Dokładność i tolerancje druku FDM — czego się spodziewać i jak projektować

Dokładność, precyzja i tolerancja to trzy różne rzeczy

Dokładność mówi, jak blisko wymiaru z modelu jest średni wymiar wydruku. Precyzja, czyli powtarzalność, mówi, jak bardzo różnią się od siebie kolejne sztuki lub kolejne pomiary. Drukarka może być precyzyjna, ale niedokładna: każda sztuka ma otwór mniejszy o tę samą wartość. Taki błąd łatwo skompensować w projekcie. Trudniejszy jest rozrzut, którego nie da się przewidzieć.

Tolerancja to z kolei wymaganie projektanta: dopuszczalny zakres, w którym wymiar musi się zmieścić, żeby część działała. Przy wyborze technologii porównuje się więc tolerancję wymaganą przez część z dokładnością, jaką technologia realnie osiąga. Jeśli wymagana tolerancja jest węższa niż możliwości procesu, trzeba zmienić projekt, dodać obróbkę albo wybrać inną metodę.

W praktyce warto rozróżniać wymiary krytyczne od pozostałych. W typowej obudowie lub uchwycie tylko kilka wymiarów decyduje o działaniu: rozstaw otworów montażowych, średnica gniazda, szerokość wpustu. Reszta może odbiegać od modelu bez żadnych skutków, więc to na tych kilku miejscach skupia się projekt i kontrola.

Typowe wartości dla druku FDM

Bazy wiedzy usług produkcyjnych podają podobne rzędy wielkości. Dla drukarek FDM klasy prototypowej spotyka się wartość ±0,5% wymiaru z dolną granicą ±0,5 mm, a dla maszyn przemysłowych od ±0,15% z dolną granicą ±0,2 mm do ±0,3% z dolną granicą ±0,3 mm. Dolna granica oznacza, że przy małych częściach odchyłka nie spada poniżej tej wartości, nawet jeśli procent wymiaru byłby mniejszy. Materiały dydaktyczne jednej z uczelni technicznych, przygotowane dla drukarek w jej laboratorium, przyjmują do projektowania prostszą regułę: każdy wymiar wydruku może odbiegać od modelu o około 0,2 mm w dowolną stronę.

Przykład pokazuje, jak czytać takie zapisy. Przy regule ±0,5% z dolną granicą ±0,5 mm część o długości 200 mm może mieć odchyłkę do około ±1 mm, bo 0,5% z 200 mm to 1 mm. Część o długości 20 mm nie dostanie ±0,1 mm, tylko dolną granicę ±0,5 mm. Duże części tracą więc dokładność proporcjonalnie do wymiaru, a małe są ograniczone stałą wartością. Jeden z dostawców usług FDM podaje też minimalną średnicę otworu i minimalny detal na poziomie około 2 mm.

Skąd biorą się odchyłki wymiarów

• Skurcz materiału. Tworzywo kurczy się podczas stygnięcia, według jednego ze źródeł zwykle o 0,2–1% zależnie od materiału. Nierównomierne stygnięcie dużych części powoduje też podwijanie narożników. ABS jest na to bardziej podatne niż PLA, a ASA podwija się mniej niż ABS, ale wciąż wyraźnie.
• Szerokość i rozpływ ścieżki. Stopione tworzywo jest dociskane przez dyszę i rozlewa się nieco na boki, a nadmiar lub niedobór ekstruzji zmienia wymiar zewnętrzny. Przy małych detalach ograniczeniem jest też sama średnica ścieżki i dokładność pozycjonowania głowicy.
• Otwory wychodzą mniejsze. Ścieżka obrysu otworu rozlewa się do środka, a okrąg jest przybliżany odcinkami, więc średnica otworu jest zwykle mniejsza niż w modelu. Wielkość tej różnicy zależy od drukarki, slicera, materiału i średnicy otworu.
• Stopa słonia. Pierwsza warstwa jest dociskana do stołu i wychodzi szersza od pozostałych. Slicery mają kompensację tego efektu; dla dyszy 0,4 mm często stosuje się wartość około 0,2 mm.
• Nawisy i podpory. Powierzchnie drukowane nad podporą lub nad pustą przestrzenią są mniej równe i mniej dokładne niż powierzchnie oparte na poprzedniej warstwie.

