Приветствую сообщество Хабра. Это моя первая статья, и она получилась довольно длинной. Надеюсь, мой опыт будет полезен тем, кто занимается 3D-печатью.

3D-печатью применительно к механизмам я занимаюсь довольно давно, и в определенный момент назрел вопрос о применении легких подшипников качения, интегрированных в конструкцию. Эта статья - своеобразный туториал для желающих опробовать эту тему в своих DIY-проектах.

И первый резонный вопрос - зачем их печатать? Ведь машиностроительная отрасль освоила это много веков лет назад! Вот ряд причин:

• Вес: возрастает пропорционально размерам. При этом конечно растет и прочность, но как правило такие лимиты по нагрузкам просто не нужны, мы ведь не космический корабель проектируем. Кроме того, на фоне легких печатных конструкций тажелый подшипник (особенно крупный) выглядит как пятое колесо в телеге. А если у вас воздушный дрон?

• Цена: чем подшипник крупнее, тем дороже. Не все готовы (я вот например не готов) выкладывать крупную сумму на такие механизмы.

• Сложности с интеграцией в ваш девайс: стандартные размеры диктуют такие же подходы к размещению подшипника. Вы хотели слим-дизайн а-ля Apple и ажурность, а получили орудие пролетариата. А если вам вообще нужен грандиозный (но тонкий и легкий) подшипник под башню робота диаметром сантиметров 20? Такой вообще нигде не купить.

3D-печать способна решить этот насущный вопрос, но следует понимать границы применимости этой технологии для наших целей.

Купить или напечатать?

Поскольку пластик - материал явно более мягкий, чем металл, следует понимать, когда вообще есть смысл морочить голову. Если речь идет о малышах диаметром 2-3см, пластиковый подшипник - это практически ювелирное изделие, сделать которое на FDM принтере достаточно сложно. Кроме того, нагрузки на такие узлы подразумевают высокие скорости вращения и хороший нагрев, и здесь рациональнее будет воспользоваться существующими "велосипедами".

В то же время есть узлы, где скорости вращения достаточно низкие, а вот требования к диаметру изделий превышают стандартные значения (представьте колесную платформу с поворотной башней или крепление DIY редуктора манипулятора на ременных передачах). Помимо этого, зачастую важен тип подшипника (радиальные, упорные, упорно-радиальные), и само его место в вашей конструкции. Как вам идея имплементации подшипника качения внутрь механизма, когда он естественным образом размещается ровно там, где надо, а его обоймы представлены самим механизмом, который вы проектируете? Зачастую только индивидуальное проектирование поможет создать действительно красивую и компактную конструкцию.

Алярм!

Конечно, я не являюсь первооткрывателем описанного далее подхода к созданию подшипников качения методом 3D-печати. Мне показалось интересным продвинуть это знание в массы, немного доработав его для современных реалий.

Вообще, тема печатных подшипников очень обширна, и в ней можно выделить следующие направления:

• Печать подшипников "целиком" (Print in Place Ball Bearing! | Functional 3D Print, Quickbit: 3D Printed Bearings!), где все печатное, включая тела качения. Как по мне, идея спорная, поскольку даже крупные шарики в таких подшипниках трудно напечатать в достаточно высоком качестве (а ведь от них напрямую зависит "катучесть" вашего творения). Плюс удаление поддержек то еще удовольствие.

• Печать подшипников с использованием стальных шариков, вкладываемых в конструкцию прямо на столе (3d printed bearings) - требует некоторой сноровки в плане управления печатью, но позволяет получить хороший результат.

• Использование роликов, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях (причем ролики могут быть напечатаны заранее, или использованы готовые нейлоновые цилиндрические втулки с алисэкспресса) - Design a parametric, 3d-printable Slew Bearing with Fusion 360

• Использование готовых тел качения (шариков для воздушных пистолетов d=4.5мм) в сочетании с сепаратором, разделяющим шарики так, как это делается в реальных подшипниках, а также использование нескольких обойм, способных воспринимать как радиальные, так и аксиальные нагрузки (How to Make 3D Printed Bearings) - имхо топ идея, которую далее я рассмотрю подробно (канал Positive Altitude).

