Genauigkeit, Präzision und Toleranz im 3D-Druck

Nur weil Ihr 3D-Drucker eine hohe „Auflösung“ hat, bedeutet das noch nicht, dass Ihre Teile genau oder präzise werden.

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Genauigkeit, Präzision und Toleranz erklärt von Dr. Zieringer

Es ist unerlässlich, die Begriffe Genauigkeit, Präzision und Toleranz korrekt zu verstehen, um eine gute 3D-Druckleistung bei allen Anwendungen zu erzielen. In diesem Artikel untersuchen wir die Bedeutung dieser Termini und wie sie im Kontext des 3D-Drucks zu bewerten sind.

Haben Sie gemerkt, dass wir Auflösung in Anführungszeichen gesetzt haben? Auflösung an sich ist ein kompliziertes Konzept. Erfahren Sie mehr über die minimale Merkmalgröße, XY-Auflösung und Z-Auflösung.

Genauigkeit, Präzision und Toleranz definieren

Beginnen wir mit den Definitionen: Was ist der Unterschied zwischen Genauigkeit, Präzision und Toleranz? Für jedes Beispiel verwenden wir eine Zielscheibe – ein häufiges Mittel, um diese Konzepte zu veranschaulichen.

Genauigkeit

Genauigkeit gibt an, wie nah eine Messung am wahren Wert liegt. Bei unserem Beispiel ist der wahre Wert die Mitte der Zielscheibe. Je näher Sie an die Mitte der Zielscheibe kommen, desto genauer ist Ihr Treffer. Beim 3D-Druck entspricht der wahre Wert den Abmessungen, die Sie in CAD festgelegt haben. Wie genau entspricht der 3D-Druck dem digitalen Design?

Präzision

Präzision gibt die Wiederholbarkeit einer Messung an – wie nahe liegen Ihre Treffer auf der Zielscheibe beieinander? Präzision misst nur diese Übereinstimmung; Ihre Schüsse können jedes Mal dieselbe Stelle treffen, aber diese Stelle muss nicht die Mitte der Zielscheibe sein. Im 3D-Druck bedeutet dies letztendlich Zuverlässigkeit. Können Sie sich darauf verlassen, dass Ihre Maschine die erwarteten Ergebnisse bei jedem Druck erzielt?

Vier Zielscheiben zeigen den Unterschied zwischen Genauigkeit und Präzision.

Grundsätzlich misst die „Präzision“ in der Technik die Wiederholbarkeit. Beim Vergleich von 3D-Druckmaterialien kann sich die Bezeichnung „präzise“ auf Materialien beziehen, die sehr filigrane Geometrien drucken können. Zum Beispiel weisen Grey Pro Kunstharz und Rigid Kunstharz von Formlabs eine hohe Steifigkeit auf, wodurch dünne, filigrane Merkmale erfolgreich gedruckt werden können.

Toleranz

Wie präzise soll es genau sein? Das wird durch dieToleranz definiert, die wiederum von Ihnen definiert wird. Wie viel Spielraum haben Sie bei Ihrer Anwendung? Was ist eine akzeptable Abweichung bei der Nähe der einzelnen Messwerte in Sachen Präzision? Das hängt ganz von Ihrem Projekt ab. Eine Komponente mit einer dynamischen mechanischen Baugruppe erfordert engere Toleranzen als beispielsweise ein einfaches Kunststoffgehäuse.

Wenn Sie eine Toleranz definieren, wünschen Sie wahrscheinlich auch Genauigkeit. Nehmen wir also an, dass wir die Präzision der Schüsse auf die Mitte der Zielscheibe messen. Wir haben bereits die Treffer auf der Zielscheibe rechts als nicht präzise definiert.

Zwei Zielscheiben zeigen den Unterschied zwischen Genauigkeit und Präzision.

Wenn Ihr Toleranzbereich allerdings recht groß ist, ist es möglicherweise so in Ordnung. Die Treffer liegen nicht so nah beieinander wie auf der Zielscheibe links, doch wenn der Abstand von ±2,5 Ringen ein akzeptabler Präzisionsbereich ist, liegen sie innerhalb der Spezifikationen.

Allgemein bedeuten engere Toleranzen höhere Kosten bei der Fertigung und der Qualitätssicherung.

Genauigkeit und Präzision beim 3D-Druck

Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, die in Sachen Genauigkeit und Präzision beim 3D-Druck zu berücksichtigen sind. Es ist aber auch wichtig, Ihre individuellen Anforderungen zu identifizieren.

