Всем хороши современные способы аддитивной печати — они позволяют создавать произвольной формы объекты с помощью компактного 3D-принтера даже просто на дому.
И если посмотреть на выдачу практически любого маркетплейса, то нетрудно понять, что достаточно большое количество людей погрузилось в эту область, производя своими скромными силами даже сложные инженерные изделия, требующие сборки из отдельных компонентов.
Любой, кто сталкивался с вопросом создания инженерных деталей, знает, что неизбежно придётся столкнуться и с вопросом крепления компонентов между собой, и вопрос этот не так прост, как может показаться на первый взгляд: казалось бы, «соединяй болтами/винтами/шурупами и сиди радуйся»! :-D
Однако нет, не тут-то было: мне приходилось видеть в своё время усреднённую статистику по разным видам производств, которая однозначно говорит о том, что установка крепежа занимает вплоть до 70% времени от сборки изделия! О_о
Таким образом, здесь имеется серьёзный потенциал для улучшений, что мы и рассмотрим в статье ниже…
Честно говоря, я склонен согласиться с официальными данными (ссылку на них, к сожалению, не приведу, ввиду давности лет, когда я это видел), так как ещё свежи воспоминания, как много лет назад я купил свой первый 3D-принтер в виде набора для сборки, при взгляде на который складывалось впечатление, что «там всего лишь 3,5 болта — чего тут собирать-то»! В итоге: на сборку я убил два полных вечера, то есть суммарно часов 14! :-D
И как тут не вспомнить, что есть такая интересная дисциплина, которая называется «Проектирование Для Производства и Сборки» (Design For Manufacture and Assembly — DFMA), которая и даёт ответ, почему так происходит: когда мы думаем о процессе сборки, мы ведь у себя в голове акцентируемся, по сути, на простом акте соединения с помощью болта/винта/шурупа, совершенно упуская из виду, что само осуществление такого акта сопровождается множеством сопутствующих операций: взять детали, сложить друг с другом (а они ещё всё время будут норовить вываливаться из рук), вставить крепёжный элемент, совместить его с резьбой, совместить отвёртку с крепёжным элементом, закрутить крепёжный элемент со строго определённым моментом и т. д. и т. п.
А если ещё требуется использовать болты/винты, которые должны соединяться с гайкой, то там вообще беда… ну, вы понимаете… в итоге и получается, что мы думаем только о финальном акте, однако работы там реально намного больше…
Кстати говоря, я бы здесь отметил ещё и такой интересный момент, что, по большому счёту, когда вы делаете что-то для себя, не сильно важно, сколько времени займёт сборка, так как главное для вас, скорее, не время, а конечный результат.
Однако всё кардинально меняется, если перед вами стоит цель изготовить серийное изделие на продажу — в этом случае то, насколько вы сможете сократить временные издержки на сборку, это фактически ваши деньги, так как это время вы сможете направить на что-то другое, более полезное…
Частенько производители разрубают этот «Гордиев узел» кардинально: просто продают своё изделие в разобранном виде, а сколько займёт сборка у пользователя — «его проблемы». :-D
Тем не менее, такой подход не всегда возможен, так как сложные изделия (особенно содержащие электронные компоненты, которые должны быть соединены в строго определённом порядке и образом) желательно не перекладывать на пользователя, так как результат может быть плачевным, а это — возвраты и негатив…
Таким образом, хотим мы этого или нет, в любом случае при создании сложных изделий нам придётся столкнуться с выбором оптимальных решений для сборки…
К тому же это могут позитивно оценить и люди, если будут знать, что достаточно всего лишь нескольких телодвижений, чтобы соединить всё вместе (если сборку всё же решите переложить на пользователя).
То есть, если привести некоторое резюме сказанному, то можно сказать, что в общем случае нужно стремиться к минимизации крепежей, для чего человечеством к данному моменту наработано достаточно большое количество подходов.
Например, вот здесь есть любопытный практический анализ конкретного примера, который показывает, как всего лишь отказом от крепежей и переходом на защёлки удалось сократить время на сборку в три раза!
