Często spotykamy się z pytaniem o dokładność druku 3D. Jako, że temat jest zdecydowanie bardziej złożony niż by się mogło wydawać, postanowiłem dość szczegółowo opisać i wyjaśnić to zagadnienie oraz odpowiedzieć na pytanie jak dokładne są drukarki 3D. Zacznijmy od wyjaśnienia czym właściwie jest dokładność wymiarowa i rozbijmy to pojęcie na kilka pozycji.
Dokładność a precyzja – krótki przegląd pojęć
- Dokładność wymiarowa (z ang. accuracy) – mówi nam o tym jak blisko wymiaru nominalnego (np. umieszczonego na rysunku technicznym lub narysowanego w modelu 3D) leży średni wymiar z serii wydruków 3D.
- Precyzja (zwana również powtarzalnością) – jest to miara mówiąca nam jakie są różnice między wymiarami kolejnych elementów w serii.
- Tolerancja wymiarowa – jest to dopuszczalny zakres odchyłek dla konkretnego wymiaru (np. +-0,2mm)
Rozróżnienie tych pojęć jest kluczowe dla zrozumienia tematu niniejszego artykułu. Dana technologia druku może być precyzyjna (czyli powtarzalna) ale nie dokładna. W takim wypadku zamiast wszystkie mierzone elementy będą miały bardzo zbliżony wymiar, jednak będzie on znacznie odbiegał od modelu CAD. Oczywiści możliwe jest również odwrotna sytuacja.
Główne czynniki wpływająca na tolerancje wydruków 3D
- Technologia druku (FDM, SLA, SLS, PolyJet) – każda z technologii ma swoje własne ograniczenia. Związane są one np. z dokładnością ruchu lub precyzją sterowania wiązką lasera. Ale także dokładnością wytłaczania, jakością surowca i jego rodzajem.
- Materiał – w tym przypadku głównym winowajcą jest skurcz termiczny (przetwórczy). W tej samej technologii druku uzyskuje się różne klasy dokładności. Niektóre materiały, takie jak np. PLA lub PET-G cechują się dość niskim skurczem. Natomiast materiały techniczne, takie jak Nylon (poliamid) lub PPS (polisulfen) cechują się skurczem liniowym dochodzącym do nawet 1% wymiaru.
- Orientacja wykonywanej części – wymiary elementów potrafią mieć różną dokładność w osi Z niż na przykład w osiach XY. Wynika to z charakterystyki procesu i warstwowego charakteru większości technologii addytywnych.
- Geometria (grubość ścianek, otwory, cienkie elementy) – skurcz nie musi być liniowy. Inaczej zachowa się element cienkościenny a inaczej lity detal o znacznym przekroju.
- Stosowanie materiału podporowego – usuwania materiału podporowego lub dodatkowa obróbka mechaniczna (np. szlifowanie) najczęściej wpływają na zmianę wymiaru. Nie zawsze jest to przewidywalna wartość, szczególnie podczas obróbki ręcznej.
- Kalibracja maszyny i parametry oraz warunki druku – nawet temperatura otocznia oraz wilgotność mogą wpłynąć na uzyskaną dokładność wymiarową. Są to najczęściej niewielkie odchyłki, ale nie można ich pominąć. Jest to kolejna zmienna w równaniu, którego wynikiem jest końcowa dokładność części.
Wraz z postępem technologicznym, niektóre z wyżej wymienionych składowych zaczynają być kompensowane. Stają się również bardziej przewidywalne. Jednak nawet kompensacja skurczu nie wyeliminuje go w 100 procentach. Często konieczne jest iteracyjne podejście do produkcji elementów w technologiach 3D oraz ręczna kompensacja z użyciem zmian w geometrii oraz parametrów.
Rozdzielczość a dokładność – najczęstszy błąd
W swojej prawie dziesięcioletniej karierze w branży druku 3D wielokrotnie spotykałem się z zapewnieniami o dokładnościach rzędu kilku mikrometrów. Zarówno ze strony producentów maszyn jak i usługodawców (często moich kolegów po fachu). Wyrósł na tym jeden z największych mitów technologii druku 3D. Rozdzielczość druku decyduje tylko i wyłącznie o tym jak mały detal nie zostanie zignorowany przez oprogramowanie drukarki 3D. To tak, jakbyśmy powiedzieli że jeśli ułożymy ścianę domu z bardzo małych cegiełek to jej wymiar będzie bliższy projektowi niż w przypadku wykorzystania pustaków. Jest to oczywiście stwierdzenie nieprawdziwe. Dokładność wymiarowa będzie zależna od staranności wykonawcy. W tym przypadku rolę tego wykonawcy przejmuje fizyka procesu i opisane w poprzednim akapicie czynniki.
Typowe (realne) zakresy tolerancji w różnych technologiach, czyli dokładność druku 3D
Zacznijmy od najpopularniejszej technologii, czyli druku 3D w technologii FDM. Jako dolną granicę przyjmuje się zazwyczaj błąd rzędu +-0,3mm. To stwierdzenie jest prawdzie dla wymiarów nie większych niż 100mm. Przy większych wymiarach najczęściej podaje się błąd procentowy, rzędu+-0,2% wymiaru nominalnego.
