Guida a tolleranza, accuratezza e precisione di stampa 3D

Partiamo dalle definizioni: che differenza c'è tra accuratezza, precisione e tolleranza? Per ciascun termine useremo l'esempio di un bersaglio, in modo da ottenere un'immagine mentale del significato.

L'accuratezza indica quanto una misura si avvicina al suo valore reale. Utilizzando l'immagine che abbiamo scelto di usare come esempio, il valore reale è il centro del bersaglio. Più ti avvicini a questo punto, più è accurato il tuo tiro. Nel mondo della stampa 3D, il valore reale equivale alle dimensioni del tuo progetto nel software CAD. La stampa 3D quanto si avvicina al design digitale?

La precisione indica la ripetibilità di una misura: quanto sono uniformi i tuoi tiri al bersaglio? La precisione misura solo questa coerenza; i tuoi tiri potrebbero giungere ogni volta vicino allo stesso punto, che non è per forza il centro del bersaglio. Nella stampa 3D, questo indica in definitiva l'affidabilità della macchina: avrai la certezza che ti permetterà di ottenere sempre i risultati attesi?

Quanto deve essere precisa la tua parte? Questo lo stabilisce la tolleranza: un valore che determini tu. Quanto spazio di manovra hai nella tua applicazione? Che grado di variazione nella vicinanza alla misura a cui fa riferimento la precisione è accettabile? Questo dipenderà dal tuo progetto. Ad esempio, un componente con un assemblaggio meccanico dinamico richiederà tolleranze più ristrette rispetto a un semplice involucro di plastica.

Se stai definendo una tolleranza, probabilmente vorrai anche accuratezza, quindi supponiamo che stiamo misurando la precisione di tiro al bersaglio. In precedenza, abbiamo definito non precisi i tiri al bersaglio nell'immagine di destra.

Tuttavia, se l'intervallo di tolleranza è abbastanza ampio, potrebbe andare bene come risultato. I tiri non sono così vicini tra loro come nel bersaglio a sinistra, ma se l'intervallo di precisione accettabile è la distanza di ±2,5 anelli, allora stai rispettando le specifiche.

In generale, il raggiungimento e il mantenimento di tolleranze più ristrette comporta costi di produzione più elevati e controlli della qualità.

Ci sono molti fattori da considerare quando si pensa all'accuratezza e alla precisione della stampa 3D. Sapere che la stampante lavorerà in modo uniforme come promesso e produrrà parti della qualità che ci si aspetta, entro le tolleranze a cui l'utente è abituato, potrebbe essere cruciale per un'esperienza di successo.

Ecco quattro grandi fattori in gioco nel determinare l'accuratezza e la precisione della stampa 3D:

La stampa 3D è un processo additivo, quindi le parti sono costruite strato per strato. A ogni strato c'è la possibilità di introdurre un'imprecisione, e il processo di formazione degli strati incide sul livello di precisione, o ripetibilità, dell'accuratezza di ciascuno strato. Analizziamo le tipiche tolleranze di una stampante 3D per i processi di stampa in plastica più comuni:

• Stereolitografia(SLA) ed elaborazione digitale della luce (DLP): ± 0,2% (limite minimo: ± 0,1  mm)
  Nella stampa 3D a resina, un materiale in resina liquido viene esposto in maniera selettiva a una sorgente luminosa (un laser nella stereolitografia e un proiettore nell'elaborazione digitale della luce), in modo da formare strati solidi molto sottili sovrapposti fino a creare un unico oggetto solido.Grazie a sorgenti di luce ad alta precisione, questi processi permettono di produrre dettagli precisi e ottenere sempre risultati di alta qualità. A seconda della geometria del modello, le parti stampate in 3D in resina possono richiedere strutture di supporto, che sono fondamentali per ottenere un'alta precisione dimensionale, specialmente con geometrie complesse o pareti sottili di grandi dimensioni.
• Sinterizzazionelaser selettiva (SLS) e fusione multi-getto (MJF): ± 0,3% (limite minimo: ± 0,3 mm)
  Anche le stampanti 3D a fusione su letto di polvere sfruttano la precisione di una sorgente di luce (un laser nella sinterizzazione laser selettiva e una lampada di fusione nella fusione multi-getto), in modo da fondere i materiali in polvere e ottenere parti solide. Poiché la polvere non fusa sostiene le parti durante il processo di stampa, non sono necessarie ulteriori strutture di supporto. Ciò rende la sinterizzazione laser selettiva ideale per geometrie complesse che includono dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. 
• Modellazione a deposizione fusa (FDM): ± 0,5% (limite minimo: ± 0,5 mm)
• Nella stampa 3D FDM di filamenti termoplastici gli strati vengono estrusi da un ugello, che non ha il controllo e la capacità di realizzare dettagli complessi che altri processi di stampa 3D possono offrire. Le parti stampate con modellazione a deposizione fusa sono anche soggette a deformazione o restringimento, perché si raffreddano con velocità diverse e la sollecitazione interna le porta a deformarsi. I sistemi professionali di alta gamma mitigano questi problemi, ma hanno chiaramente un costo maggiore.

