對(duì)于工程而言，公差是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。了解如何最大限度地減少 3D 打印部件不可避免的不準(zhǔn)確之處。
在設(shè)計(jì)或制造實(shí)用和功能部件時(shí)，其性能通常主要取決于精確的尺寸。例如，如果尺子不是直的，并且以準(zhǔn)確的間隔標(biāo)記，那么它就不會(huì)很好地完成它的工作。如果兩塊樂(lè)高積木的尺寸不合適，它們將無(wú)法相互配合，如果孔口直徑不準(zhǔn)確，3D打印噴嘴將無(wú)法準(zhǔn)確擠出。
公差通過(guò)建立尺寸不準(zhǔn)確性的允許水平來(lái)幫助避免這類問(wèn)題。公差是設(shè)計(jì)師向制造商發(fā)出的關(guān)于尺寸可以偏離其標(biāo)稱名稱多少的說(shuō)明，以認(rèn)識(shí)到尺寸完美的制造通常是一個(gè)不可能的問(wèn)題。
就我們的目的而言，精度可以定義為測(cè)量值與其"標(biāo)稱"設(shè)計(jì)有多接近。例如，如果零件的設(shè)計(jì)規(guī)定它應(yīng)該是 5 厘米長(zhǎng)，那么 5.01 厘米長(zhǎng)的版本比 5.1 厘米長(zhǎng)的零件更準(zhǔn)確。顯然，恰好是5.00000的部分...厘米長(zhǎng)是最準(zhǔn)確的，但這通常不適用于大多數(shù)制造工藝。事實(shí)是，我們周圍的一切都不完全準(zhǔn)確。實(shí)際上，一切都比其標(biāo)稱設(shè)計(jì)略大或略小。它的變化量取決于預(yù)期用途和制造方法。
克服這個(gè)問(wèn)題的方法是，與每個(gè)問(wèn)題一樣，首先承認(rèn)它，因?yàn)橹挥羞@樣才能設(shè)計(jì)出解決方案。解決這個(gè)測(cè)量問(wèn)題的方法是用公差進(jìn)行設(shè)計(jì)?；氐轿覀兊?厘米部分，如果公差為0.1厘米，那么4.9-5.1厘米的任何結(jié)果都被認(rèn)為是可接受的準(zhǔn)確。當(dāng)然，除了適應(yīng)制造不準(zhǔn)確之外，設(shè)置公差還意味著確保零件在此尺寸范圍內(nèi)的任何地方都能正常工作。
應(yīng)該注意的是，公差通常適用于零件的尺寸，而不適用于機(jī)器操作。定義機(jī)器操作允許范圍的量在計(jì)量學(xué)中定義為"準(zhǔn)確度"、"精密度"、"可重復(fù)性"等。
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了什么是公差，現(xiàn)在讓我們看一下決定零件公差的因素：擬合。
在大多數(shù)應(yīng)用中，兩個(gè)部件之間的接頭需要實(shí)現(xiàn)特定的功能。讓我們用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
考慮設(shè)計(jì)公稱直徑為50 mm的圓軸，該圓軸應(yīng)適合公稱直徑為50 mm的圓孔。實(shí)際上，對(duì)于如何將這兩個(gè)部分組合在一起，有三種選擇：
軸直徑明顯小于孔直徑，分別為49.8和50.2 mm。在這種情況下，軸將很容易滑入和滑出孔并在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這會(huì)導(dǎo)致所謂的間隙配合。
軸的直徑與孔的直徑相同或略寬，分別為50.2毫米和49.8毫米。軸不會(huì)在沒(méi)有很大力的情況下進(jìn)入孔中，一旦進(jìn)入，它可能不會(huì)在不破壞零件的情況下出來(lái)。當(dāng)需要高同心度和相互運(yùn)動(dòng)（例如將軸連接到軸承）時(shí)，這種類型的配合被廣泛使用。這就是所謂的干涉擬合。
軸的直徑僅略小于孔的直徑，分別為49.9和50.0 mm。軸將以最小的壓力安裝到孔中，并保持相對(duì)同心度。這稱為過(guò)渡擬合。
實(shí)際上，每種擬合類型都是一系列允許的組合;上面給出的維度只是示例。為了正確選擇配合并相應(yīng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，有幾個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（例如ISO公差），但我們不會(huì)在本文中討論。
