Обеспечение размерной точности в 3D-печатных деталях

Введение

Цель этой статьи — дать инженерам и дизайнерам методику для сравнения ожидаемой размерной точности, достижимой различными технологиями 3D-печати. У всех технологий есть сильные и слабые стороны, но два главных фактора, определяющих, попадет ли деталь в спецификации:

Проектирование — Точность напечатанной детали сильно зависит от дизайна. Различия в охлаждении и отверждении приводят к внутренним напряжениям, вызывающим искривление или усадку. 3D-печать не подходит для плоских поверхностей или длинных тонких неподдерживаемых элементов. Точность снижается с ростом размеров детали. Конкретные рекомендации по проектированию для каждой технологии даны в Главе 5 Базы знаний.

Материалы — Как и дизайн, точность зависит от материала. Часто точность жертвуют ради улучшения конкретного свойства. Например, стандартная SLA-смола дает более точные детали, чем гибкая смола. Для деталей, где критична точность, рекомендуются стандартные материалы.

Переменные точности

Для количественной оценки точности 3D-печатной детали используются следующие параметры:

• Размерная точность — количественные значения от производителей станков и поставщиков материалов, указывающие ожидаемую точность деталей. Все допуски даны для хорошо спроектированных деталей на хорошо откалиброванных машинах.
• Искривление или усадка — вероятность того, что деталь искривится или усядет во время печати. Сильно зависит от дизайна, но некоторые процессы по своей природе более подвержены этим явлениям.
• Потребность в опорах — для многих технологий объем используемых опор определяет, насколько точно напечатается поверхность или элемент. Недостаток: опоры влияют на шероховатость поверхности, так как их нужно удалять.

Информацию о минимальном размере элементов и деталях, которые может достичь каждая технология, см. здесь. Влияние высоты слоя на 3D-печатную деталь обсуждается в этой статье.

FDM

Моделирование расплавлением (FDM) лучше всего подходит для дешевого прототипирования, где форма и посадка важнее функции. FDM строит детали слой за слоем, выдавливая термопласт на строительную платформу.

Для больших деталей это приводит к большим перепадам температур по платформе. Разные участки остывают с разной скоростью, внутренние напряжения деформируют печать, вызывая искривление или усадку. Решения: печатать со дном (raft), использовать подогреваемый стол, делать скругления на острых углах и краях — все это помогает снизить проблему.

Разные материалы по-разному склонны к искривлению. Например, ABS более подвержен искривлению, чем PLA.

Размерной допуск	± 0.5% (нижний предел: ± 0.5 мм) — настольные ± 0.15% (нижний предел: ± 0.2 мм) — промышленные
Усадка/искривление	Термопласты с более высокой температурой печати более податливы. Рекомендуется добавлять радиус на нижний край, контактирующий со столом, или приплюснутый край (brim). Усадка обычно 0.2–1% в зависимости от материала.
Потребность в опорах	Необходимы для точной детали. Требуются для свесов более 45°.

SLA

SLA-принтеры (стереолитография) используют лазер для УФ-отверждения конкретных участков бака с смолой, формируя твердую деталь поперечным сечением за раз. Эти отвержденные участки не имеют полной прочности до постобработки УФ. Из-за этого и угла/ориентации, под которой обычно печатают SLA-детали, может происходить провисание неподдерживаемых пролетов.

Поскольку слои нарастают один за другим, этот эффект накапливается, приводя к размерным расхождениям, иногда видимым в высоких SLA-деталях. Размерные расхождения также могут возникать из-за процесса отделения (peeling), используемого некоторыми SLA-принтерами. Сила оттягивания при отделении может загнуть мягкую деталь, что снова накапливается со слоями.

Смолы с более высокими изгибными свойствами (менее жесткие) более подвержены искривлению и могут не подходить для высокоточных приложений.

Размерной допуск	± 0.5% (нижний предел: ± 0.10 мм) — настольные ± 0.15% (нижний предел: ± 0.01 мм) — промышленные
Усадка/искривление	Вероятно для неподдерживаемых пролетов.
Потребность в опорах	Необходимы для точной детали.

SLS

Селективное лазерное спекание (SLS) производит детали с высокой точностью и может печатать конструкции со сложной геометрией. Лазер селективно спектует порошок слой за слоем, образуя твердую деталь.

Для ограничения риска искривления или усадки при печати SLS-принтеры используют подогреваемые камеры сборки, нагревающие порошок до чуть ниже температуры спекания. Тем не менее, в больших SLS-деталях все равно возникают температурные градиенты: низ детали остывает, пока недавно напечатанные верхние слои остаются при высокой температуре. Для дальнейшего снижения риска искривления детали оставляют в порошке на медленное остывание (часто 50% от общего времени сборки).

Размерной допуск	± 0.3% (нижний предел: ± 0.3 мм)
Усадка/искривление	Усадка обычно 2–3%, однако большинство провайдеров SLS-печати учитывают это в дизайне.
Потребность в опорах	Не требуются.

Material Jetting

Material Jetting считается наиболее точной формой 3D-печати. Поскольку в процессе печати нет тепла, искривление и усадка практически не происходят.

Большинство проблем с размерной точностью связаны с элементами и тонкими стенками, напечатанными ниже спецификаций принтера. Material Jetting печатает опоры в виде сплошной структуры из мягкого второстепенного материала, который удаляется после печати. Сплошная природа опор приводит к тому, что поверхности в контакте с опорами печатаются с высокой точностью. Нужно аккуратно обращаться с деталями из Material Jetting: они могут искривляться и менять размеры под воздействием окружающего тепла, влаги или солнечного света.

Размерной допуск	± 0.1% (нижний предел: ± 0.05 мм)
Усадка/искривление	Не проблема для Material Jetting.
Потребность в опорах	Необходимы для точной детали.

Металлическая 3D-печать

Металлическая печать (в частности DMLS и SLM) использует лазер для селективного спекания или плавления металлического порошка для производства металлических деталей. Как и SLS, металлическая печать строит детали слой за слоем в контролируемой нагретой среде на промышленных станках. Эта слой-за-слоем конструкция в сочетании с очень высокими температурами процесса создает экстремальные термические градиенты, и чистый эффект — напряжения закладываются в деталь.

В результате металлические напечатанные детали находятся под высоким риском деформации или искривления, поэтому грамотные практики проектирования и ориентация детали критичны для достижения точности. В отличие от SLS, поддерживающие структуры жизненно важны для минимизации деформации детали во время производства. Детали обычно строятся на сплошной металлической пластине и их нужно удалять после завершения печати. Требуется глубокое понимание процесса вместе с твердыми и решетчатыми опорами, чтобы держать деталь надежно на платформе и предотвратить ее отachement. Большинство деталей также снимают остаточные напряжения (термической обработкой) после сборки и до снятия с платформы (это позволяет кристаллической структуре расслабиться, предотвращая отказ позже).

Поскольку стоимость металлических 3D-печатных деталей высока, симуляции часто используют для валидации точности дизайна перед запуском печати.

Размерной допуск	± 0.1 мм
Усадка/искривление	Детали под высоким риском усадки или искривления. Армирование и опоры используются для снижения вероятности.
Потребность в опорах	Необходимы для точной детали.

Правила выбора

• Для максимальной точности (и когда бюджет не ограничен) Material Jetting — оптимальное решение.
• Для высокой точности SLA рекомендуется для деталей меньше 1000 см³ (10 × 10 × 10 см), а SLS — для деталей с габаритами больше 1000 см³.
• Для быстрого, экономичного прототипирования FDM — лучшее решение.