对于工程而言,公差是一个关键考虑因素。了解如何最大限度地减少 3D 打印部件不可避免的不准确之处。
在设计或制造实用和功能部件时,其性能通常主要取决于精确的尺寸。例如,如果尺子不是直的,并且以准确的间隔标记,那么它就不会很好地完成它的工作。如果两块乐高积木的尺寸不合适,它们将无法相互配合,如果孔口直径不准确,3D打印喷嘴将无法准确挤出。
公差通过建立尺寸不准确性的允许水平来帮助避免这类问题。公差是设计师向制造商发出的关于尺寸可以偏离其标称名称多少的说明,以认识到尺寸完美的制造通常是一个不可能的问题。
就我们的目的而言,精度可以定义为测量值与其"标称"设计有多接近。例如,如果零件的设计规定它应该是 5 厘米长,那么 5.01 厘米长的版本比 5.1 厘米长的零件更准确。显然,恰好是5.00000的部分...厘米长是最准确的,但这通常不适用于大多数制造工艺。事实是,我们周围的一切都不完全准确。实际上,一切都比其标称设计略大或略小。它的变化量取决于预期用途和制造方法。
克服这个问题的方法是,与每个问题一样,首先承认它,因为只有这样才能设计出解决方案。解决这个测量问题的方法是用公差进行设计。回到我们的5厘米部分,如果公差为0.1厘米,那么4.9-5.1厘米的任何结果都被认为是可接受的准确。当然,除了适应制造不准确之外,设置公差还意味着确保零件在此尺寸范围内的任何地方都能正常工作。
应该注意的是,公差通常适用于零件的尺寸,而不适用于机器操作。定义机器操作允许范围的量在计量学中定义为"准确度"、"精密度"、"可重复性"等。
现在我们已经了解了什么是公差,现在让我们看一下决定零件公差的因素:拟合。
在大多数应用中,两个部件之间的接头需要实现特定的功能。让我们用一个例子来说明这一点。
考虑设计公称直径为50 mm的圆轴,该圆轴应适合公称直径为50 mm的圆孔。实际上,对于如何将这两个部分组合在一起,有三种选择:
轴直径明显小于孔直径,分别为49.8和50.2 mm。在这种情况下,轴将很容易滑入和滑出孔并在孔内旋转。这会导致所谓的间隙配合。
轴的直径与孔的直径相同或略宽,分别为50.2毫米和49.8毫米。轴不会在没有很大力的情况下进入孔中,一旦进入,它可能不会在不破坏零件的情况下出来。当需要高同心度和相互运动(例如将轴连接到轴承)时,这种类型的配合被广泛使用。这就是所谓的干涉拟合。
轴的直径仅略小于孔的直径,分别为49.9和50.0 mm。轴将以最小的压力安装到孔中,并保持相对同心度。这称为过渡拟合。
实际上,每种拟合类型都是一系列允许的组合;上面给出的维度只是示例。为了正确选择配合并相应地进行设计,有几个国际标准(例如ISO公差),但我们不会在本文中讨论。
然而,在设置公差之前,需要确定配合类型。如果设置正确,两个相互作用的部分仍将按预期运行,无论它们与正或负范围限制有多接近。
当零件仍处于设计阶段时,应特意确定拟合类型(以及管接头零件的尺寸)。对指定配合和公差的确切值影响最大的是制造方法。例如,您不能期望使用电锯获得与精细木工凿子类似的结果。
在3D打印中,传统的设计和制造过程往往会缺少一些环节。通常,设计师设计零件并将其传递给制造商,并提供零件所需的公差。然后,制造商有责任满足这些公差。但是,对于3D打印,由于数字模型直接导出到STL然后打印,因此在制造过程中不会实现有关所需公差的任何信息。切片机和打印机都不知道设计人员可接受的公差。这意味着用户必须控制设计和印刷过程,以达到所需的公差。