然而，在設(shè)置公差之前，需要確定配合類型。如果設(shè)置正確，兩個(gè)相互作用的部分仍將按預(yù)期運(yùn)行，無(wú)論它們與正或負(fù)范圍限制有多接近。
當(dāng)零件仍處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，應(yīng)特意確定擬合類型（以及管接頭零件的尺寸）。對(duì)指定配合和公差的確切值影響最大的是制造方法。例如，您不能期望使用電鋸獲得與精細(xì)木工鑿子類似的結(jié)果。
在3D打印中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程往往會(huì)缺少一些環(huán)節(jié)。通常，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)零件并將其傳遞給制造商，并提供零件所需的公差。然后，制造商有責(zé)任滿足這些公差。但是，對(duì)于3D打印，由于數(shù)字模型直接導(dǎo)出到STL然后打印，因此在制造過(guò)程中不會(huì)實(shí)現(xiàn)有關(guān)所需公差的任何信息。切片機(jī)和打印機(jī)都不知道設(shè)計(jì)人員可接受的公差。這意味著用戶必須控制設(shè)計(jì)和印刷過(guò)程，以達(dá)到所需的公差。
除了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤（這是任何制造過(guò)程所特有的）之外，還有一些不準(zhǔn)確的關(guān)鍵原因，這些錯(cuò)誤是3D打印固有的，特別是FDM機(jī)器。
軟件錯(cuò)誤
當(dāng)一個(gè)數(shù)字模型被轉(zhuǎn)換成STL時(shí)，一些細(xì)節(jié)不可避免地會(huì)丟失。例如，圓形對(duì)象被分面并轉(zhuǎn)換為直曲面和頂點(diǎn)。但是，轉(zhuǎn)換分辨率越高，零件中造成的尺寸誤差就越小。
切片器可能會(huì)引入自己的錯(cuò)誤，具體取決于其特定的算法和設(shè)置。切片器如何插入 STL 文件的頂點(diǎn)將極大地影響 G 代碼的外觀，從而影響打印機(jī)的行為方式。
機(jī)器不準(zhǔn)確
3D打印機(jī)本身有幾種方式可能導(dǎo)致打印部件不準(zhǔn)確。步進(jìn)電機(jī)具有有限的移動(dòng)分辨率，因此運(yùn)動(dòng)路徑的精度僅與電機(jī)的最大分辨率一樣準(zhǔn)確。此外，用于FDM 3D打印的典型電機(jī)沒(méi)有位置控制回路，因此在長(zhǎng)時(shí)間的打印作業(yè)中，位置的小誤差可能會(huì)累積。大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還具有熱保護(hù)功能，如果它們過(guò)熱，它們會(huì)阻止它們工作，這可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)跳過(guò)步驟。步進(jìn)電機(jī)E步也是一項(xiàng)關(guān)鍵措施，如果校準(zhǔn)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致尺寸不準(zhǔn)確。
如果打印機(jī)的軸彼此之間沒(méi)有充分正交，則會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確。想象一下，嘗試?yán)L制一個(gè)軸不垂直的矩形 - 你最終會(huì)得到一個(gè)平行四邊形。然后，每當(dāng)運(yùn)動(dòng)軸改變方向時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生少量的間隙。皮帶系統(tǒng)中的張力越小，背隙越突出。隨著時(shí)間的推移，皮帶還會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，例如蠕變和伸長(zhǎng)率，這不僅會(huì)降低張力，還可能導(dǎo)致打滑和臺(tái)階缺失。
