Dlaczego otwory wychodzą mniejsze
Ogólne wartości odchyłek i luzów zebraliśmy w artykule dokładność i tolerancje druku FDM. Tu przyglądamy się samym otworom, bo to w nich odchyłka jest najbardziej przewidywalna. Konstruktor drukarek Nophead rozłożył zjawisko na kilka efektów, które sumują się w tym samym kierunku.
- Wielokąt zamiast okręgu. Plik STL zapisuje okrąg jako wielokąt, którego wierzchołki leżą na okręgu, a boki wewnątrz niego. Średnica maleje o współczynnik cos(π/n), gdzie n to liczba boków: przy 10 bokach ubytek wynosi około 5%, a przy 22 około 1%. Zbyt zgrubny eksport z CAD zmniejsza więc otwór jeszcze przed drukiem.
- Ścinanie łuków. Ścieżka tworzywa naciągnięta na łuk przyjmuje krótszą drogę i układa się po mniejszym promieniu. Według Nopheada na jego maszynach był to efekt dominujący.
- Rozpływ do środka. Taśma tworzywa wygięta w łuk ma nadmiar materiału po wewnętrznej stronie, więc krawędź otworu przesuwa się do środka.
Wniosek jest praktyczny: ubytek jest względnie stały dla danej drukarki, materiału i średnicy, więc da się go skompensować. Najsilniej dotyka małych otworów, w których kilka dziesiątych milimetra to duża część średnicy.
Otwory pionowe i poziome
Otwór pionowy, czyli o osi prostopadłej do stołu, powstaje z okręgów w kolejnych warstwach i jest najbardziej okrągły. Otwór poziomy buduje się z warstw ułożonych jedna na drugiej. Jego dolna połowa jest łagodna, ale górna przechodzi w coraz bardziej płaski nawis, który na samym szczycie staje się poziomy. Tam tworzywo opada i otwór wychodzi spłaszczony.
- Kształt kropli. Górną część okręgu zastępuje się dwiema stycznymi pod kątem 45°, które schodzą się w wierzchołku. Hubs przyjmuje, że nawisy do około 45° drukują się zwykle bez podpór, więc taki otwór nie potrzebuje wsparcia, a śruba lub wałek opiera się na okrągłej części.
- Płaski strop. Zamiast wierzchołka można ściąć szczyt otworu poziomo. To krótki mostek, a Hubs podaje, że mostki krótsze niż około 5 mm zwykle drukują się bez wyraźnego zwisu.
- Zmiana orientacji. Jeśli otwór ma być dokładny, na przykład pod łożysko, ustaw część tak, by był pionowy, a w poziomie zostaw otwory mniej krytyczne.
Ten sam problem dotyczy podpór. Otwór poziomy z podporą wewnątrz po jej usunięciu ma szorstką górną powierzchnię, która i tak wymaga obróbki. Szerzej opisuje to poradnik o podporach w druku 3D.
Kompensacja w modelu, w slicerze i po druku
Najprostsza metoda to powiększenie otworu w modelu. Wytyczne Oakland University zalecają projektować otwory co najmniej o 0,2 mm większe od potrzebnej średnicy, a baza wiedzy Hubs dla otworów przelotowych pod śruby w obudowach dodaje 0,25 mm do średnicy. Przy otworach na wkręty do tworzyw kierunek jest odwrotny: Hubs odejmuje 0,25 mm, żeby wkręt miał w co się wgryźć.
Nophead zaproponował też wielokąty zamiast okręgów, tak zwane polyholes. Liczba boków wynosi w przybliżeniu dwukrotność średnicy w milimetrach, a wielokąt jest opisany na okręgu, tak że jego boki są do niego styczne. Proste boki drukarka odtwarza dokładnie, a zaokrąglają się tylko narożniki. Część slicerów ma tę funkcję wbudowaną, podobnie jak osobną kompensację otworów w płaszczyźnie XY, która działa na promień, więc błąd średnicy trzeba podzielić przez dwa.
Rodzaje pasowań w ujęciu FDM
W mechanice rozróżnia się trzy grupy pasowań: luźne, w których otwór jest większy od wałka i części mogą się obracać lub przesuwać; mieszane, w których luz jest bliski zera i montaż wymaga lekkiej siły; oraz wciskowe, w których wałek jest większy od otworu, a połączenie jest zwykle trwałe. Klasy tolerancji ISO, takie jak H7/g6 czy H7/p6, opisują odchyłki rzędu setnych części milimetra, czyli węższe niż typowa dokładność FDM. W druku warto więc myśleć funkcją połączenia, a nie oznaczeniem z normy.
