设计螺纹元件时，有两种可能性。您可以使用CAD软件中现有的工具箱，其中包含许多商用机器元件的模型。工具箱中的工具因软件而异，有些可能需要购买。
另外，您也可以从头开始为螺纹元件建模。例如，Fusion 360提供了简化的螺纹生成功能，可以从头开始为螺纹元件建模。其他CAD程序也有不同程度的类似工具。
不过，重要的是了解基础知识。这不仅关系到如何使用CAD软件，还关系到了解螺纹的设计规则。因此，在了解如何建立螺纹模型之前，我们先来谈谈螺纹规则。
线程规则
遵循标准（来源：Engineering ToolBox）
所有商用螺丝都是标准化的。例如，ISO M4X20 Bristol Allen螺钉已经定义了螺距、角度和齿形尺寸。因此，当您为螺纹元件建模时，尺寸不应该是随意的，而应该是基于标准的。这样做是值得推荐的做法，它能使您的模型更具适应性，即使您要对螺纹进行3D打印也是如此。
还要注意测量单位：
公制螺纹：公制螺纹的"M"表示螺纹的公称外径，单位为毫米。例如，M5螺纹的公称外径为5毫米。在外螺纹中，公称外径相当于主直径。在内螺纹中，可以通过测量小直径并参考公制螺纹表来确定公称外径。
英制螺纹：英制螺纹使用多种标准指定，包括统一螺纹标准（UTS），该标准主要用数字（如#4）来命名标准螺纹尺寸。UTS中最重要的两个测量值分别是外螺纹或内螺纹的大直径或小直径，以及每英寸螺纹数(TPI)。
因此，当您要设计螺纹元件时，应从推荐的标准表中获取螺距、角度等所有规格。
使用软件工具箱
SolidWorks不会让您失望（来源：Ömer Faruk Aras，来自GrabCAD）
在许多情况下，可能不需要从头开始对零件建模。如上所述，许多CAD程序都配备了标准零件工具箱，如果您使用的零件是现有的商用零件，您可能只是运气好，不必对其进行建模。
例如，在SolidWorks中，您可以使用现成的螺钉和螺母，而无需自己建模。您还可以有多种显示选项：
简化：螺钉看起来很光滑，但螺距的拧紧比率仍然适用。
示意图：模型上有螺纹贴纸。
详细：模型上已经有"螺纹"模型。
但要注意检查螺纹是否可用。在某些版本的SolidWorks中，由于只有开发人员才知道的原因，该螺纹实际上并不是螺旋形的，而是在同一平面上进行的一个圆形切割阵列，这意味着该螺纹实际上并不真实，也不会拧紧。如果你打印了这个，以为自己欺骗了系统，实际上你只是浪费了几个小时的打印时间。并不是每个软件都是这样的，所以请记得检查。
Fusion 360
Fusion 360依靠插件来增加软件功能。说到紧固元件，McMaster-Carr是最受欢迎的。它包括螺钉和螺栓、螺纹杆、垫圈、销钉和钉子等元件。
您可以在"设计"工作区访问McMaster-Carr。从"实体"选项卡，单击"插入"，然后单击"插入McMaster-Carr元件"。点击"OK"确认。
您可以浏览众多类别，或直接在搜索栏中搜索所需内容。一旦选择了某个部件（例如螺钉），您就可以选择螺纹尺寸和长度，然后将其添加到工作区。
建模线程
在Fusion 360中设计线程很容易（来源：Miroslav Sarcevic，来自All3DP）
如果您需要的螺纹元素不方便使用，您就必须从头开始建模。下面，我们将演示使用Fusion 360的简化螺纹生成功能设计外螺纹和内螺纹的过程。
其他CAD程序可能也有类似的工具。不过，正如我们之前所说，最重要的是了解基础知识，包括术语、既定标准和设计原则，所有这些我们都在上文讨论过。有了这些知识，就可以使用任何有能力的建模工具来操作模型和输入值，从而生成所需的螺纹。
让我们从螺栓的外螺纹开始。
外螺纹
1、画一个直径为所需螺纹大直径的圆。
2、将圆挤出到所需螺纹的长度，创建一个圆柱体。
3、转到"创建"，选择"螺纹"选项。