當(dāng)打印機(jī)打印一行燈絲時(shí)，它應(yīng)該創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的寬度。但是，隨著噴嘴壓力的增加，打印線的起點(diǎn)可能會(huì)變薄，并在生產(chǎn)線末端變寬。這在轉(zhuǎn)彎時(shí)被夸大了。一般的長(zhǎng)絲過(guò)度擠出也會(huì)導(dǎo)致印刷線變寬，這可能導(dǎo)致整體尺寸變得過(guò)大，與擠出不足相反的效果，并且長(zhǎng)絲的質(zhì)量和狀況會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的擠出問(wèn)題。
最后，不正確的初始Z高度會(huì)導(dǎo)致"大象的腳"，當(dāng)?shù)谝粚佑捎谟∷⑵返闹亓慷群罄m(xù)層更寬時(shí)。
一旦您了解了打印件中不準(zhǔn)確的可能原因，您就可以采取積極的預(yù)防措施以盡可能地消除它們。實(shí)際上，您不能指望普通的FDM打印機(jī)將尺寸固定在100微米或0.1毫米（保守）以內(nèi)。這意味著，所有維度的設(shè)計(jì)都應(yīng)假定它們可能按此值變大或變小。
對(duì)于配接零件，您必須對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便即使尺寸中存在不受控制的錯(cuò)誤，它們?nèi)詫丛O(shè)計(jì)一起工作。在幾乎所有情況下，這意味著如果您有兩個(gè)應(yīng)該組合在一起的部件，則需要設(shè)計(jì)一個(gè)部件比另一個(gè)部件小。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的 0.4 mm 噴嘴，以下是基于孔和軸連接的一般經(jīng)驗(yàn)法則，盡管您必須進(jìn)行試驗(yàn)并了解打印機(jī)的實(shí)際值。
間隙配合：孔徑與軸徑相差0.5 mm及以上。這導(dǎo)致軸和孔之間的理論間隙至少為0.25 mm。
過(guò)渡配合：孔徑和軸直徑之間的差值為0.15-0.4 mm。這導(dǎo)致軸和孔之間的理論間隙為0.08-0.2 mm。
過(guò)盈配合：孔徑和軸直徑之間的差異約為0.1 mm或更小。這導(dǎo)致軸和孔之間的理論間隙為0.05 mm或更小。
由于這些規(guī)則與零件之間的差異有關(guān)，因此它們也可用于非圓柱形零件。在考慮非圓柱形配合零件時(shí)，如方孔和相應(yīng)的方形突起，上述規(guī)則可能適用于配合的最近平面之間的差異。例如，要獲得 30 mm 方形桿的間隙配合，請(qǐng)將孔設(shè)計(jì)為保持 0.25 mm 的間隙（即 30.5 mm 正方形）。
另一個(gè)關(guān)鍵準(zhǔn)則是考慮零件的方向，以便實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量?？鬃詈盟酱蛴。ㄆ叫杏诖蛴C(jī)的XY平面）。如果必須打印垂直孔，請(qǐng)使用淚滴技術(shù)，其中孔的上部設(shè)計(jì)為尖形而不是完全圓形。這消除了在關(guān)閉孔的上部時(shí)由燈絲懸垂引起的任何不準(zhǔn)確之處。
此外，由于FDM 3D打印的分層性質(zhì)，垂直特征通常不太準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈冎荒芘c層高度一樣精細(xì)。水平（XY）功能往往更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈儍H受步進(jìn)電機(jī)分辨率和皮帶的限制，如前面的部分所述。
有幾種軟件解決方案可以幫助提高打印的準(zhǔn)確性。在切割零件以最大精度打印時(shí)，通常應(yīng)使用較慢的運(yùn)動(dòng)學(xué)（速度、加速度和抖動(dòng)）、較小的層高和主動(dòng)零件冷卻。我們建議打印速度小于每秒 60 毫米，加速度小于每秒 3000 毫米2，并且對(duì)于大多數(shù)桌面打印機(jī)，抖動(dòng)小于每秒 15 毫米。
在切片器設(shè)置中，還有一些獨(dú)特的功能可以幫助提高尺寸精度。以下示例適用于 Cura，但大多數(shù)切片器具有類似的功能。
外側(cè)前內(nèi)壁：通過(guò)首先打印外墻，理論上可以通過(guò)不被內(nèi)壁或填充物撞擊來(lái)提高尺寸精度。
滑行：此功能會(huì)導(dǎo)致打印機(jī)在移動(dòng)結(jié)束時(shí)停止擠出，而是依靠噴嘴中的殘余壓力來(lái)打印移動(dòng)的其余燈絲。