Beispielsweise ist ein präziser, aber ungenauer Drucker für einige Anwendungen möglicherweise die beste Wahl. Ein günstiger FDM-3D-Drucker (FDM = Fused Deposition Modeling) fertigt weniger genaue Teile, aber für einen Lehrenden, der Studenten in den 3D-Druck einführt, ist es unter Umständen nicht erforderlich, dass das Modell der CAD-Konstruktion des Studenten exakt entspricht.

Allerdings kann das Bewusstsein, dass der Drucker so gleichmäßig funktioniert wie versprochen und die erwartete Qualität innerhalb der Toleranzen, an die der Anwender gewöhnt ist, liefert, ein wichtiger Faktor bei einem erfolgreichen Kundenerlebnis sein.

Vergleichen Sie die FDM-, SLA- und SLS-3D-Drucktechnologien.

Nachfolgend drei wichtige Faktoren beim Bestimmen der Genauigkeit und Präzision eines 3D-Druckers:

3D-Drucktechnologie

3D-Druck ist ein additives Verfahren, d. h. Teile werden Schicht für Schicht aufgebaut. Jede Schicht bietet eine neue Gelegenheit für Ungenauigkeit, und das Verfahren, mit dem die Schicht aufgebaut wird, wirkt sich auf die Präzision oder Wiederholbarkeit der Genauigkeit der einzelnen Schichten aus. Beispielsweise werden beim FDM-3D-Druck Schichten mit einer Düse extrudiert, die nicht dieselbe Kontrolle und die Fertigungsmöglichkeiten von filigranen Details bietet wie andere Technologien.

Eine Detailaufnahme eines Teils aus einem FDM-3D-Drucker.
Da die Schichten extrudiert werden, weisen FDM-Teile möglicherweise Ungenauigkeiten im Bereich von komplexen Details auf. Dieses Muster mit lösbaren Stützstrukturen wurde mit einem Stratasys uPrint Industrie-FDM-3D-Drucker gedruckt.

Beim Stereolithographie (SLA) 3D-Druck, wird flüssiges Kunstharz durch einen hochpräzisen Laser gehärtet, um die einzelnen Schichten zu bilden. So können deutlich feinere Details erzielt werden und das Verfahren ist zudem zuverlässiger, wenn es um die Wiederholbarkeit von hochwertigen Ergebnissen geht. In ähnlicher Weise wird beim selektiven Lasersintern (SLS) die Genauigkeit eines Lasers genutzt, um Nylonpulver zu massiven Teilen zu verschmelzen.

Die Spezifikationen von 3D-Druckern geben nicht die endgültige Genauigkeit wieder. Eine häufige Fehlinterpretation der Genauigkeit von verschiedenen 3D-Drucktechnologien ist die Beschreibung der XY-Auflösung als Genauigkeit.

Bei Druckern mit Digital Light Processing (DLP) steht die XY-Auflösung für die projizierte Pixelgröße. Viele 3D-Drucksysteme nutzen diese projizierte Pixelgröße oder XY-Auflösung als den Gesamtgenauigkeitswert. So wird eine projizierte Pixelgröße von 75 Mikrometer mit einer Genauigkeit des Geräts von ±75 Mikrometer gleichgesetzt.

Diese Daten haben hinsichtlich der Genauigkeit eines Druckteils keine Aussagekraft. Es gibt viele Fehlerquellen, die ebenfalls eine Auswirkung auf die Genauigkeit haben. Sie reichen von den Bauteilen über die Kalibrierung bis hin zu Materialien und Nachhärten. Diese beiden Faktoren werden wir nun besprechen.

Letztlich ist die beste Methode zur Evaluierung eines 3D-Druckers das Untersuchen der echten Teile.

Materialien

Die Genauigkeit kann auch abhängig vom Material und dessen mechanischen Eigenschaften variieren, die ebenfalls beeinflussen können, wie leicht sich ein Druckteil verzieht.

Ein Lüfter, der mit Rigid Kunstharz von Formlabs gedruckt wurde
Der hohe E-Modul vor dem Nachhärten von Formlabs Rigid Kunstharz macht es möglich, sehr dünne Teile mit Präzision und geringerem Risiko eines Fehldrucks zu fertigen.

Wie bereits erwähnt, es hängt alles von Ihrer Anwendung ab. Bei zahnmedizinischen Anwendungen etwa ist Genauigkeit unerlässlich. Wenn Sie allerdings ein Konzeptmodell drucken, möchten Sie vielleicht einfach nur ein allgemeines Gefühl für das physische Produkt bekommen und Genauigkeit ist weniger wichtig.