除了设计错误(这是任何制造过程所特有的)之外,还有一些不准确的关键原因,这些错误是3D打印固有的,特别是FDM机器。
软件错误
当一个数字模型被转换成STL时,一些细节不可避免地会丢失。例如,圆形对象被分面并转换为直曲面和顶点。但是,转换分辨率越高,零件中造成的尺寸误差就越小。
切片器可能会引入自己的错误,具体取决于其特定的算法和设置。切片器如何插入 STL 文件的顶点将极大地影响 G 代码的外观,从而影响打印机的行为方式。
机器不准确
3D打印机本身有几种方式可能导致打印部件不准确。步进电机具有有限的移动分辨率,因此运动路径的精度仅与电机的最大分辨率一样准确。此外,用于FDM 3D打印的典型电机没有位置控制回路,因此在长时间的打印作业中,位置的小误差可能会累积。大多数电机驱动器还具有热保护功能,如果它们过热,它们会阻止它们工作,这可能会导致电机跳过步骤。步进电机E步也是一项关键措施,如果校准不当,可能会导致尺寸不准确。
如果打印机的轴彼此之间没有充分正交,则会出现结构不准确。想象一下,尝试绘制一个轴不垂直的矩形 - 你最终会得到一个平行四边形。然后,每当运动轴改变方向时,都会产生少量的间隙。皮带系统中的张力越小,背隙越突出。随着时间的推移,皮带还会带来其他问题,例如蠕变和伸长率,这不仅会降低张力,还可能导致打滑和台阶缺失。
当打印机打印一行灯丝时,它应该创建一个统一的宽度。但是,随着喷嘴压力的增加,打印线的起点可能会变薄,并在生产线末端变宽。这在转弯时被夸大了。一般的长丝过度挤出也会导致印刷线变宽,这可能导致整体尺寸变得过大,与挤出不足相反的效果,并且长丝的质量和状况会导致进一步的挤出问题。
最后,不正确的初始Z高度会导致"大象的脚",当第一层由于印刷品的重量而比后续层更宽时。
一旦您了解了打印件中不准确的可能原因,您就可以采取积极的预防措施以尽可能地消除它们。实际上,您不能指望普通的FDM打印机将尺寸固定在100微米或0.1毫米(保守)以内。这意味着,所有维度的设计都应假定它们可能按此值变大或变小。
对于配接零件,您必须对它们进行设计,以便即使尺寸中存在不受控制的错误,它们仍将按设计一起工作。在几乎所有情况下,这意味着如果您有两个应该组合在一起的部件,则需要设计一个部件比另一个部件小。对于标准的 0.4 mm 喷嘴,以下是基于孔和轴连接的一般经验法则,尽管您必须进行试验并了解打印机的实际值。
间隙配合:孔径与轴径相差0.5 mm及以上。这导致轴和孔之间的理论间隙至少为0.25 mm。
过渡配合:孔径和轴直径之间的差值为0.15-0.4 mm。这导致轴和孔之间的理论间隙为0.08-0.2 mm。
过盈配合:孔径和轴直径之间的差异约为0.1 mm或更小。这导致轴和孔之间的理论间隙为0.05 mm或更小。
由于这些规则与零件之间的差异有关,因此它们也可用于非圆柱形零件。在考虑非圆柱形配合零件时,如方孔和相应的方形突起,上述规则可能适用于配合的最近平面之间的差异。例如,要获得 30 mm 方形杆的间隙配合,请将孔设计为保持 0.25 mm 的间隙(即 30.5 mm 正方形)。
另一个关键准则是考虑零件的方向,以便实现最高质量。孔最好水平打印(平行于打印机的XY平面)。如果必须打印垂直孔,请使用泪滴技术,其中孔的上部设计为尖形而不是完全圆形。这消除了在关闭孔的上部时由灯丝悬垂引起的任何不准确之处。