水平擴(kuò)展：此功能以特定百分比增加或減少零件的所有尺寸。理想情況下，這可以幫助微調(diào)打印件的尺寸，但只有當(dāng)整個(gè)打印件太小或太大時(shí)，它才真正有用。例如，如果打印的整體尺寸可以接受，并且只需要調(diào)整孔，則應(yīng)使用其他方法，例如"孔水平擴(kuò)展"功能。
然后，在切片后，Marlin和其他一些固件中的線性前進(jìn)功能根據(jù)預(yù)測(cè)的打印移動(dòng)調(diào)整燈絲的流動(dòng)。線性推進(jìn)功能可預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致擠出不一致的噴嘴壓力變化，并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。這會(huì)將不一致的線寬轉(zhuǎn)換為更均勻的線，從而提高打印件的尺寸精度。
線性前進(jìn)與切片器中的滑行設(shè)置具有類似的效果，但通常更易于調(diào)整。要使用此功能，您需要在打印過(guò)程開(kāi)始時(shí)啟用它，并提供一個(gè) K 值來(lái)設(shè)置打印機(jī)應(yīng)調(diào)整流量的程度（此值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到）。
也許實(shí)現(xiàn)最大打印精度并保持在公差范圍內(nèi)的最重要方法是校準(zhǔn)實(shí)際打印機(jī)。校準(zhǔn)不當(dāng)?shù)拇蛴C(jī)將導(dǎo)致部件不直，尺寸不正確，并且彼此不合適。最重要的是，永遠(yuǎn)記住，沒(méi)有愛(ài)好級(jí)的桌面3D打印機(jī)從一開(kāi)始就經(jīng)過(guò)完美和完全的校準(zhǔn)，即使它們是預(yù)先組裝的;隨著時(shí)間的推移，它們將需要額外的校準(zhǔn)，作為通常的維護(hù)操作。專業(yè)級(jí)機(jī)器可能會(huì)在一定程度上彌補(bǔ)這一點(diǎn)，但仍然受益于定期維護(hù)和校準(zhǔn)。
由于校準(zhǔn)不力會(huì)使您在設(shè)計(jì)和切片以滿足公差方面所做的所有努力都過(guò)時(shí)，因此機(jī)器校準(zhǔn)的重要性不容低估。要校準(zhǔn)的最重要元素是擠出機(jī)和E步，從良好的第一層開(kāi)始始終至關(guān)重要。您可能希望使用測(cè)試多維數(shù)據(jù)集來(lái)檢查一切是否正常，然后再開(kāi)始
選擇高質(zhì)量的噴嘴和燈絲也很重要，因?yàn)榱慵某叽缇仍诤艽蟪潭壬先Q于擠出的燈絲實(shí)際上是它應(yīng)該的寬度的假設(shè)。燈絲直徑或噴嘴加工不良的顯著偏差將立即影響打印件的可能公差。
即使經(jīng)過(guò)所有校準(zhǔn)、適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和特殊的切片配置，有時(shí)零件仍然超出公差范圍。在這種情況下，它們需要通過(guò)后期處理來(lái)使其保持一致。
接受對(duì)零件進(jìn)行后期處理的必要性并不丟臉。即使使用成本高達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元的極其精確的CNC加工中心，有時(shí)也需要對(duì)零件進(jìn)行一些后處理，以使其適合并符合規(guī)格。
請(qǐng)務(wù)必注意，后處理通常是指減法方法，因此它通常與尺寸過(guò)大而不是過(guò)小的零件更相關(guān)。以下是一些關(guān)鍵提示，可幫助您將零件縮小到設(shè)計(jì)尺寸。
沙子和銼刀部件，用于去除大象的腳，支撐剩菜和其他印刷偽影。
在對(duì)零件進(jìn)行后處理時(shí)，請(qǐng)繼續(xù)測(cè)量它們，直到達(dá)到所需的尺寸。
鉆孔或鉸孔任何 3D 打印孔。
如果可能的話，盡量避免支持。重新鉆孔比試圖用一把鉗子撬出小支架要容易得多。
最后，在某些時(shí)候，我們必須承認(rèn)，某些幾何尺寸和公差（GD&T）要求在DIY水平上不容易完成。例如，測(cè)試和校正3D打印軸的跳動(dòng)超出了大多數(shù)設(shè)置所能實(shí)現(xiàn)的范圍。但希望遵循本文中提供的指南將為您節(jié)省不必要的后處理和重復(fù)打??！
