Точность размеров деталей, напечатанных на 3D-принтере

Введение

Цель этой статьи — предоставить инженерам и дизайнерам метод сравнения ожидаемой точности размеров, которую можно получить с помощью технологий 3D-печати. Хотя у всех технологий есть сильные и слабые стороны, есть два наиболее важных фактора, влияющих на то, будет ли деталь напечатана в соответствии со спецификациями:

Дизайн - Точность напечатанной детали сильно зависит от конструкции. Изменения в охлаждении и отверждении приводят к внутренним напряжениям, которые могут привести к короблению или усадке. 3D-печать не подходит для плоских поверхностей или длинных тонких элементов без поддержки. Точность также будет снижаться по мере увеличения размеров деталей. Конкретные рекомендации по проектированию для каждой из технологий, обсуждаемых в этой статье, можно найти в главе 5 базы знаний.

Материалы - Как и дизайн, точность также зависит от материала. Часто точность детали приносится в жертву улучшению определенного свойства материала. Например, стандартная смола SLA позволяет производить детали с более точными размерами, чем гибкая смола. Для деталей, где важна высокая точность, рекомендуются стандартные печатные материалы.

Переменные точности

Для количественной оценки точности напечатанной на 3D-принтере детали будут использоваться следующие параметры.

• Точность размеров - количественные значения от производителей машин и поставщиков материалов, которые указывают ожидаемую точность деталей. Все заявленные допуски относятся к хорошо спроектированным деталям на хорошо откалиброванных станках.
  
• Деформация или сжатие - вероятность того, что деталь деформируется или сожмется на этапе печати. Это в значительной степени зависит от конструкции, однако в некоторых процессах производятся детали, которые по своей природе более подвержены риску деформации или усадки.
  
• Требования к поддержке - для многих технологий 3D-печати количество используемой поддержки будет определять, насколько точно будет напечатана поверхность или элемент. Недостатком этого является то, что опора влияет на чистоту поверхности детали, поскольку ее необходимо удалить.
  
  

Для получения информации о минимальном размере элемента и подробностях, которые может обеспечить каждая технология 3D-печати, см. здесь. В этой статье обсуждается влияние высоты слоя на напечатанную на 3D-принтере деталь.

FDM

Моделирование методом наплавления (FDM) лучше всего подходит для недорогого прототипирования, когда форма и посадка важнее, чем функциональность. FDM позволяет создавать детали послойно путем экструзии термопластика на рабочую пластину.

Для крупных деталей это может привести к большим колебаниям температуры на платформе сборки. Поскольку разные области детали охлаждаются с разной скоростью, внутренние напряжения вызывают деформацию отпечатка, что приводит к короблению или усадке. Решения, такие как печать плотов, подогреваемые кровати и закругления на острых краях и углах, могут помочь уменьшить это.

Материалы Differnet более склонны к деформации, чем другие. Например, известно, что ABS более подвержен деформации, чем PLA.

Допуск на размер	± 0,5% (нижний предел:± 0,5 мм) - настольный ± 0,15% (нижний предел:± 0,2 мм) - промышленный
Усадка/деформация	Термопластики, требующие более высокой температуры печати, подвергаются большему риску. Рекомендуется добавить радиус на нижний край, соприкасающийся с рабочей пластиной или краем. Усадка обычно составляет от 0,2 до 1 % в зависимости от материала.
Требования к поддержке	Важно для получения точной детали. Требуется для свесов более 45 o градусов.

Хотите узнать стоимость и варианты материалов для FDM?

Получить мгновенную сметуПросмотреть все материалы FDM

Соглашение об уровне обслуживания

Принтеры SLA (стереолитография) используют лазер для УФ-отверждения определенных областей резервуара для смолы, чтобы сформировать твердую деталь по одному поперечному сечению за раз. Однако эти вылеченные участки не достигают полной прочности до постобработки УФ-излучением. Из-за этого, а также из-за угла и ориентации, под которыми обычно печатаются детали SLA, может произойти провисание неподдерживаемых пролетов.

По мере того, как один слой создается за раз, этот эффект становится кумулятивным, что приводит к несоответствию размеров, иногда наблюдаемым в высоких деталях SLA. Несоответствие размеров также может возникать из-за процесса отслаивания, используемого в некоторых SLA-принтерах. Тяговое усилие в процессе отслаивания может привести к изгибу мягкого отпечатка, который снова может накапливаться по мере наращивания каждого слоя.

Полимеры с более высокими свойствами на изгиб (менее жесткими) подвержены большему риску деформации и могут не подходить для высокоточных приложений.

