Jak zrozumieć różnice pomiędzy dokładnością, precyzją a tolerancją?

Kupiłeś urządzenie które ma „wysoką rozdzielczość” w specyfikacji drukarki 3D, a mimo to części nie są wydrukowane dokładnie czy precyzyjnie? W takim razie, ten artykuł jest dla Ciebie…

Zrozumienie znaczenia dokładności (ang. accuracy), precyzji (ang. precision) i tolerancji (ang. tolerance) jest niezbędne do osiągnięcia dobrej wydajności i jakości druku 3D, w każdym zastosowaniu. W tym artykule przeanalizujemy, co oznaczają te terminy i jak o nich myśleć w kontekście drukowania 3D.

Czym różnią się od siebie dokładność, precyzja i tolerancja? 

Dokładność określa w jakim stopniu wymiary wydrukowanego 3D modelu pokrywają się z rzeczywistym rozmiarem obiektu. W rzeczywistości można to porównać do gry w rzutki, im bliżej wyznaczonego celu znajdzie się twoja rzutka, tym dokładniejszy był rzut. W świecie druku 3D wartością odniesienia są wymiary projektu z programu CAD. Dokładność jest więc miarą zgodności wymiarów w naniesionych w komputerze z rozmiarami wydruku. 

Z kolei precyzja jest miarą powtarzalności pomiaru, czyli jak spójne są twoje rzuty? Twoje strzały mogą za każdym razem trafiać blisko wyznaczonego punktu, ale nie muszą osiągać założonego celu. W druku 3D można to rozumieć jako niezawodność; czy drukarka 3D zapewnia oczekiwane rezultaty przy każdym wydruku? Mówiąc ogólnie, „precyzja” mierzy powtarzalność tworzonych modeli i ich podobieństwo do siebie.

Tolerancja definiuje wielkość błędu przy wydruku i jak bardzo dokładny ma być element. To z kolei jest warunkowane przez projektanta (czyli prawdopodobnie ciebie) oraz późniejsze zastosowanie modelu. Tolerancja mówi o dopuszczalnych odchyleniach od wprowadzonych w komputerze wymiarów i jest ściśle uzależniona od projektu. Na przykład: detal, który pracuje w układzie komponentów, będzie wymagał mniejszej tolerancji, niż fragment obudowy z tworzywa sztucznego, który nie jest elementem funkcjonalnym. 

Jeśli szukasz tolerancji o niskiej rozpiętości, prawdopodobnie będziesz również potrzebował wysokiej dokładności, więc załóżmy, że mierzymy precyzję jako strzelanie w dziesiątkę. Strzały w tarczę najbardziej po prawo są uznawane jako mało precyzyjne i niedokładne.

Jeśli jednak twój zakres tolerancji jest dość szeroki, strzały na kolejnej tarczy (druga od prawej) mogą być w porządku. Nie są one tak blisko siebie, jak na tarczach po lewej stronie, ale jeśli dopuszczalny zakres precyzji to odległość ± 2,5 pierścienia, to mieści się w specyfikacji. 

Generalnie, osiągnięcie i utrzymanie mniejszych tolerancji oznacza wyższe koszty produkcji, ale także zapewnienie wyższej jakości.

Jak odnieść dokładność, precyzję i tolerancję do druku 3D? 

Myśląc o dokładności i precyzji druku 3D, należy wziąć pod uwagę wiele czynników, ale najważniejszym jest aby określić potrzeby konkretnego projektu. Na przykład precyzyjna, ale niedokładna drukarka 3D może być najlepszym wyborem do niektórych zastosowań. Tania maszyna drukująca w technologii FDM będzie drukować mniej dokładne elementy, ale dla nauczyciela uczącego uczniów o drukowaniu 3D po raz pierwszy może nie być to ważne, aby model dokładnie pasował do projektu CAD ucznia. Z drugiej strony, wiedząc że drukarka 3D będzie wytwarzać elementy, które muszą spełniać pewne funkcje, powinniśmy zainwestować w urządzenie spełniające bardziej rygorystyczne normy. Modele funkcjonalne muszą działać zgodnie z założeniami, a ich wymiary mieścić się w pewnym zakresie tolerancji. Jest to kluczowe dla pomyślnego działania komponentu.  

Wybierając drukarkę 3D należy również dopasować technologię do konkretnego zastosowania. Każdy typ urządzenia jest kompatybilny z różnymi materiałami i oferuje różną jakość wydruków. Różnią się także aplikacjami, wydajnością i szybkością pracy, kosztami eksploatacji i nie tylko.. 

Oto cztery ważne czynniki wpływające na dokładność i precyzję drukarki 3D

Technologia druku 3D

Każda technologia addytywna ma swoje wady i zalety. W przypadku FDM, części są budowane warstwa po warstwie. Każda warstwa stwarza okazję do niedokładności i wpływa na poziom precyzji lub powtarzalności wytwarzania elementów. Kolejną rzeczą która warunkuje jakość wydruków w technologii FDM jest sposób budowania modelu. Filament jest wytłaczany przez dyszę o określonej średnicy, więc nie ma możliwości uzyskania bardzo małych, skomplikowanych szczegółów, które mogą zaoferować inne procesy drukowania 3D.

