Dimensionale nauwkeurigheid in 3D-geprinte onderdelen garanderen

Inleiding

Het doel van dit artikel is om ingenieurs en ontwerpers een methode te bieden voor het vergelijken van de verwachte dimensionale nauwkeurigheid die verkregen kan worden uit 3D-printtechnologieën. Hoewel alle technologieën sterke en zwakke punten hebben, zijn de 2 meest bepalende factoren voor of een onderdeel naar specificaties geprint zal worden:

Ontwerp - De nauwkeurigheid van een geprint onderdeel hangt zwaar af van het ontwerp. Variaties in afkoelen en uitharden resulteren in interne spanningen die kunnen leiden tot verbuiging of krimp. 3D-printen is niet geschikt voor platte oppervlakken of lange dunne niet-ondersteunde kenmerken. Nauwkeurigheid zal ook afnemen naarmate de onderdelegrootte toeneemt. Specifieke ontwerpaanbevelingen voor elk van de besproken technologieën in dit artikel vind je in Hoofdstuk 5 van de Knowledge Base.

Materialen - Net als ontwerp, hangt nauwkeurigheid ook af van materiaal. Vaak wordt de nauwkeurigheid van een onderdeel geofferd voor de verbetering van een specifieke materiaaleigenschap. Bijvoorbeeld, een standaard SLA-hars produceert dimensionaal nauwkeurigere onderdelen dan flexibele hars. Voor onderdelen waar hoge nauwkeurigheid kritiek is, worden standaard printmaterialen aanbevolen.

Nauwkeurigheidsvariabelen

Om de nauwkeurigheid van een 3D-geprint onderdeel te kwantificeren, zullen de volgende parameters gebruikt worden.

• Dimensionale nauwkeurigheid - Kwantitatieve waarden van machinefabrikanten en materiaalleveranciers die de verwachte nauwkeurigheid van onderdelen aangeven. Alle toleranties zijn met betrekking tot goed ontworpen onderdelen op goed gecalibreerde machines.
• Verbuiging of krimp - De waarschijnlijkheid dat een onderdeel verbuigt of krimpt tijdens de printfase. Dit hangt zwaar af van ontwerp, maar sommige processen produceren onderdelen die inherent meer risico lopen op verbuiging of krimp.
• Ondersteuningsvereisten - Voor veel 3D-printtechnologieën zal de hoeveelheid ondersteuning die gebruikt wordt bepalen hoe nauwkeurig een oppervlak of kenmerk geprint wordt. Het nadeel hiervan is dat ondersteuning de oppervlakte-afwerking van een onderdeel beïnvloedt omdat het verwijderd moet worden.

Voor informatie over de minimale kenmerkgrootte en details die elke 3D-printtechnologie kan bereiken, verwijzen we naar hier. De impact die laaghogte heeft op een 3D-geprint onderdeel wordt in dit artikel besproken.

FDM

Fused Deposition Modeling (FDM) is het beste geschikt voor low-cost prototyping, waar vorm en pasvorm belangrijker zijn dan functie. FDM produceert onderdelen laag voor laag door een thermoplast op een bouwplaat te extruderen.

Voor grote onderdelen kan dit leiden tot grote temperatuursvariaties over het bouwplatform. Omdat verschillende gebieden van het onderdeel afkoelen met verschillende snelheden, veroorzaken interne spanningen dat de print vervormt, wat leidt tot verbuiging of krimp. Oplossingen zoals printen op rafts, verwarmde bedden, en radialen op scherpe randen en hoeken kunnen helpen om dit te verminderen.

Verschillende materialen zijn meer geneigd tot verbuiging dan andere. Bijvoorbeeld, ABS is bekend om gevoeliger te zijn voor verbuiging dan PLA.

Benieuwd naar de kosten en materiaalopties voor FDM? Vraag direct aanbod | Bekijk alle FDM-materialen

SLA

SLA (stereolithografie) printers gebruiken een laser om specifieke gebieden van een harsbak te UV-uitte harden om een solid onderdeel één doorsnede per keer te vormen. Deze uitgeharde gebieden zijn echter nog niet op volle sterkte tot na-bewerking met UV. Vanwege dit en de hoek en oriëntaties waar SLA-onderdelen typisch geprint worden, kan doorbuigen van niet-ondersteunde spanten optreden.

Aangezien één laag per keer opgebouwd wordt, wordt dit effect cumulatief, wat leidt tot de dimensionale discrepanties die soms in hoge SLA-onderdelen gezien worden. Dimensionale discrepanties kunnen ook optreden door het afstrippingsproces dat door sommige SLA-printers gebruikt wordt. De trekracht tijdens het afstrippingsproces kan het zachte print laten buigen, wat weer cumulatief kan worden naarmate elke laag opgebouwd wordt.