Тем не менее, если вы всё же решите использовать крепёж, то вот здесь есть любопытный калькулятор — нет, он не вычисляет затраты времени на крепёж, но он позволяет его подобрать оптимальным образом ;-)
Думая о средствах облегчения сборки, например, об упомянутых выше защёлках, естественным будет, что первой пришедшей мыслью будет «нет ли некоего модуля, подключаемого к наиболее широко распространённым CAD-ам», — где после изучения существующей ситуации придёт понимание, что никакого общего модуля* для многих CAD-ов нет, несмотря на существование определённых видов для отдельных сред.
*Некоторые могут подумать «ну естественно нет, откуда же ему быть!» :-), поэтому поясню: в своей практике мне многократно приходилось сталкиваться с разнообразными внешними модулями, каждый из которых работает с большим количеством CAD-ов и решает какую-то из конкретных задач, например, создание зубчатых передач, с экспортом в ряд форматов.
Тем не менее, в ходе анализа мне удалось выяснить, что чего-то подобного для создания крепежей нет, — вместо этого ряд стандартных решений встроен в сами среды, например, те же самые простые защёлки.
Кстати, о защёлках: подобного типа соединения используются человечеством тысячи лет, где одними из старейших считаются изображения защёлкивающихся соединений на солдатах терракотовой армии Древнего Китая.
Несмотря на множество способов применения, защёлки могут быть разделены всего лишь на 3 типа:
Консольная — соединение происходит за счёт упругого изгиба и возвращения формы упругой балки:
Торсионная — внешне выглядит почти так же, и существует два подвида:
происходит упругое скручивание оси, которая прокручивается под воздействием усилия на балку:
проворачивание всей балки на стержне, а сама балка при этом покачивается как качели:
Кольцевая — подобные конструкции используются зачастую для соединения между собой круглых или эллиптических деталей, где выступы одной детали несколько деформируются и входят в зацеп с выемками другой детали — такую конструкцию вы могли видеть многократно на банках разного рода. Таким образом, фактически наблюдаются расширение и сжатие окружностей:
Для примера, в видео ниже можно видеть, как делаются стандартные консольные защёлки с изгибом балки в среде SolidWorks:
Глядя на эти стандартные виды соединений, никак не отпускает мысль, что «бедноват как-то, однако, инженерный наборчик»! :-)
Причём все эти защёлки имеют такую форму и часто воспроизводятся промышленно из-за простоты производства промышленными методами.
Однако, если мы говорим о 3D-печати, то понятно, что в её рамках возможно изготовление даже весьма замысловатых деталей, в связи с чем просто нельзя не вспомнить, на мой взгляд, один из великолепных примеров работы с подобными сложной формы деталями с целью соединения их друг с другом — древнее японское искусство столярной обработки «Сашимоно» (Sashimono), которое предполагает изготовление весьма хитроумных пазов и выступов, а также использование шпилек разной формы для соединения деталей между собой, без каких-либо гвоздей, болтов, винтов, шурупов:
На эту тему существует, на мой взгляд, просто великолепный проект, на котором выложено большое количество классических японских типов соединений:
Где, кликнув на любое соединение, можно попасть на страничку, где выложена анимация, как осуществляется это соединение, а также доступна 3D-модель для скачивания! Великолепно:
Глядя на все эти типы соединений, невольно возникает желание сконструировать и своё собственное, собственной конструкции! ;-) Тем более что мы, в отличие от древних мастеров, имеем довольно мало ограничений — среда любого современного CAD-а легко позволяет спроектировать даже весьма хитроумные стыки, а 3D-печать осуществить их на практике, без приложения усилий! Красота? Красота!