Le specifiche della stampante 3D non rappresentano appieno la precisione dimensionale finale. Spesso viene detto erroneamente per le varie tecnologie di stampa 3D che la risoluzione XY o la risoluzione Z (spessore dello strato) corrisponde alla precisione dimensionale.

Ma questi dati non hanno implicazioni sulla precisione delle parti stampate. Esistono molti possibili fattori di errore, di cui parleremo ora, che potrebbero avere un impatto sull'accuratezza.

In definitiva, il modo migliore per valutare una stampante 3D è quello di ispezionare parti reali.

La precisione può anche variare a seconda dei materiali utilizzati per la stampa e delle loro proprietà meccaniche, che possono anche influire sulle probabilità di deformazione delle parti.

Con le stampanti 3D a resina, quando un materiale presenta un modulo grezzo (o modulo prima della polimerizzazione post-stampa) elevato, è possibile stampare parti molto sottili con precisione e un'inferiore probabilità di fallimento.

Per le stampanti 3D FDM, i materiali estrusi a temperature più elevate sono solitamente soggetti a maggiori deformazioni rispetto ad altri. Ad esempio, è risaputo che l'acrilonitrile-butadiene-stirene è più soggetto alla deformazione dell'acido polilattico, in quanto le parti stampate si restringono di più durante il raffreddamento.

La maggioranza delle parti stampate in 3D richiede la post-elaborazione dopo la stampa:

• Stereolitografia ed elaborazione digitale della luce: lavaggio, polimerizzazione post-stampa (opzionale), rimozione delle strutture di supporto (se necessario), levigazione (opzionale)
• Sinterizzazione laser selettiva e fusione multi-getto: rimozione dell'eccesso di polvere, sabbiatura o lucidatura
• Modellazione a deposizione fusa: rimozione delle strutture di supporto (se necessario), levigazione (opzionale)

Alcune di queste fasi di post-elaborazione influiscono sulle dimensioni e sulla superficie delle parti, il che a sua volta influenza l'accuratezza e le tolleranze. Alcuni di questi aspetti possono essere valutati senza problemi in fase di progettazione e preparazione della stampa, ma altri possono variare da una stampa all'altra.

Ad esempio, nella stampa 3D a resina, le parti spesso devono essere sottoposte a polimerizzazione post-stampa, e questo procedimento causa il restringimento del pezzo. Ciò è normale per qualsiasi parte prodotta con processi di stampa 3D SLA o DLP a base di resina e, a seconda della stampante, può essere necessario tenerne conto nei design. PreForm, il software gratuito di Formlabs per la preparazione dei file di stampa, compensa automaticamente questo restringimento per garantire che le stampe siano dimensionalmente accurate rispetto ai design CAD originali dopo il processo di polimerizzazione post-stampa.

D'altro canto, le parti stampate a modellazione a deposizione fusa spesso richiedono la levigazione per migliorare la finitura superficiale attraverso la rimozione dei segni lasciati dai supporti e delle linee degli strati, ma questo processo modifica lievemente le dimensioni delle parti e fa aumentare la variazione tra il design originale e la parte finita.

Per produrre stampe 3D accurate e precise non bisogna concentrarsi solo sulla stampante stessa, ma è necessario considerare l'intero processo.

Il software di preparazione della stampa, la tecnologia di stampa, la qualità e la calibrazione della stampante e dei suoi componenti, la qualità dei materiali di stampa 3D, gli strumenti di post-elaborazione e i metodi sono tutti fattori che contribuiscono al risultato finale.

Nel complesso, i sistemi integrati progettati per funzionare in combinazione sono generalmente più affidabili. Ad esempio, ogni nuovo materiale di stampa 3D SLA ed SLS di Formlabs, prima del suo lancio, è sottoposto a una serie di test di validazione su ogni modello di stampante compatibile. In questo modo vengono garantite l'affidabilità, l'uniformità e l'accuratezza. Con questo non vogliamo dire che le stampanti generiche e i materiali facilmente reperibili in commercio non possano dare buoni risultati, ma potrebbero avere una curva di apprendimento impegnativa e richiedere una maggiore sperimentazione e calibrazione da parte degli utenti.

Nella lavorazione meccanica tradizionale, tolleranze più ristrette sono legate in maniera esponenziale all'aumento dei costi, perché richiedono fasi aggiuntive e più lente rispetto a tolleranze più ampie, perciò i pezzi lavorati vengono progettati con le tolleranze più ampie consentite per una data applicazione.