| Funkcja połączenia | Odpowiednik w mechanice | Luz na średnicy w modelu (punkt wyjścia) | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Ciasne złożenie, części trzymają się na tarcie | Pasowanie mieszane, luz bliski zera | ok. 0,2 mm | Może wymagać dopasowania lub obróbki |
| Ustalenie położenia, montaż ręczny | Pasowanie luźne, ciasne | ok. 0,3 mm | Wartość zalecana dla części statycznych |
| Swobodny montaż i demontaż | Pasowanie luźne | ok. 0,4 mm | Słabsze ustalenie położenia |
| Obrót lub przesuw, części składane | Pasowanie luźne | ok. 0,6 mm | Wartość zalecana dla części ruchomych; ciasna to ok. 0,4 mm |
| Części drukowane razem w jednym wydruku | Brak odpowiednika | od ok. 0,6 mm | Szczelina musi przetrwać druk bez zrośnięcia |
Wartości w pierwszych czterech wierszach pochodzą z wytycznych Oakland University dla przemysłowych drukarek FDM drukujących z ABS warstwą 0,1 mm i są podane jako podwojony luz promieniowy. Dotyczą części drukowanej współpracującej z metalem, na przykład ze śrubą lub kołkiem; gdy obie części są drukowane, źródło zaleca podzielić luz po połowie na obie powierzchnie. Wartość dla części drukowanych razem to nasze ostrożne przeniesienie luzu dla części ruchomych. Na innej maszynie i z innego tworzywa traktuj je jako punkt startowy próby, nie jako gwarancję.
Luzy w częściach drukowanych razem
Mechanizm drukowany w całości, na przykład zawias lub przekładnia, nie może być rozdzielony i przetarty po wydruku, więc luz musi wystarczyć od razu. Wytyczne Oakland University zalecają dla części ruchomych luz 0,3 mm na stronę i dodają, że większy luz zostawia w przegubach drukowanych jako złożenie miejsce na materiał podporowy. Wytyczne projektowe FDM Uniwersytetu w Zurychu podają dla części ruchomych i łączonych zalecany luz 0,5 mm.
- Szczelina pozioma, czyli między warstwami, nie może być mniejsza od wysokości warstwy, bo w osi Z wymiar zmienia się skokowo.
- Pierwsza warstwa jest szersza od pozostałych i potrafi zespolić dolne krawędzie. Faza na dolnej krawędzi elementów ruchomych zmniejsza to ryzyko.
- Nawis nad szczeliną opada i ją zawęża. Zaprojektuj strop szczeliny jako fazę albo kształt kropli.
Projektowanie zawiasów i przegubów drukowanych w całości opisujemy szerzej w artykule zawiasy i druk na miejscu.
Kołki, wałki i gniazda łożysk
Gdy wydruk współpracuje z metalem, cały luz musi przypaść na część drukowaną, bo stalowy kołek ani łożysko się nie odkształcą. Hubs zauważa, że drukowane piny o średnicy poniżej około 5 mm składają się wyłącznie z obrysów i są słabe, a większe mają już wypełnienie. Dla krytycznych kołków radzi wydrukować otwór i włożyć gotowy kołek, na przykład stalowy. Wytyczne Uniwersytetu w Zurychu podają 3 mm jako minimalną średnicę drukowanego pinu i 2 mm jako minimalną średnicę otworu.
Gniazdo łożyska tocznego projektuj z niewielkim naddatkiem, a ostateczne pasowanie uzyskaj rozwierceniem. Gniazdo pionowe będzie bardziej okrągłe niż poziome. Do tulei ślizgowych, w których wałek obraca się bezpośrednio w tworzywie, lepszy od zwykłych filamentów jest materiał ślizgowy, taki jak Iglidur I150PF.
Próbka pasowania przed serią
Najtańszym sposobem na trafienie w pasowanie jest mała próbka. Wytnij z modelu fragment z krytycznym otworem lub wpustem i przygotuj kilka wariantów różniących się o 0,1 mm. Próbka ma sens tylko wtedy, gdy powstaje w tych samych warunkach co docelowa część: z tego samego materiału i z tymi samymi ustawieniami ścianek i wypełnienia. Ważna jest też orientacja: otwór pionowy i poziomy o tej samej średnicy w modelu wyjdą różnie.
- Próbka z trzema do pięciu średnicami otworu lub szerokościami wpustu.
- Ten sam materiał, ta sama orientacja i to samo wypełnienie co w docelowej części.
- Przymiarka z rzeczywistym kołkiem, śrubą lub łożyskiem, a nie tylko pomiar suwmiarką.
- Wybrany wariant przenieś do modelu i zapisz luz, by użyć go w kolejnych projektach.
Przed wysłaniem pliku sprawdź też skalę i kompletność geometrii według poradnika jak przygotować model do druku 3D. Próbkę i docelową część możesz zamówić razem w jednej wycenie online.