Technologie żywiczne, takie jak SLA oraz DLP z reguły cechują się błędami zbliżonymi do FDM. Często powtarzanym mitem jest ich bardzo wysoka dokładność wymiarowa. Tutaj znów musimy cofnąć się do pojęcia rozdzielczości. Technologie te cechują się bardzo wysokim odwzorowaniem dobrych detali – np. wzorów na powierzchni. Jednak ogromną rolę odgrywa w tym przypadku skurcz występujący podczas fotopolimeryzacji. Do tego stopnia, że prostopadłość dwóch powierzchni bywa ciężka do osiągnięcia w tych technologiach.
W przypadku technologii proszkowych mówimy o nieco wyższej dokładności wymiarowej niż w technologii FDM, ale znacznie gorszej powtarzalności. Z reguły dokładność podawana jest jako +-0,2mm lub 0,15% wymiaru. Niestety nawet elementy drukowane w tym samym procesie potrafią od siebie odbiegać o wartości rzędu 0,1-0,15mm. Samo umiejscowienie ich w komorze może wpłynąć na końcowy wymiar. Wiele też zależy od doświadczenia operatora maszyny i orientacji detalu.
Na koniec zostawiłem dokładność elementów wykonywanych w technologii druku 3D z metalu. Technologia ta często porównywana jest do frezowania CNC. To zasadniczy błąd. Pod względem tolerancji wymiarowych jak i jakości powierzchni bliżej jej do odlewania metalu. Osobiście mierzyłem części które cechowały się błędami rzędu 0,5-0,6mm. Producenci maszyn w technologii DMLS często podają parametr nazwany „najlepszą możliwą do osiągnięcia tolerancją” z wartością rzędu +-0,3mm dla detali o wymiarach mniejszych niż 100mm.
Metrologia i walidacja wymiarów
Do pomiaru i potwierdzenia powyższych tez używałem w swojej karierze zarówno wzorcowanych suwmiarek, mikrometrów jak i skanerów 3D. Każde z tych narzędzi również obarczone jest błędem pomiarowym. Tak czy inaczej mówimy o błędach o rząd lub dwa rzędy wielkości mniejszych niż te spotykane w druku 3D. Należy jednak pamiętać, że w bardzo wielu przypadkach dokładność rzędu +-0,2mm jest aż nadto wystarczająca. Absolutnie nie skreśla to technologii druku 3D z bardzo wielu zastosowań. Po prostu w sytuacji gdy wymagana jest dokładność liczona w setnych częściach milimetra znacznie lepiej posłużyć się technologiami konwencjonalnym – takimi jak elektrodrążenie lub obróbka CNC.
Czy da się osiągnąć wyższą dokładność?
W tym miejscu chciałbym przytoczyć przykład zlecenia realizowanego przez moją firmę. Klient potrzebował detalu o długości 630mm z tworzywa PA12. Wymiar gabarytowy musiał zmieścić się w tolerancji +-0,3mm. Osobiście przekonałem Klienta do zastosowania materiału z domieszką włókna szklanego, które znacznie ograniczyło skurcz. Detal wykonany bez korekt po wystudzeniu był prawie 1,5mm krótszy. Po narzuceniu korekt w dwóch osiach udało się zminimalizować błąd do 0,13mm. Powtarzalność między kilkunastoma elementami w serii mieściła się w zakresie +-0,04mm. Jako ciekawostkę mogę dodać fakt, że ten sam detal z tymi samymi korektami wykonany na innym egzemplarzu przemysłowej drukarki 3D odbiegał wymiarowo aż o 0,2mm.
Wymiary weryfikowaliśmy za pomocą skanera 3D sprawdzonego na wzorcu nastawczym do mikrometrów. Wzorce nastawcze cechują się dokładnością rzędu +-1 do 2 mikrometrów. Oczywiście w konkretnej temperaturze otoczenia, przy takiej dokładności nie można już pominąć tego czynnika. Skaner 3D zmierzył powtarzalnie wzorzec z błędem ok. 0,04mm.
Podsumowanie i wnioski
Dokładność wymiarowa w technologii druku 3D to temat bardziej złożony niż mogłoby się wydawać. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość która można przypisać wszystkim technologiom. Nie istnieje nawet jedna wartość którą można przypisać wszystkim elementom w jednej technologii i konkretnym materiale. Jest bardzo wiele zmiennych wpływających na końcowy wynik i klasę dokładności.
Druk 3D umożliwia bardzo wysoką swobodę projektowania części ale ograniczoną dokładność wymiarową. Z roku na rok świadomość ograniczeń technologii addytywnych rośnie. W mojej opinii, rośnie proporcjonalnie do obycia z technologiami szeroko pojętego druku 3D. W naszej firmie przed każdą realizacją dokładnie analizujemy przesłaną geometrię. Pomagamy z doborem technologii, materiału a wielokrotnie również z optymalizacją projektu. Tak, żeby osiągnąć kompromis między dokładnością, trwałością oraz kosztem. W przypadku bardzo wymagających aplikacji oferujemy inspekcję wyprodukowanych detali oraz dostarczenie wydruków próbnych. Więcej o naszych usługach druku 3D mogą się Państwo dowiedzieć na poniższej stronie – druk 3d na zamówienie.