Harsen die hogere buigeigenschappen hebben (minder stijf) lopen een groter risico op verbuiging en zijn mogelijk niet geschikt voor hoge nauwkeurigheidstoepassingen.

Benieuwd naar de kosten en de beschikbare materiaalopties van SLA 3D-printen? Vraag direct aanbod | Bekijk alle SLA-materialen

SLS

Selective Laser Sintering (SLS) produceert onderdelen met hoge nauwkeurigheid en kan ontwerpen met complexe geometrie printen. Een laser sintert selectief poeder laag voor laag om een solid onderdeel te vormen.

Om de waarschijnlijkheid van onderdelen die verbuigen of krimpen tijdens printen te beperken, gebruiken SLS-printers verwarmde bouwkamers die het poeder opwarmen tot net onder de sintertemperatuur. Dit resulteert nog steeds in temperatuursgradienten in grote SLS-onderdelen waar de onderkant van het onderdeel is afgekoeld terwijl de recent geprint bovenste lagen nog bij een verhoogde temperatuur zijn. Om de waarschijnlijkheid van verbuiging verder te mitigeren, worden onderdelen in het poeder gelaten om langzaam af te koelen (vaak voor 50% van de totale bouwtijd).

Benieuwd naar de kosten en beschikbare materiaalopties voor SLS 3D-printen? Vraag direct aanbod | Bekijk alle SLS-materialen

Material Jetting

Material Jetting wordt beschouwd als de meest nauwkeurige vorm van 3D-printen. Omdat er geen warmte betrokken is bij het printproces, komen verbuiging en krimp zelden voor.

De meeste dimensionale nauwkeurigheidsproblemen gerelateerd aan kenmerken en dunne muren die onder printerspecificaties geprint worden. Material Jetting print ondersteuning als een solide structuur van een zacht secundair materiaal dat na printen verwijderd wordt. De solide aard van de ondersteuning resulteert in oppervlakken in contact met de ondersteuning die met een hoog niveau van nauwkeurigheid geprint worden. Er moet voorzichtig zijn bij het hanteren van onderdelen geproduceerd via material jetting, aangezien ze kunnen verbuigen en dimensionaal veranderen als gevolg van blootstelling aan omgevingswarmte, vochtigheid of zonlicht.

Metaal 3D-printen

Metaalprinten (specifiek DMLS en SLM) gebruiken een laser om metaalpoeder selectief te sinteren of te smelten om metaalonderdelen te produceren. Net als SLS, produceert metaalprinten onderdelen laag voor laag in een gecontroleerde, verwarmde omgeving op industriële machines. Deze laag-voor-laag constructie gecombineerd met de erg hoge temperaturen die betrokken zijn bij het proces creëert extreme thermische gradienten, en het netto effect is dat spanningen in het onderdeel ingebouwd worden.

Als resultaat lopen metaalgeprinte onderdelen een hoog risico op vervorming of verbuiging, wat betekent dat goede ontwerppraktijken en onderdeeloriëntatie cruciaal zijn voor het bereiken van een nauwkeurig onderdeel. In tegenstelling tot SLS, zijn ondersteuningsstructuren vitaal om vervorming van het onderdeel tijdens productie te minimaliseren. Onderdelen worden ook doorgaans opgebouwd op een massieve metalen plaat en moeten verwijderd worden zodra het printproces voltooid is. Een goed begrip van het proces is vereist samen met solide en rooster ondersteuningsstructuren om het onderdeel veilig bevestigd te houden aan het printbed en te voorkomen dat het loskomt. De meeste onderdelen worden ook stress-vrijgemaakt (via een warmtebehandelingsproces) na het bouwen en voor verwijdering van de bouwplaat (dit stelt de kristallijne structuur in staat te ontspannen, wat falen later voorkomt).

Aangezien de kosten van metaal 3D-geprinte onderdelen hoog zijn, worden simulaties vaak gebruikt om de nauwkeurigheid van een ontwerp te valideren, voordat de printjob gestart wordt.

Benieuwd naar de kosten en beschikbare materiaalopties voor Metaal 3D-printen? Vraag direct aanbod | Bekijk alle Metaal 3D-printmaterialen

Vuistregels

• Voor de hoogste nauwkeurigheid (en wanneer budget geen beperking is), is Material Jetting de optimale oplossing.
• Voor hoge nauwkeurigheid, wordt SLA aanbevolen voor onderdelen kleiner dan 1000 cm³ (10 x 10 x 10 cm), en SLS voor onderdelen met afmetingen groter dan 1000 cm³ (10 x 10 x 10 cm).
• Snelle, kosteneffectieve prototyping: FDM is de beste oplossing.