Методы, предложенные автором канала Positive Altitude, достаточно просты:

• использование стальных шариков d=4.5мм в роли тел качения

• использование сепараторов для удержания шариков "в обойме"

• раздельная печать деталей корпуса подшипника и сборка на болты

Меня удивило, как просто и логично устроена предложенная им конструкция. Правда, мне показался странным тот факт, что печатные обоймы не повторяли в точности профиль тел качения, а также то, что автор состредоточился исключительно на шариках, хотя можно было использовать.. ролики (строго говоря, хоть нарезанные болгаркой гвозди). Впрочем, это не столь важно, поскольку проектирование этого чуда техники мы разберем прямо сейчас.

Ну погнали ужеее!

Рассмотрим общую схему, принцип размещения тел качения, разделения конструкции на удобные детали (с точки зрения 3D-печати) и способ их соединения. Далее - подробные размеры, допуски и приемы проектирования. В дополнение обсудим конструкции с использованием двойных поясов тел качения и роликов.

Тела качения - стальные шарики диаметром 4.5мм.

Пластик для печати обойм подшипника - PETG.

Разрез подшипника показан ниже. Синим цветом показаны шарики 1 и 2 (тела качения), розовым - сепараторы, черным - обоймы 1А/1В, 2А/2В (детали корпуса).

У нас есть 2 набора шариков, заключенные в два сепаратора. В данном случае оба набора выполняют сходные функции, и работают совместно. Красным цветом показаны участки конструкции, через которые происходит контакт между наборами шариков и обоймами подшипника.

Обратите внимание на то, как именно расположены красные зоны:

Верхний набор шариков 1 способен блокировать радиальные (вбок) смещения обоймы 1А относительно обоймы 1В. При этом основная задача этого набора шариков - восприятие аксиальных (осевых, в нашем случае вертикальных) нагрузок обоймы 1А на обойму 1В. По сути, верхняя часть конструкции - это упорный подшипник.

Нижний набор шариков 2 также способен блокировать радиальные и аксиальные смещения обоймы 2А относительно 2В, но его функции выражены менее четко.

Суть работы такой конструкции - в совмещении функций обоих наборов тел качения.

В нашем случае наборы шариков расположены таким образом, что каждый из них воспринимает нагрузки от обойм вдоль диагоналей 1 и 2, при этом диагонали перпендикулярны друг другу. При сборке всех обойм воедино конструкция работает как единое целое, воспринимая как радиальные, так и аксиальные нагрузки.

Разделение конструкции на детали, размещение при печати.

Зеленым цветом отмечены плоскости обойм, которые должны прилегать к столу 3D-принтера. Расположение этих зон обусловлено необходимостью исключения поддержек при печати областей, контактирующих с телами качения (чтобы они были идеально гладкими). Кроме того, плоские основания деталей позволяют скрепить их друг с другом без зазоров и щелей (это важно в контексте допусков по размерам деталей).

То же относится и к печати сепараторов. Как их проектировать, разберем ниже, а пока важно отметить, что плоские участки в них сделаны в том числе из соображений удобства печати.

Разберем детальные размеры нашего подшипника.

Ниже показан разрез, содержащий размеры, которые показались мне уместными в этом случае. В целом, при назначении параметров (да и в более общем случае, при определении нужной вам конфигурации подшипника) нужно руководствоваться скорее собственным опытом в части того, как пластмасса "держит" нагрузки, и чего, собственно, вы пытаетесь достичь. Нужен обычный подшипник - делаете упор на восприятие радиальных нагрузок, нужен упорный подшипник - на восприятие осевых нагрузок, нужно нечто комбинированное - решаете по ситуации.

Поскольку наша цель - получить безлюфтовый механизм, никаких зазоров между шариками и обоймами не будет. Все каналы под тела качения, образованные обоймами, будут ровно 4.5мм диаметром.

Что касается сепаратора, здесь все немного сложнее.

С одной стороны, цель этого элемента - удержание тел качения (шариков, роликов, кусков гвоздей) в нужном нам положении, а в случае с шариками - на нужном расстоянии друг от друга вдоль всего периметра канала в обойме. При этом, сепаратор не должен создавать сопротивления вращению тел качения, и вообще не мешать конструкции вращаться. С этой целью выбраны величины зазора между обоймой и телом сепаратора - 0.4мм, и, местами, 0.8мм. А также зазор между поверхностью шарика и внутренней полостью под шарик в самом сепараторе - 0.15мм (на разрезе этот размер показать невозможно, держим параметр в уме, он пригодится ниже). Эти размеры установлены опытным путем, и подходят именно для шариков диаметра 4.5мм.

