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了解 3D 打印中的准确度、精度和公差

Precision, accuracy and tolerance - 3D printing

仅凭 3D 打印机参数中的“高 分辨率”,并不意味着您的 3D 打印部件会精确或准确。

了解准确度、精度和公差的含义,对任何应用实现有意义的 3D 打印性能至关重要。在本篇文章中,我们将解释这些术语的含义并如何在 3D 打印环境中进行思考。

Stereolithography
网络研讨会

使用强大的工程材料实现严格公差

观看我们的网络研讨会以了解 SLA 3D 打印工作流程、材料选择以及部件到打印工作流程的专家提示,从 3D 打印中获得最大价值。

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定义准确度、精度和公差

从定义开始:准确度、精度和公差之间的区别是什么?对于每个术语,我们将通过靶子(用于分析这些概念的常见例子)使其含义形象化。

准确度

准确度表示测量值与真值的接近程度。对于一个靶子来说,真值就是靶心。命中位置距靶心越近,准确度就越高。就 3D 打印而言,真值等于在 CAD 中您所设计的尺寸。3D 打印件与数字设计有多接近呢?

精度

精度衡量测量的可重复性—您在靶子上命中位置的一致性如何?精度只衡量一致性;您的射击可能每次都会命中在同一个点附近,但这个点不一定是靶心。在 3D 打印中,精度最终转换为可靠性;您能依靠机器在每次打印中生产出预期的产品吗?

Accuracy, Precision, Tolerance 3D printing

在广义的工程术语中,“精度”通常衡量可重复性。在比较 3D 打印材料时,“精确”指的是能够打印出高度复杂几何形状的材料。例如,Formlabs Grey Pro ResinRigid Resin 具有高原始模量或刚度,可以成功打印薄且复杂的特征。

公差

您需要精确到何种程度?这由公差定义,而公差由您定义。您在应用中留有多少余地?对测量值与击中精度接近程度的可接受方差是多少呢?这取决于您的项目,例如,相对于简单的塑料外壳,具有动态机械装配的组件需要更严格的公差。

如果您在定义公差,也可能会需要准确度,所以假设为在测量靶心的射击精度。早期,我们定义图中右侧靶子的射击是不精确的。

Accuracy, Precision, Tolerance 3D printing

但是,如果公差范围足够大,这也是可以的。击中位置彼此之间的距离并不像左侧靶子上那么近,但是如果精度的可接受范围是 ±2.5 环的距离,那么就在规格范围内。

一般来说,实现并保持较高的公差意味着更高的制造成本和质量保证。

Accuracy
白皮书

Form 3 尺寸精度报告

下载并获取 Formlabs 创建的内部测试报告,用于确定 Form 3 和 Form 3B 的尺寸精度。

下载白皮书
engineering fit
白皮书

优化功能性 3D 打印组件的设计

公差和配合是工程师用于优化机械组件的功能性和生产成本的基本概念。使用这篇白皮书作为设计功能性 3D 打印组件的资源,或作为设计打印部件间配合的起点。

下载白皮书

如何理解 3D 打印中的准确度和精度


关于 3D 打印中的准确度和精度,需要考虑众多因素,但是确定您的具体需求也是很重要的。

例如,精确但不准确的 3D 打印机可能是某些应用的最佳选择。低成本熔融沉积成型 (FDM) 机器会生产准确度较低的部件,但是对于第一次向学生介绍 3D 打印的老师来说,模型是否能够准确匹配学生的 CAD 设计并不重要。

但是,了解打印机能否始终如一地按照承诺工作并在用户惯用的公差范围内得到预期的质量,可能对成功的打印体验至关重要。

阅读关于 FDM vs. SLA 3D 打印机的深入指南,了解它们在打印质量、材料、应用、工作流程、速度、成本等方面的差异。

以下是决定 3D 打印机准确度和精度的四个重要因素:

3D 打印技术

3D 打印为增材过程,所以部件是逐层堆栈而成。每一层都可能导致不准确,并且层的形成过程影响每层的精度(或可重复性)以及准确度。例如,在 FDM 3D 打印中,每层都由喷嘴挤出,因此缺乏其他 3D 打印过程能提供的控制和实现复杂细节的能力。

Because layers are extruded, FDM parts might show inaccuracies around complex features. (FDM part on the left, SLA part on the right).

