Четкость, точность и допуски в 3D-печати

Начнем с определений: в чем же разница между точностью, четкостью и допусками? Для каждого термина мы будем использовать мишень — общий пример для понимания этих понятий, помогающий визуализировать их.

Точность определяет, насколько измеренное значение соответствует истинному. В примере с мишенью истинное значение — это яблочко. Чем ближе вы к яблочку, тем точнее ваш бросок. В мире 3D-печати истинное значение соответствует размерам вашей модели в САПР. Насколько изделие, изготовленное на 3D-принтере, соответствует цифровой модели?

Четкость соответствует воспроизводимости измерений — насколько последовательны ваши попадания в мишень? Четкость измеряет только эту воспроизводимость. Вы можете постоянно попадать в одно и то же место, но это не обязательно должно быть яблочко. В 3D-печати это в конечном итоге приводит к надежности. Вы уверены, что получите ожидаемые результаты для каждой модели, изготовленной на вашем принтере?

Говоря языком инженеров, «четкость» используется для измерения воспроизводимости результатов. Применимо к материалам для 3D-печати «четкий» может означать возможность изготовления сложных геометрических форм. Например, полимеры Formlabs Grey Pro Resin и Rigid Resin характеризуются высоким «зеленым модулем», или модулем упругости, что позволяет успешно печатать тонкие и замысловатые детали.

Какая точность требуется в данном случае? Это определяется допусками, которые определяете вы. Какое у вас пространство для маневра, исходя из назначения модели? Какова допустимая вариативность близости измерений к точным? Это зависит от особенностей вашего проекта. Например, для компонента с динамическим механическим узлом нужны более жесткие допуски, чем для обычного пластмассового корпуса.

Если вы определяете допуск, вам, вероятно, также понадобится точность, поэтому давайте предположим, что мы измеряем четкость попадания в яблочко. Ранее мы назвали броски на картинке с мишенью справа нечеткими.

Но если у вас широкие допуски, это может не вызывать проблем. Броски не настолько близко расположены друг к другу, как на мишени слева, но если допустимый диапазон четкости равен расстоянию в ±2,5 кольца, то вы не выходите за пределы допустимых значений.

Как правило, достижение и обеспечение более жестких допусков влечет за собой повышение издержек на производство и контроль качества.

Размышляя о точности и четкости в 3D-печати, необходимо учитывать множество факторов, но также важно правильно определить ваши потребности.

Например, четкий, но неточный 3D-принтер может оптимально подходить для некоторых целей. Недорогая машина для моделирования методом наплавления (FDM) будет производить менее точные детали, но для преподавателя, впервые обучающего студентов 3D-печати, точное соответствие модели САПР студента не играет такой большой роли.

Но если принтер будет работать в соответствии с характеристиками и обеспечивать ожидаемое от него качество в пределах допусков, к которым привык пользователь, этого может быть достаточно для успешной работы.

Ознакомьтесь с нашим подробным руководством, где сравниваются 3D-принтеры на основе технологий FDM и SLA, чтобы узнать их различия с точки зрения качества печати, материалов, применения, рабочего процесса, скорости, затрат и т. д.

На точность и четкость 3D-принтера влияют четыре основных фактора:

3D-печать — разновидность аддитивного производства: изготовление моделей осуществляется послойно. Нарушения могут потенциально возникнуть в каждом слое. Процесс формирования слоев влияет на уровень четкости (или воспроизводимости) точности каждого слоя. Например, при печати на FDM-принтере слои формируются с помощью сопла, которое не может обеспечить такую же точность для получения сложных деталей, как другие технологии 3D-печати.

Так как слои экструдируются, на моделях, изготовленных с помощью технологии FDM, часто заметны линии слоев, а вокруг сложных элементов могут быть неточности. (Слева — деталь, напечатанная с помощью технологии FDM, справа — деталь, напечатанная с помощью технологии SLA.)

При 3D-печати методом стереолитографии (SLA) каждый слой формируется отверждением жидкого полимера высокоточным лазером, что позволяет получать модели с большей детализацией и достигать высокого качества на постоянной основе.

В методе селективного лазерного спекания (SLS) также используется лазер для точного преобразования нейлонового порошка в легкие прочные детали.

Сами по себе технические характеристики 3D-принтера не дают представления о точности изготавливаемых моделей. Одно из распространенных заблуждений относительно точности различных технологий 3D-печати — описание разрешающей способности XY как точности размеров.

Для принтеров, использующих технологию цифровой обработки света (DLP), разрешающая способность XY соответствует размеру проектируемого пикселя. Многие системы 3D-принтеров используют этот размер проецируемого пикселя, или разрешение XY, в качестве общего показателя точности, например утверждая, что при размере проецируемого пикселя в 75 мкм точность устройства составляет ±75 мкм.