W druku 3D w technologii SLA, ciekła żywica jest utwardzana przez wysoce precyzyjny laser w celu zestalenia każdej warstwy. Ta metoda pozwala uzyskać znacznie drobniejsze szczegóły i jest bardziej niezawodna, niż metoda FDM. Podsumowując, SLA charakteryzuje się znacznie wyższą precyzją oraz dokładnością od druku 3D z termoplastów. Podobnie kształtuje się sprawa technologii SLS, która wykorzystuje precyzyjny laser do scalania proszku, formując tym samym model. 

Same specyfikacje drukarki 3D nie odzwierciedlają ostatecznej dokładności wymiarowej i jakości wydruków. Jednym z najczęstszych błędów interpretacji dokładności jest opisanie rozdzielczości XY jako dokładności wymiarowej. W przypadku drukarek do cyfrowego przetwarzania światła (DLP) rozdzielczość XY to rozmiar wyświetlanych pikseli. Wiele producentów drukarek 3D wykorzystuje ten rozmiar wyświetlanego piksela lub rozdzielczość XY jako ogólną wartość dokładności, interpretując rozmiar rzutowanego piksela 75 mikronów, zapewniają, że dokładność maszyny wynosi ± 75 mikronów. Jednak te dane nie mają wpływu na dokładność wydrukowanej części. Istnieje wiele innych źródeł błędów, które mają wpływ na dokładność; poczynając od złożoności komponentów, przez kalibrację drukarki 3D, po kolejne dwa, które omówimy: materiały i obróbka końcowa.

Materiały

Dokładność może się również różnić w zależności od materiałów używanych do drukowania i właściwości mechanicznych tych tworzyw, które mogą również wpływać na prawdopodobieństwo wypaczenia wydruku 3D.

Dobór materiału powinien zależeć od zastosowania. Na przykład w aplikacjach dentystycznych dokładność ma kluczowe znaczenie. Jeśli jednak drukujesz model koncepcyjny, celem może być uzyskanie ogólnego zarysu produktu, a dokładność nie będzie miała większego znaczenia. 

Post-processing 

Polecaną praktyką jest, aby po wydrukowaniu 3D w technologiach SLA i DLP elementy zostały utwardzone poprzez umieszczenie w naświetlarce UV. Utwardzanie po wydruku może prowadzić do skurczu. W przypadku drukowania 3D z żywicy należy uwzględnić także ten czynnik. Jak? PreForm, bezpłatne oprogramowanie do przygotowywania plików do druku firmy Formlabs, automatycznie kompensuje to skurczenie. Dzięki temu, po utwardzeniu wydruki są wymiarowo zgodne z oryginalnymi projektami CAD.

Druk 3D jako pełny cykl tworzenia

Na jakość wydruku wpływa nie tylko sama drukarka 3D i materiał, ale także każdy poprzedzający i następujący etap procesu tworzenia. Na ostateczny wygląd i wytrzymałość elementu wpływa szereg czynników, poczynając od oprogramowania do przygotowania modeli do druku, po narzędzia do obróbki końcowej. Warto zadbać o najwyższą jakość realizacji prac na wszystkich etapach tworzenia elementu, aby cieszyć się wydrukiem 3D zgodnym z oczekiwaniami.

Tolerancja 

W przeciwieństwie do obróbki skrawaniem, w której części są stopniowo dostosowywane celu uzyskania węższych tolerancji, drukowanie 3D obejmuje jeden zautomatyzowany etap produkcji. Tolerancję części drukowanej w 3D warunkuje szereg parametrów, zarówno projektu, materiału czy drukarki 3D. W przypadku technologii addytywnych, bez uciekania się do metod subtraktywnych, manipulacja tolerancją nie jest możliwa. 

Drukowanie 3D jest świetną opcją, jeśli element jest skomplikowany geometrycznie, posiada dużą ilość ściętych i złożonych powierzchni, a dokładność większa niż ± 0,01 mm nie jest wymagana. Tolerancje wykraczające poza tą wartość muszą zostać osiągnięte metodami subtraktywnymi, na przykład poprzez ręczne wykańczanie lub obróbkę skrawaniem. 

SLA ma najwyższą tolerancję spośród dostępnych na rynku technologii druku 3D. W porównaniu z dokładnością obróbki skrawaniem, tolerancja druku 3D SLA znajduje się gdzieś pomiędzy standardową obróbką mechaniczną a obróbką precyzyjną. Elastyczne materiały SLA będą miały szerszą strefę tolerancji niż sztywne. Komponenty pracujące w systemach są projektowane pod kątem odpowiedniej tolerancji i dopasowania tak, aby skrócić czas obróbki końcowej i ułatwić ich montaż, a także zmniejszyć koszt materiału.

Posiadanie „dobrej” drukarki 3D to nie wszystko. Oprócz niej musimy zainwestować w odpowiednie materiały dopasowane do danego zastosowania, oraz przemyśleć cały szereg czynników wpływających na wydruk. Niemniej jednak, zawsze powinniśmy się zastanowić czy do naszej aplikacji wymagana jest wysoka dokładność, tolerancja i precyzja. Rozumiejąc te trzy terminy, nie powinniśmy mieć problemu z analizą jakości naszych wydruków i wiedzieć jak zoptymalizować, oraz ulepszyć proces tworzenia.

Źródło: formlabs.com