4、选择刚刚创建的圆柱体。确保选中"已建模"复选框，然后设置螺纹类型和其他螺纹参数。
5、点击"确定"。
就是这样。外螺纹就完成了！要使其成为一个合适的螺栓，您必须将其连接到您喜欢的头部。
现在，我们来设计带有内螺纹的螺母。
内螺纹
1、画一个六角形。在本教程中，只需确保它比要设计的螺纹大。
2、将其挤出到所需高度。
3、在"创建"菜单中选择"孔"选项，在中间开一个孔。孔的直径应为螺纹的主要直径。
4、选择刚刚创建的孔的内表面，进入"创建"菜单，然后选择"螺纹"选项。
5、记得勾选"已建模"选项。设置螺纹尺寸和其他参数。
6、点击"OK（确定）"。
就这样。您的第一条螺纹就可以打印了！
3D打印螺纹
无论如何，我们现在已经有了螺纹元件的CAD模型，下一步就是打印它。好戏才刚刚开始。为了确保打印成功并有较长的使用寿命，我们首先来了解一些打印注意事项。
1、入门
PETG是3D打印螺纹元件的良好材料（来源：Bakamoichigei，来自Reddit）
首先需要考虑的是打印材料，因为这对打印元件的工作性能有很大影响。螺丝在其长度方向上会产生相当大的垂直力，而3D打印的螺丝只是一系列粘合层。
对于聚乳酸等较弱的材料，这种力有可能导致螺丝在临界点断裂。因此，在此类应用中应考虑使用ABS或尼龙等强度较高的材料。
材料确定后，在开始打印螺纹元件之前，还有几个重要的打印机设置步骤。你要确保打印机已正确校准。挤出机的校准也很重要。此外，还强烈建议您调平打印床。
2、打印设置
螺钉采用3D打印且坚固（来源：nathy_bh via Thingiverse）
以下是一些设置印刷的一般指导原则，以尽可能获得最佳线程：
始终尽量垂直打印螺纹。为获得最佳效果，螺纹轴应垂直于打印床。
打印时不要使用支撑物，或至少确保支撑物不会进入螺纹内部。否则，在移除支撑物并保持功能性时会非常麻烦，尤其是内螺纹。
如果可能，至少使用四层垂直层（壳）或至少2毫米厚的垂直壁。这将确保螺纹的强度。
填充密度取决于您的应用，但尽量设置为至少25%。
层高是印制螺纹时的一个重要参数。为使操作顺畅，层应尽可能薄。作为指导，大于M12或1/2英寸的螺纹可以使用0.2毫米的层高打印，而较小的螺纹则应使用较薄的层高打印。
3、注意
打印并拧紧（来源：greenzodiac via Thingiverse）
这看起来似乎很简单，但打印螺纹并不总是那么容易，尤其是如果您想要小直径的螺纹。
假设您使用的是0.4毫米的喷嘴和0.2毫米的层高。在这种设置下，您能打印的最小螺距可能在0.5毫米左右（约0.1毫米）。这样的螺距适合M3螺纹，如果要在相对较大的零件上打印内螺纹，问题也不大。这是因为当喷嘴在其他地方时，螺纹有足够的时间冷却下来。
如果您需要在螺丝或螺栓上打印外螺纹，情况就会变得很有趣。在这种情况下，喷嘴无处可去，这意味着您可能需要额外的冷却。在决定打印许多细外螺纹之前，请先测试您的打印机。
一般来说，尝试打印螺纹测试是个好主意。这是测试3D打印机能力的最佳方法。
写在最后
两个螺丝，一个打印件（来源：aikiks via Printables）
即使第一次测试不成功，仍有希望！以下是一些最后的忠告：
即使您打印出了小于M6（直径6毫米）的外观漂亮的外螺纹，在使用它承载任何重量之前也要三思而后行。由于直径较小和3D打印的特性，这种尺寸的螺纹最好只用于视觉模型。如果它必须是一个功能部件，则应考虑不同的设计。
直径小于4毫米的内螺纹间距很小，因此很难打印。在这种尺寸下，可以考虑打印一个空白孔，然后用丝锥扳手切割螺纹。无论如何，无论是3D打印还是切割，在使用前清洁螺纹都是很好的做法。
有些材料比其他材料更容易收缩。在开始打印带有螺纹的大型部件之前，先制作一些小样品来检查螺纹尺寸。打印内螺纹时，您可能会发现螺纹很紧；打印外螺纹时，您可能会发现螺纹很松。
编译整理：ALL3DP