Ознакомьтесь с нашим руководством о 3D-печати на основе технологий SLA и DLP, в котором мы рассказываем об особенностях этих двух процессов и рассматриваем их отличия.

Но эти данные не влияют на точность напечатанной модели. Существует множество других источников ошибок, которые влияют на точность, от компонентов и калибровки до материалов и пост-обработки. Последние два фактора мы рассмотрим подробнее.

Лучший способ оценить 3D-принтер — изучить напечатанные на нем модели.

Точность также может изменяться в зависимости от того, какие материалы вы используете для печати, и от механических свойств этих материалов, которые также могут влиять на вероятность деформации модели.

Полимер Rigid Resin от Formlabs характеризуется высоким «зеленым модулем», или модулем упругости перед финальной полимеризацией, что позволяет печатать очень тонкие модели с высокой четкостью и надежностью.

Но, опять-таки, все зависит от ваших целей. Например, в стоматологии точность моделей, изготовленных на 3D-принтере, критически важна. Но если вы печатаете концептуальную модель, скорее всего вам нужно просто получить общее представление о физическом изделии, и точность будет не настолько важной.

Поля, поверхности пресс-форм и контактные поверхности, напечатанные с использованием полимера Formlabs Model Resin, имеют точность в пределах ±35 мкм от цифровой модели в более чем 80 % точек поверхности при печати с настройками в 25 мкм. Общая точность по всей дуге находится в пределах ±100 мкм на 80 % поверхностей при печати с настройками в 25 или 50 мкм.

Напечатанные на 3D-принтере модели часто нуждаются в финальной полимеризации, которая, в свою очередь, часто приводит к усадке. Это нормально для любых деталей, изготовленных с помощью 3D-печати на основе технологии SLA или DLP. В зависимости от принтера такое явление может потребоваться учитывать при проектировании. PreForm, бесплатное программное обеспечение от Formlabs для подготовки файлов, автоматически компенсирует эту усадку, гарантируя, что модели после финальной полимеризации будут иметь такие же размеры, что и оригинальная модель в САПР.

Как работает финальная полимеризация? Узнайте больше о теоретической основе процесса и ознакомьтесь с эффективными способами успешной финальной полимеризации моделей, изготовленных на стереолитографических 3D-принтерах.

Изготовление качественных моделей на 3D-принтере требует внимания не только к самому принтеру, но и ко всему процессу производства.

На окончательный результат может повлиять используемое программное обеспечение для подготовки печати, материалы и инструменты для пост-обработки. В целом, интегрированные системы, предназначенные для совместной работы, дают более надежные результаты.

В отличие от механической обработки, где детали постепенно улучшают до соответствия более жестким допускам, в 3D-печати предусмотрен только один автоматизированный производственный этап. В то время как сложное покрытие увеличивает затраты на процессы, такие как фрезерование на станке с ЧПУ, создание сложных элементов с помощью 3D-печати, по существу, бесплатно, хотя допуски модели, напечатанной на 3D-принтере, нельзя автоматически улучшить за пределами возможностей принтера, не прибегая к субстрактивным методам.

3D-печать — отличный вариант, если у вас есть грубые сложные элементы, например подрезы и комплексные поверхности, и вам не обязательно требуется более высокая точность поверхности, чем ±0,125 мм (стандартная обработка). Допуски, выходящие за рамки стандартной механической обработки, должны быть достигнуты с применением субстрактивных способов — либо за счет ручной, либо за счет машинной обработки, как для моделей, напечатанных на 3D-принтере, так и для моделей, изготовленных на станках с ЧПУ.

SLA отличается максимальным допуском по сравнению с другими коммерческими технологиями 3D-печати. Допуски для стереолитографической 3D-печати находятся на уровне между стандартной и точной машинной обработкой.

Как правило, более податливые материалы для стереолитографии будут иметь более широкую зону допуска, чем более жесткие материалы. Проектирование деталей узлов с учетом допустимых отклонений и посадки сокращает время пост-обработки и упрощает сборку, а также снижает материальные затраты на итерации.

При оценке 3D-принтеров необходимо учитывать множество других факторов. Должны ли ваши модели быть изотропными? Какие механические свойства должны быть у ваших моделей (и, соответственно, у материалов, из которых они изготавливаются)? Лучше всего начать с ознакомления с физическими моделями, напечатанными на 3D-принтере. Закажите в компании Formlabs бесплатный образец из материала по своему усмотрению и самостоятельно оцените качество стереолитографической печати.