Было бы странно ожидать, что подобные типа соединений развивались только в Японии — хотя нельзя и не отметить, что соединения японского типа это какой-то особый тип инженерного искусства :-), так как в остальном мире всё как-то намного проще. Например, некоторое количество видов соединений можно найти вот здесь, в области столярного дела, что довольно познавательно…
Если этого будет недостаточно, то можно обратиться к любой книге по столярному делу, где разбирается множество видов соединений, с подробным описанием размерностей и почему именно такого профиля, а не другого. Например, в той же книге Л.Н.Крейндлина — «Столярные работы» (но до японских соединений, конечно, далеко :-D):
Вообще говоря, есть отдельная дисциплина — «детали машин», в рамках которой студенты рассматривают такие темы, как «разъёмные соединения» и «неразъёмные соединения», где для нас, в теории, была бы интересна первая тема (вторая — это сварка и т. д., что для нас не особо подходит).
Так как мне самому постоянно приходится иметь дело с 3D-печатью и практически в непрерывном режиме приходится ломать голову над тем, как именно спроектировать детали, чтобы они соединялись оптимальным образом, то, ради интереса, я ознакомился с первой темой.
Сразу скажу, что она мне не показалась особо интересной, так как содержит весьма ограниченное количество способов соединений, впрочем, некоторые не грех привести даже здесь (я специально исключил из перечисления ниже болтовые соединения, в частности, клеммовое, — специально, чтобы уйти от крепёжных деталей по максимуму):
Шпоночное соединение:
Используется в основном для соединения валов — как мы видим, здесь овальной формы вкладыш вставляется в одну часть вала и, при надевании на этот вал стакана другой части вала, входит в его продольный проём.
Шлицевое соединение:
Практически то же самое, что и предыдущий вариант, только соединение валов происходит не с помощью третьего вставного элемента — «шпонки», а с помощью «шлицов» — специальных выступов, выполненных единым целым с одной из частей вала и имеющих ответные части в другой части вала.
Штифтовое соединение:
Здесь мы видим, что две детали соединяются между собой с помощью «штифта» — специального стержня, плотно входящего в две детали и фиксирующего их относительно друг друга.
Таким образом, учитывая, что мы имеем дело с 3D-печатью, и показанные выше круглого сечения валы не обязательно должны быть круглыми (и не обязательно валами! :-D), — являясь, например, корпусными деталями, — то, комбинируя все приёмы выше (не только из дисциплины «детали машин»), можно добиваться довольно интересных соединений… Что, впрочем, как раз и демонстрирует японская традиция соединения деталей…
Кстати, о японской традиции: в ходе довольно упорных поисков в сети мне удалось наткнуться на любопытный сайт, который, к сожалению, на данный момент находится только на стадии разработки, однако уже сейчас вызывает живой интерес — причиной которого является то, что на этом сайте собираются выложить наработки множества японских мастеров, с их собственными, авторскими способами соединения деталей между собой. Думаю, имеет смысл поглядывать за его развитием, так как это должно быть весьма интересно! ;-)
Подытоживая весь этот рассказ, можно сказать, что изготовление инженерных деталей оптимальным, технологичным образом (где под словом «технологичным» подразумевается простота и дешевизна производства, одновременно с удобством и простотой сборки для пользователя) представляет собой весьма комплексную задачу, не побоюсь даже этого слова, творческую, где придётся комбинировать множество подходов, в том числе, возможно, задействуя и нестандартные методы.
Тем не менее, знание стандартных подходов, например, из области той же самой дисциплины «детали машин», а также из столярного дела, вполне может помочь в этом нелёгком деле (на мой взгляд), где при этом использование параллельно нестандартных технологий производства (той же самой 3D-печати*) максимально расширяет возможности, позволяя отойти от сугубо промышленных подходов, вынужденно применяемых из-за методов производства с помощью литья (тех же самых вездесущих защёлок, как пример).
*Поясню, что я тут имею в виду: большинство начинаний стартует с уровня небольших бизнесов, где применение той же самой 3D-печати вполне обоснованно (дёшево, быстро); а появление фотополимерной печати, где за одно и то же время может быть произведено на печатном столе множество деталей, существенно расширяет возможности.
Таким образом (и это можно видеть даже как факт по тем же маркетплейсам), в данный момент методы производства вовсе не ограничены вынужденно только литьём — множество людей производят детали и даже сложные сборки только и исключительно 3D-печатью, что, соответственно, позволяет применять и очень широкий инструментарий соединения деталей между собой…
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