Черчение и проектирование

Понимаю, что некоторые моменты будут похожи на инструкцию по рисованию совы, однако совсем тривиальные действия я буду опускать. Все материалы (чертежи, модели) можно скачать по ссылке на мой github.

Для работы буду использовать AutoCAD, в том числе потому, что здесь важно показать набор стандартных операций над телами, которые вы наверняка сможете реализовать в любой другой CAD системе (навроде Компаса или Fusion 360). В случае с AutoCad, все операции я буду дублировать консольной командой (не нашли пиктограмму - вписали команду в консоль и вуаля). Также настоятельно рекомендую включить в режимах черчения "полярное отслеживание" вместо "орто-режима" (если оно не включено по умолчанию).

Чертим разрез - по размерам, показанным выше. Чертим на плоскости XOY - обычно это плоскость задана по умолчанию. При желании, корректируем размеры на свое усмотрение.

Далее, установим наш разрез в требуемое положение, а именно - вертикально (XOZ / YOZ).

Теперь у нас есть набор исходных двумерных объектов для работы. Решаем, где будет проходить ось подшипника (от этого будет зависеть его диаметр), и используем команду из вкладки "Моделирование" - "Вращать" (ВРАЩАТЬ / _REVOLVE). Команда берет выделенные объекты, и если они замкнуты - создает из них твердотельные тела (solid), вращая исходный контур относительно указанной оси. Исходные контуры удаляются.

Вращая наши контуры на 360 градусов (параметр по умолчанию), получаем все 4 обоймы и 2 сепаратора. И если с обоймами все относительно ясно (уши под болты приделаем чуть позже), то в сепараторе не хватает пустот под тела качения. Сделаем их!

Пустоты в сепараторе

Чуть выше мы решили, что зазор между стенками шариков d=4.5мм и стенками пустого объема под них должен быть 0.15мм. Двойной зазор - 0.3мм. Фактически, пустота определяется сферой диаметром 4.5+0.3=4.8мм. Если разместить такие сферы вдоль периметра сепаратора с некоторым шагом, а затем исключить их из него, получится ровно то, что нужно.

Сепараторов у нас два, так что все описанное ниже делаем два раза.

Сначала создадим сферу d=4.8мм в центре круга, обозначающего тело качения на разрезе. Стандартные солиды можно создавать, используя команды вкладки "Моделирование", и здесь нам поможет команда "Сфера" (ШАР / _SPHERE).

Для размещения тел по окружности сепаратора воспользуемся командой "Круговой массив" (МАССИВКРУГ / _ARRAYPOLAR). В качестве центра массива используем ось подшипника. По умолчанию команда создаст 6 сфер, распределив их равномерно через 60 градусов, но сколько нужно нам? В общем случае, количество тел качения влияет на нагрузку, которую подшипник способен воспринимать, но о нагрузке нам ничего не известно. Поэтому поступим так: разместим максимальное количество шариков вдоль периметра сепаратора, бок к боку, а затем уменьшим это число примерно в два раза. Для подшипника с внутренним диаметром 80мм и наружным 100мм это примерно по 32 шарика на каждый сепаратор. После "размножения" тел качения разобьем наш массив на отдельные сферы командой "расчленить" (РАСЧЛЕНИТЬ / _EXPLODE). Название командам придумывал латентный Декстер, хаха.

Дело осталось за малым. Вычитаем все сферы из сепаратора командой "Тело, Вычитание" (ВЫЧИТАНИЕ / _SUBTRACT). Получаем искомую деталь.

Ушки под болты

Осталось надежно скрепить все четыре обоймы между собой при помощи болтов. В данном случае я применил 16 болтов м2х12 (DIN912), по 8 внутри и снаружи периметра. Ушки, в которые эти болты вкручиваются - тривиальная задача, поэтому упомяну пару моментов.

начала чертим одно ухо как нам нравится, но так, чтобы оно поместилось в сектор 360/N, где N - их количество (при N=8 это 45 градусов). Затем можно превратить ухо в 3D-тело, воспользовавшись командой "Выдавить" (ВЫДАВИТЬ / _EXTRUDE). Копирование вкруг одного такого "изделия" выполняем при помощи команды "Круговой массив", описанной выше. Надо предумотреть отверстия под болт? - действуем как в случае с сепаратором: создаем цилиндрик, вычитаем из созданного объема. Присоединяем полученные 3D-тела к обоймам командой "Тело, объединение" (ОБЪЕДИНЕНИЕ / _UNION).