此外,由于FDM 3D打印的分层性质,垂直特征通常不太准确,因为它们只能与层高度一样精细。水平(XY)功能往往更准确,因为它们仅受步进电机分辨率和皮带的限制,如前面的部分所述。
有几种软件解决方案可以帮助提高打印的准确性。在切割零件以最大精度打印时,通常应使用较慢的运动学(速度、加速度和抖动)、较小的层高和主动零件冷却。我们建议打印速度小于每秒 60 毫米,加速度小于每秒 3000 毫米2,并且对于大多数桌面打印机,抖动小于每秒 15 毫米。
在切片器设置中,还有一些独特的功能可以帮助提高尺寸精度。以下示例适用于 Cura,但大多数切片器具有类似的功能。
外侧前内壁:通过首先打印外墙,理论上可以通过不被内壁或填充物撞击来提高尺寸精度。
滑行:此功能会导致打印机在移动结束时停止挤出,而是依靠喷嘴中的残余压力来打印移动的其余灯丝。
水平扩展:此功能以特定百分比增加或减少零件的所有尺寸。理想情况下,这可以帮助微调打印件的尺寸,但只有当整个打印件太小或太大时,它才真正有用。例如,如果打印的整体尺寸可以接受,并且只需要调整孔,则应使用其他方法,例如"孔水平扩展"功能。
然后,在切片后,Marlin和其他一些固件中的线性前进功能根据预测的打印移动调整灯丝的流动。线性推进功能可预测可能导致挤出不一致的喷嘴压力变化,并相应地进行调整。这会将不一致的线宽转换为更均匀的线,从而提高打印件的尺寸精度。
线性前进与切片器中的滑行设置具有类似的效果,但通常更易于调整。要使用此功能,您需要在打印过程开始时启用它,并提供一个 K 值来设置打印机应调整流量的程度(此值可以通过实验找到)。
也许实现最大打印精度并保持在公差范围内的最重要方法是校准实际打印机。校准不当的打印机将导致部件不直,尺寸不正确,并且彼此不合适。最重要的是,永远记住,没有爱好级的桌面3D打印机从一开始就经过完美和完全的校准,即使它们是预先组装的;随着时间的推移,它们将需要额外的校准,作为通常的维护操作。专业级机器可能会在一定程度上弥补这一点,但仍然受益于定期维护和校准。
由于校准不力会使您在设计和切片以满足公差方面所做的所有努力都过时,因此机器校准的重要性不容低估。要校准的最重要元素是挤出机和E步,从良好的第一层开始始终至关重要。您可能希望使用测试多维数据集来检查一切是否正常,然后再开始
选择高质量的喷嘴和灯丝也很重要,因为零件的尺寸精度在很大程度上取决于挤出的灯丝实际上是它应该的宽度的假设。灯丝直径或喷嘴加工不良的显著偏差将立即影响打印件的可能公差。
即使经过所有校准、适当的设计和特殊的切片配置,有时零件仍然超出公差范围。在这种情况下,它们需要通过后期处理来使其保持一致。
接受对零件进行后期处理的必要性并不丢脸。即使使用成本高达数十万美元的极其精确的CNC加工中心,有时也需要对零件进行一些后处理,以使其适合并符合规格。
请务必注意,后处理通常是指减法方法,因此它通常与尺寸过大而不是过小的零件更相关。以下是一些关键提示,可帮助您将零件缩小到设计尺寸。
沙子和锉刀部件,用于去除大象的脚,支撑剩菜和其他印刷伪影。
在对零件进行后处理时,请继续测量它们,直到达到所需的尺寸。
钻孔或铰孔任何 3D 打印孔。
如果可能的话,尽量避免支持。重新钻孔比试图用一把钳子撬出小支架要容易得多。
最后,在某些时候,我们必须承认,某些几何尺寸和公差(GD&T)要求在DIY水平上不容易完成。例如,测试和校正3D打印轴的跳动超出了大多数设置所能实现的范围。但希望遵循本文中提供的指南将为您节省不必要的后处理和重复打印!