Wielkość części zmienia to, która przyczyna dominuje. W małych częściach ograniczeniem są szerokość ścieżki i dokładność ruchu głowicy, więc drobne detale i wąskie szczeliny tracą ostrość. W dużych częściach główną rolę gra skurcz i nierównomierne stygnięcie, przez które długie, płaskie elementy mogą się wyginać. Na wynik wpływa też jakość filamentu. Dlatego podział dużej części na mniejsze elementy bywa sposobem na poprawę dokładności każdego z nich.

Orientacja części i oś Z

Wydruk zachowuje się inaczej w płaszczyźnie stołu niż w pionie. W osi Z wymiar jest wielokrotnością wysokości warstwy, więc detal, który nie trafia w siatkę warstw, zostaje zaokrąglony do najbliższej warstwy. Im grubsza warstwa, tym większy ten skok. Zależności opisuje artykuł o wysokości warstwy w druku 3D.

Orientacja decyduje też o kształcie otworów. Otwór pionowy, drukowany jako okrąg w każdej warstwie, jest zwykle okrągły i równy. Otwór poziomy powstaje z warstw ułożonych jedna na drugiej, a jego górna część to nawis, więc wychodzi lekko spłaszczony. Jeśli otwór ma być dokładny, ustaw część tak, by był pionowy, albo przewidź jego obróbkę po druku.

Jak projektować z luzami

Dwie współpracujące części nie mogą mieć identycznych wymiarów nominalnych, bo odchyłki obu się sumują. Wspomniane wytyczne uczelni opracowano dla przemysłowych drukarek FDM drukujących z ABS w jej laboratorium, więc na innych maszynach i z innych tworzyw traktuj je jako punkt wyjścia do próby. Podają luz promieniowy, czyli na stronę, a luz na średnicy jest dwa razy większy:

Te same wytyczne zalecają projektować otwory co najmniej o 0,2 mm większe, a wymiary zewnętrzne co najmniej o 0,2 mm mniejsze od potrzebnych. Gdy obie współpracujące części są drukowane, luz można podzielić między nie. Gdy wydruk współpracuje z metalową śrubą, wałkiem lub łożyskiem, cały luz musi przypaść na część drukowaną. Pozostałe zasady projektowania znajdziesz w poradniku projektowanie części do druku FDM.

Kiedy potrzebna jest obróbka po druku lub inna technologia

Jeśli średnica otworu jest krytyczna, na przykład pod łożysko lub kołek ustalający, sprawdzoną praktyką jest wydrukowanie otworu nieco mniejszego i rozwiercenie go na wymiar. Podobnie płaszczyznę przylgową można zostawić z naddatkiem i splanować. Krawędzie stykające się ze stołem warto sfazować pod kątem 45° lub zaokrąglić, żeby stopa słonia nie przeszkadzała w montażu.

Gdy cała część wymaga tolerancji rzędu kilku setnych milimetra, gładkiej powierzchni wzorcowej albo metalu, druk FDM nie jest właściwą technologią. Porównanie z obróbką skrawaniem i rozwiązaniami hybrydowymi opisuje artykuł druk 3D czy CNC.

Jak zapisać wymagania w uwagach technicznych

Formularz wyceny pozwala dodać do modelu uwagi techniczne. Opisz w nich tylko to, co naprawdę ma znaczenie dla działania części, i podaj konkretne wymiary. Ogólne „ma być dokładnie” nic nie mówi, a „otwór Ø8 mm pod wałek, ma się swobodnie obracać” pozwala ocenić, czy i jak da się to osiągnąć.

• Wymiary krytyczne: które to są, jaka wartość nominalna i z czym część współpracuje.
• Rodzaj pasowania: swobodny obrót, przesuw, wcisk albo tylko ustalenie położenia.
• Preferowana orientacja, jeśli ważny jest kierunek otworów lub powierzchnia bez śladów podpór.
• Informacja, czy dopuszczasz własną obróbkę, na przykład rozwiercenie otworów po odbiorze.

Przed wysłaniem pliku sprawdź też skalę, jednostki i kompletność geometrii według listy z poradnika jak przygotować model do druku 3D. Gotowy model prześlij do wyceny online.