Вкручивать болты можно по-разному, но в самом простом варианте это можно сделать прямо в пластик. При этом плотная посадка болта M2 обеспечивается при диаметре отверстия 1.7мм. В сложных случаях можно предвариательно нарезать резьбу метчиком (ручным или гаечным, он длиннее), а на конце отверстия под болт оставить место под пару гаек или латунную термопластичную гайку.

Неразборные соединения

Некоторые детали можно соединять намертво, например цианоакрилатным клеем (суперклеем). Однако в таком случае важно предусмотреть меры для поддержания соосности соединяемых деталей.

В нашем случае обоймы 1B/2B по сути представляют собой единую деталь, которую можно (и нужно) сделать неразборной, соединив на клей. Обоймы 1A/2A зажимают сепараторы с шариками, и вот их лучше оставить разборными, соединив на болты.

На приведенном ниже разрезе показан именно такой вариант. Первыми склеиваем 1B/2B, затем промазываем пути тел качения консистентной смазкой и устанавливаем сепараторы. Смазываем пути в деталях 1A/2A и соединяем их, стягивая болтами М2х12.

Варианты размещения оси подшипника

Не будет лишним упомянуть, что разрез, показанный выше, допускает размещение оси подшипника как слева, так и справа (относительно обойм на разрезе). Другими словами, каждая из обойм может быть размещена как снаружи, так и внутри периметра подшипника. Что нам это дает? Выше мы видели, что одну из обойм (B) можно собрать на неразъемное клеевое соединение, а другую (A) - на разъемное болтовое. При этом болтовое соединение с ушками можно разместить там, где оно не будет мешать прочей конструкции - снаружи или внутри периметра подшипника.

Печать деталей

Детали четырех обойм подшипника печатаем "как есть". Особых требований к диаметру сопла нет, 0.4 / 0.3мм подходит. Температура при печати PETG - 230-240 град., стола - 70-80. Сепараторы печатать лучше с использованием каймы или юбки.

С сепараторами сложнее. Да, их по-прежнему можно напечатать диаметром сопла 0.4, но лучше взять 0.3 - боли будет меньше. Очень важно отладить ретракты, иначе детали покроются "волосней". Я этого конечно же не сделал, поэтому результат на фото. Шарикам этот мех почти не мешает, но можно обдуть паяльным феном (без фанатизма).

Помимо прочего, в слайсере Cura есть два параметра, которые могут помочь в задаче сопряжения деталей. Это Horizontal Expansion и Hole Horizontal Expansion. Как следует из названия, оба параметра отвечают за степень горизонтального расширения контуров детали при печати. При этом "hole" параметр отвечает только за отверстия, а вот первый (общего характера) - как за наружные контуры, так и за отверстия (они способны компенсировать друг друга). Поэкспериментируйте с ними на примере простых деталей, поскольку иногда это единственный способ соединить что-то друг с другом плотно, не переделывая исходную 3D-модель.

Кстати, в нашем случае Horizontal Expansion для обойм будет ровно 0, а для сепараторов -0.1 (минус 0.1). Просто чтобы обеспечить плотный зажим тел качения в обоймах, при этом скомпенсировав "разбухание" сепаратора при печати.

Сборка

Проверяем детали на огрехи печати, срезаем лишнее. Вставляем шарики в сепаратор - они должны легко защелкиваться и держаться внутри. Соединяем обоймы, не забывая промазать все пути консистентной смазкой навроде зеленой жижи для УШМ, можно добавить щепотку WD-40 для аромата. Вуаля!

Сначала подшипник будет вращаться хоть и без люфтов, но не слишком свободно. После некоторой обкатки все станет сильно лучше.

Ниже показаны два варианта подшипника: белый, где обе обоймы скреплены болтами, и серый, где внешняя обойма 1B/2B соединена на суперклей. Размерами они не отличаются.

Двойной сепаратор

Иногда возникают задачи, когда подшипник должен быть сильно широкий (упорный), или высокий цилиндрический (радиальный), и важно обеспечить максимально равномерное распределение нагрузки по обоймам. В этом случае помогут двойные сепараторы.

Важно помнить, что наилучший способ расположения тел качения в таких случаях - в шахматном порядке. С одной стороны, это позволяет избежать слишком слабых участков в конструкции, а с другой - упростить монтаж, поскольку сепаратор становится более гибким.

Файлы проекта (формата .dwg и .stl) - github. Всем спасибо за внимание и успехов в работе!