Допуск на размер	± 0,5% (нижний предел:± 0,10 мм) - настольный ± 0,15% (нижний предел:± 0,01 мм) - промышленный
Усадка/деформация	Вероятно, для неподдерживаемых интервалов.
Требования к поддержке	Необходим для получения точной детали.

Хотите узнать стоимость и доступные варианты материалов для 3D-печати SLA?

Получить мгновенную сметуПросмотреть все материалы SLA

SLS

Селективное лазерное спекание (SLS) позволяет производить детали с высокой точностью и печатать конструкции со сложной геометрией. Лазер выборочно спекает порошок по одному слою за раз, чтобы сформировать твердую деталь.

Чтобы ограничить вероятность коробления или усадки деталей во время печати, в SLS-принтерах используются камеры печати с подогревом, в которых порошок нагревается до температуры чуть ниже температуры спекания. Однако это по-прежнему приводит к температурным градиентам в больших деталях SLS, где нижняя часть детали охлаждается, а недавно напечатанные верхние слои остаются при повышенной температуре. Для дальнейшего снижения вероятности возникновения деформации детали оставляют в порошке для медленного охлаждения (часто в течение 50 % от общего времени сборки).

Допуск на размер	± 0,3% (нижний предел:± 0,3 мм)
Усадка/деформация	Усадка обычно составляет 2–3%, однако большинство поставщиков SLS-печати допускают это в дизайне.
Требования к поддержке	Не требуется.

Хотите узнать стоимость и доступные варианты материалов для 3D-печати SLS?

Получить мгновенную сметуПросмотреть все материалы SLS

Распыление материала

Распыление материала считается наиболее точной формой 3D-печати. Поскольку в процессе печати не используется тепло, коробление и усадка возникают редко.

Большинство проблем с точностью размеров связаны с элементами и тонкими стенками, которые печатаются ниже спецификаций принтера. Материал струйной печати поддерживает как твердую структуру из мягкого вторичного материала, который удаляется после печати. Твердая природа подложки приводит к тому, что поверхности, контактирующие с подложкой, печатаются с высокой точностью. Следует соблюдать осторожность при обращении с деталями, изготовленными с помощью струйной обработки материалов, поскольку они могут деформироваться и изменяться в размерах в результате воздействия тепла, влажности или солнечного света.

Допуск на размер	± 0,1% (нижний предел:± 0,05 мм)
Усадка/деформация	Не проблема для струйной обработки материала.
Требования к поддержке	Необходим для получения точной детали.

3D-печать металлом

Печать металлом (в частности, DMLS и SLM) использует лазер для выборочного спекания или расплавления металлического порошка для производства металлических деталей. Подобно SLS, металлическая печать производит детали по одному слою за раз в контролируемой, нагретой среде на машинах промышленного размера. Эта послойная конструкция в сочетании с очень высокими температурами, используемыми в процессе, создает экстремальные температурные градиенты, в результате чего в детали накапливаются напряжения.

В результате металлические печатные детали подвержены высокому риску деформации или деформации, а это означает, что для получения точной детали решающее значение имеют хорошие методы проектирования и ориентация детали. В отличие от SLS, опорные конструкции жизненно важны для минимизации деформации детали во время производства. Детали также обычно строятся на цельной металлической пластине, и их необходимо снимать после завершения процесса печати. Требуется четкое понимание процесса, а также твердые и решетчатые опорные конструкции, чтобы надежно прикрепить деталь к печатной платформе и предотвратить ее отсоединение. С большинства деталей также снимается напряжение (посредством процесса термообработки) после их сборки и перед снятием с рабочей пластины (это позволяет кристаллической структуре расслабиться, предотвращая отказ в дальнейшем).

Поскольку стоимость металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, высока, моделирование часто используется для проверки точности конструкции перед началом задания на печать.

Допуск на размер	± 0,1 мм
Усадка/деформация	Детали с высоким риском усадки или деформации. Для снижения вероятности этого используются распорки и поддержка.
Требования к поддержке	Необходим для получения точной детали.

Хотите узнать стоимость и доступные варианты материалов для 3D-печати металлом?

Получить мгновенную сметуПосмотреть все материалы для 3D-печати металлом

Практические правила

• Для максимальной точности (и когда бюджет не является ограничением) оптимальным решением является струйная обработка материалов.
  
• Для обеспечения высокой точности SLA рекомендуется для деталей размером менее 1000 см ³ . (10 x 10 x 10 см) и SLS для деталей размером более 1000 см ³ (10 х 10 х 10 см).
  
• Быстрое и экономичное прототипирование FDM — лучшее решение.