A differenza della lavorazione meccanica, la stampa 3D ha una singola fase di produzione automatizzata.Tolleranze più strette possono richiedere uno sforzo maggiore in fase di progettazione, ma consentono anche un notevole risparmio di tempo e costi in fase di prototipazione e produzione.

Inoltre, se le superfici complesse aumentano i costi di processi come la fresatura CNC, questo non è il caso della stampa 3D, nonostante le tolleranze di una parte stampata non possano essere raffinate automaticamente più di quanto la stampante possa produrre senza dover ricorrere a metodi sottrattivi. La stampa 3D è un'ottima opzione se le parti dispongono di grandi complessità come sottosquadri e superfici complicate, senza requisiti di precisione superficiale superiori a ±0,005 pollici (lavorazione meccanica standard). Le tolleranze che vanno oltre la lavorazione meccanica standard devono essere ottenute utilizzando metodi sottrattivi, tramite finitura manuale o lavorazione meccanica, sia per le parti stampate in 3D, sia per quelle CNC.

Nel complesso, la stampa 3D a resina (SLA e DLP) e a fusione su letto di polvere (SLS e MJF) hanno la tolleranza più alta tra tutte le tecnologie di stampa 3D in plastica disponibili in commercio. In comparazione con l'accuratezza della lavorazione meccanica, la tolleranza della stampa 3D basata su resina e polvere si situa a metà strada fra la lavorazione meccanica standard e quella di alta precisione.

La tolleranza e l'accoppiamento sono concetti essenziali per qualsiasi ingegnere che progetta assemblaggi meccanici. Se si tiene conto delle tolleranze, è possibile ottimizzare i processi di prototipazione e produzione, riducendo il costo del materiale necessario per l'iterazione, i tempi di post-elaborazione e mitigando il rischio di rottura accidentale delle parti. Grazie al costo per unità stabile, la stampa 3D è un metodo economico per la prototipazione e la produzione con volumi ridotti soprattutto nel caso di parti personalizzate che altrimenti richiederebbero investimenti significativi per la creazione degli stampi.

In generale, i materiali di stampa 3D più conformi avranno una zona di tolleranza più ampia rispetto ai materiali più rigidi. In particolare, quando si stampano parti per l'assemblaggio, se durante la progettazione si tengono in considerazione i corretti valori di tolleranza e di accoppiamento, si potranno ridurre i tempi di post-elaborazione, facilitare le operazioni di assemblaggio e ridurre le spese materiali d'iterazione. 

La post-elaborazione degli assemblaggi di parti stampate in 3D include solitamente la pulizia, la levigazione dei supporti e la lubrificazione. Levigare una superficie attiva è un buon metodo per ottenere un accoppiamento adeguato se la parte è un pezzo unico, perché nella fase di progettazione occorrerà lavorare meno sulla tolleranza. Nel caso di assemblaggi di dimensioni maggiori, o quando si realizzano molteplici esemplari di un pezzo, scegliere una corretta tolleranza dimensionale si rivela ben presto molto utile.

In questa sezione illustreremo i vari accoppiamenti ingegneristici per descrivere i concetti di base di gioco, incerto e interferenza e quale scegliere per diversi design di assemblaggio.

To find the real-life tolerance needs of each kind of fit, it is helpful to examine a variety of common geometries including the following. 

The amount of friction force between two components is the product of the force on the mating surface (directly related to fit), and a constant (the coefficient of friction), which is specific to each material. Coefficient of friction is useful for predicting how much resistance your parts will have to movement and wear, and how you can expect Formlabs resins to perform relative to other common materials.

High lubricity, such as that of Tough 1000 Resin, will have lower sliding friction. A lower coefficient of friction makes it better suited for moving components which interact in kinetic assemblies. 

Sliding components such as rails, pistons, and rods have lower friction if the contact surface area of the two mating surfaces is reduced. This is achieved by orienting objects in PreForm so that the layer “grain” pattern is perpendicular between the parts. If the grain is parallel the layer grooves will mesh, creating more surface area and higher static and kinetic friction.

In both the static and kinetic tests, the perpendicular orientation had lower frictional coefficients. The coefficient of static friction is impacted more significantly by grain orientation. Friction between parts decreases over time as the surfaces experience wear. This is often beneficial to kinetic assemblies, and sanding and polishing is a deliberate example of wear. However, excessive wear tends to increase clearances between parts. Lubrication is the best way to reduce long term wear.

In some cases — such as rollers, wheels, and robotic grippers — more friction is beneficial. For these applications, select a material with a higher coefficient of friction and lower lubricity.

Bisogna considerare molte altre caratteristiche quando si valuta una stampante 3D: le tue parti devono essere isotropiche? Che proprietà meccaniche richiedono le tue parti (e quindi i materiali)? Uno dei migliori modi di iniziare è analizzare parti reali stampate. Scegli un campione gratuito di Formlabs tra quelli disponibili in una varietà di materiali per toccare con mano la qualità della stereolitografia.