Eine Studie zur Genauigkeit von Dental Model Kunstharz von Formlabs
Die Präparationsgrenzen, Stumpfoberflächen und Kontaktpunkte, die mit Formlabs Dental Model Kunstharz gedruckt wurden, weisen im Vergleich mit dem digitalen Modell eine Genauigkeit von ±35 Mikrometer über 80 Prozent der Oberflächenpunkte auf, wenn der Druck mit einer Einstellung von 25 Mikrometer erfolgt. Die globale Genauigkeit über einen vollständigen Zahnkranz liegt innerhalb von ±100 Mikrometer über 80 Prozent der Oberflächen (Druckeinstellung 25 oder 50 Mikrometer).

Nachbearbeitung

Oft müssen Teile nach dem 3D-Druck nachgehärtet werden, was zu Schrumpfen führt. Dies ist normal bei Teilen, die mit harzbasierter SLA- oder DLP-Technologie gefertigt werden, und muss abhängig vom Drucker möglicherweise bei der Konstruktion berücksichtigt werden. PreForm, die kostenlose Druckdatei-Vorbereitungssoftware von Formlabs, gleicht dieses Schrumpfen automatisch aus und stellt so sicher, dass nachgehärtete Teile verglichen mit den Original-CAD-Konstruktionen maßgenau sind.

Wie funktioniert das Nachhärten? Erfahren Sie mehr über die wissenschaftlichen Hintergründe dieses Verfahrens und lernen Sie wirksame Techniken kennen, mit denen Sie SLA-3D-Druckteile erfolgreich nachhärten können.

Ökosystem

Um einen erfolgreichen 3D-Druck zu erzielen, spielt aber nicht nur der Drucker selbst eine Rolle – der gesamte Prozess muss berücksichtigt werden.

Die Druckvorbereitungssoftware, die Materialien und die Nachhärtwerkzeuge können alle zum Endergebnis beitragen. Im Allgemeinen liefern integrierte Systeme, bei denen die einzelnen Bestandteile aufeinander abgestimmt sind, bessere Ergebnisse.

Tolerierung im 3D-Druck

Anders als beim Zerspanen, wo Teile nach und nachbearbeitet werden, um engere Toleranzen zu erzielen, gibt es im 3D-Druck einen einzigen automatisierten Fertigungsschritt. Während bei Verfahren wie dem CNC-Fräsen durch komplexe Oberflächen zusätzliche Kosten entstehen, ist Komplexität beim 3D-Druck praktisch kostenlos, wenngleich die Toleranzen eines Druckteils nicht über das Maß an Genauigkeit hinausgehen können, das der Drucker leisten kann. Für diesen Fall müssen wieder subtraktive Verfahren eingesetzt werden.

3D-Druck ist eine großartige Option, wenn es um grobe Komplexität wie Hinterschneidungen und komplexe Oberflächen geht, und Sie eine Oberflächenpräzision benötigen, die nicht über ±127 Mikrometer liegt (Standardbearbeitung). Toleranzen, die über die der Standardbearbeitung hinausgehen, müssen sowohl bei 3D-gedruckten Teilen als auch bei CNC-Teilen subtraktiv erzielt werden. Dies geschieht entweder durch Nachbearbeitung per Hand oder durch Zerspanen.

SLA weist die engsten Toleranzen der kommerziell verfügbaren 3D-Drucktechnologien auf. SLA 3D-Druck liegt hinsichtlich der Genauigkeit zwischen der Standardbearbeitung und der Feinbearbeitung.

Im Allgemeinen verfügen elastischere SLA-Materialien über einen breiteren Toleranzbereich als steifere Materialien. Beim spezifischen Drucken von Teilen für Baugruppen senkt die Konstruktion mit geeigneten Toleranzen und Passungen für kürzere Nachbearbeitungszeiten und einfachere Montage und reduziert die Materialkosten bei der Iteration. Unser Whitepaper “Passung und Toleranz: Design-Optimierung für funktionale 3D-gedruckte Bauteile” analysiert, wie Toleranzen und Passungen bei SLA-Materialien zu berücksichtigen sind und bietet Grafiken mit Daten für die Kunstharze Belastbar und Polypropylenähnlich von Formlabs.

Funktionelle 3D-gedruckte Baugruppen optimieren

Verschiedene 3D-Druckteile aus Technischen Kunstharzen von Formlabs

Erfahren Sie mehr über 3D-Drucker

Es gibt zahlreiche andere Eigenschaften, die bei der Bewertung von 3D-Druckern berücksichtigt werden müssen – müssen Ihre Teile isotropisch sein? Welche mechanischen Eigenschaften müssen Ihre Teile (und somit deren Materialien) aufweisen? Hierbei kann das Betrachten echter Druckteile sehr helfen. Fordern Sie von Formlabs einen kostenlosen Probedruck in einer der verschiedenen Materialausführungen an, um die Qualität von SLA-Druck mit eigenen Augen zu sehen.

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