因为是每层是挤压而来,FDM 部件可能会在复杂特征处不准确。(图中左侧为 FDM 部件,右侧为 SLA 部件)。

立体光固化 (SLA) 3D 打印技术中,液态树脂材料通过高精度激光固化形成每一层,可以获得更精细的细节,并且能够更可靠地重复实现高质量的打印效果。

同样地,选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印依靠激光的精度以熔化尼龙粉末形成固体部件。

仅凭 3D 打印机参数并不代表最终尺寸精度。对于各种 3D 打印技术精度的一个常见误传就是将水平精度描述为尺寸精度。

对于数字光处理 (DLP) 打印机,水平精度是投影像素尺寸。很多 3D 打印机系统使用投影像素尺寸(或是水平精度)作为整体精度数据,例如采用 75 微米的投影像素尺寸则断定机器的精度就是 ±75 微米。

查看我们的 SLA vs. DLP 3D 打印指南,我们详细介绍了两种树脂 3D 打印工艺并探讨了它们的区别。

但是,该数据对打印部件的精度并无影响。有许多误差来源对准确度有影响,从组件到校准,再到以下我们将介绍的两个因素:材料和后处理。

最后,评估 3D 打印机的最佳方式是检查真实部件

材料

准确度也会因用于打印的材料而异,这些材料的机械性能也会影响部件可能出现翘曲。

Formlabs Rigid Resin’s high green modulus, or modulus before post-curing, means it’s possible to print very thin parts with precision and a lower chance of failure.

Formlabs Rigid Resin 具有较高的原始模量,或固化前模量,这意味着可以打印出兼具高精度和低失败率的超薄部件。

同样,这完全取决于您的应用。例如,在牙科 3D 打印中,准确度至关重要。但是,如果您要打印概念模型,您的目的可能只是获取对物理产品的大致了解,从而准确度也就不那么重要了。

Margins, die surfaces, and contact points printed in Formlabs Dental Model Resin are accurate within ±35 microns of the digital model over 80 percent of surface points when printed on 25 micron print settings.

在以 25 微米打印设置进行打印时,在 80% 以上的表面点中,使用 Formlabs Model Resin 打印的边缘、模粒或接触点在数字模型的 ±35 微米范围内准确。在设置为 25 或 50 微米时,在 80% 以上的表面上,跨越全弓的整体精度,均在 ±100 微米范围内。

后固化

3D 打印后部件通常需要进行后固化,从而导致部件收缩。这常见于使用树脂 SLA 或 DLP 3D 打印工艺生产的部件中,可能需要根据打印机的不同在设计中加以考虑。PreForm,Formlabs 的免费打印文件准备软件,可以自动补偿这种收缩从而确保后固化部件在尺寸上与原始 CAD 设计一致。

后固化的工作原理是什么?了解更多关于该过程背后的科学知识,并寻找有效的技术以成功打印后固化 SLA 3D 打印件。

生态圈

要实现成功的 3D 打印,不仅需要更加注重打印机本身,还需要对整个过程加以思考。

打印准备软件、材料和后处理工具都对最终成果有影响。总而言之,旨在协同工作的集成系统会生产更可靠的成品。

3D 打印中的公差

不同于机加工(部件在过程中逐渐完善至更严格公差),3D 打印为单个自动化生产步骤。复杂的表面处理会增加 CNC 铣削等工艺的成本,而 3D 打印部件的复杂性可免费获得,可是如果不使用减材方法,无法自动优化 3D 打印部件公差超过打印机可产生的公差范围。

如果您的部件有粗略复杂性(如凹槽)以及复杂表面,并不需要高于 ±0.005 英尺的表面精度(标准加工),那么 3D 打印会是很好的选择。对于 3D 打印部件和 CNC 部件,超出标准加工的公差必须通过手工后处理或机加工减小。

在现有的商用 3D 打印技术中,SLA 有最严格的公差。与机加工的准确度相比,SLA 3D 打印的公差介于标准加工和精细加工之间。

一般来说,更具柔性的 SLA 材料会比更具刚性的材料有更宽的公差范围。打印部件专用于装配时,设计合适的公差和配合可以减少后处理时间与提高易装配性,并降低迭代的材料成本。

了解 3D 打印机的更多信息

在评估 3D 打印机时,还应考虑许多其他特性—您是否需要各向同性的部件?您的部件(以及材料)需要哪些机械性能?入门的最佳方式之一是查看真实的打印部件。从 Formlabs 的各种材料中选择免费的样品以亲身感受 SLA 的质量。