Nauwkeurigheid, precisie en tolerantie in 3D-printen onder de knie krijgen

Het feit dat een 3D-printer "hoge resolutie" in zijn specificaties heeft, betekent niet dat alle 3D-geprinte onderdelen nauwkeurig en precies zullen zijn. Het begrijpen van de betekenis van nauwkeurigheid, precisie en tolerantie is essentieel om een goed resultaat in elk 3D-print te bereiken. Hieronder detaileren we wat elk van deze termen betekent in de context van 3D-printen.

Nauwkeurigheid (Accuracy)

We begrijpen precies hoe dicht een meting bij de ware waarde ligt. Als we een voorbeeld nemen als een doelschijf, zal een schot nauwkeuriger zijn hoe dichter het bij het midden van de doelschijf ligt. In 3D-printen is de ware waarde de geprojecteerde afmetingen in het CAD-ontwerp. Daarom zal de nauwkeurigheid van een 3D-geprint onderdeel groter zijn hoe meer het op zijn digitale ontwerp lijkt.

Precisie (Precision)

Precisie meet de herhaalbaarheid van een meting. Volgend het voorbeeld van de doelschijf, zouden de schotten altijd in de buurt van hetzelfde punt kunnen landen (wat precies zou zijn), hoewel dat punt niet het midden van de doelschijf hoeft te zijn. In de context van 3D-printen vertaalt dit zich in betrouwbaarheid om de verwachte resultaten in elke print te produceren. In de ingenieurswetenschappen, bij het vergelijken van verschillende 3D-printmaterialen, wordt de term "precisie" gebruikt om te verwijzen naar de capaciteit van een materiaal om zeer complexe geometrieën te printen.

Afbeelding 1: Voorbeeld van verschillen tussen nauwkeurigheid en precisie. Bron: Formlabs

Tolerantie

Tolerantie definieert hoe nauwkeurig een gegeven 3D-print moet zijn. De tolerantie wordt gedefinieerd door de gebruiker en hangt af van elke specifieke toepassing. Een mechanisch montageonderdeel vereist bijvoorbeeld strengere toleranties dan 3D-printen van een plastic behuizing.

Terugkerend naar het voorbeeld van de doelschijf, in het linkervoorbeeld zijn de schotten heel dicht bij elkaar en kunnen we ze definiëren als precies, terwijl in het rechtervoorbeeld ze verder van elkaar af liggen en we kunnen zeggen dat ze niet precies zijn. Nu, als we definiëren als tolerantie een acceptabel bereik van precisie een afstand van 3 ringen, dan zouden de schotten binnen de specificaties vallen.

Afbeelding 2: Tolerantie is het acceptabele bereik van nauwkeurigheid. Bron: Formlabs

Nauwkeurigheid en precisie in 3D-printen

Bij het kiezen van een 3D-printer is het heel belangrijk om specifieke behoeften te identificeren. Hiervoor is het essentieel om de concepten van nauwkeurigheid en precisie te begrijpen.

Een onnauwkeurige en precieze 3D-printer kan de beste optie zijn voor bepaalde toepassingen. Bijvoorbeeld, een goedkope FDM 3D-printer zal minder nauwkeurige onderdelen produceren, maar voor educatief gebruik waar leerlingen leren over 3D-printen, is het misschien niet belangrijk dat de afmetingen van het geprint onderdeel exact overeenkomen met die van het CAD-ontwerp. Toch zal het belangrijk zijn vertrouwen te hebben dat de 3D-printer consistent zal werken zoals verwacht, binnen de toleranties die de gebruiker nodig heeft, om een succesvolle ervaring te bereiken.

Aan de andere kant, voor toepassingen in de industrie, is een 3D-printer die nauwkeurigheid en goede precisie met zeer strikte toleranties garandeert, ongetwijfeld nodig.

Er zijn vier belangrijke factoren die de nauwkeurigheid en precisie van een 3D-printer bepalen:

1. 3D-printtechnologie

3D-printen is een additief proces waarbij onderdelen laag voor laag worden opgebouwd, en elke laag presenteert een risico op onnauwkeurigheid. Bovendien beïnvloedt het proces waarmee lagen gevormd worden het niveau van precisie (herhaalbaarheid) van de lagen. Bij een 3D FDM-print worden de lagen geëxtrudeerd door een nozzle die de capaciteit mist om complexe details te bereiken, terwijl bij 3D-stereolithografie (SLA) het vloeibare harsmateriaal met een hoge-precisielaser wordt uitgehard om elke laag te vormen, wat in staat is om veel fijner en betrouwbaardere details te bereiken wanneer het gaat om herhaaldelijk hoge kwaliteit resultaten te behalen.

Afbeelding 3: Verschil tussen onderdeel geprint in FDM (links) en SLA (rechts). Bron: Formlabs

De specificaties van de 3D-printer alleen vertegenwoordigen niet de finale dimensionale nauwkeurigheid. Een veelvoorkomende fout is de beschrijving van de XY-resolutie als dimensionale nauwkeurigheid. Voor digitale lichtverwerking (DLP) printers, is de XY-resolutie de geprojecteerde pixelgrootte. Veel 3D-printersystemen gebruiken deze geprojecteerde pixelgrootte of XY-resolutie als de algemene nauwkeurigheidscijfer (bijvoorbeeld, een geprojecteerde pixelgrootte van 75 micron nemen en stellen dat de nauwkeurigheid van de machine ± 75 micron is). Echter, deze gegevens hebben geen implicaties op de nauwkeurigheid van een geprint onderdeel. Er zijn veel foutbronnen die een impact kunnen hebben op de nauwkeurigheid, van componenten tot kalibratie, alsook de volgende factoren die we zullen analyseren (materialen en post-processing). Kortom, de beste manier om een 3D-printer te evalueren is om echte onderdelen te inspecteren tegen theoretische.

2. Materialen

De eigenschappen van het materiaal dat voor 3D-printen gebruikt wordt, kunnen ook de waarschijnlijkheid van vervorming van een print beïnvloeden. Zoals we eerder aangeven, hangt alles af van de behoeften van elke toepassing. In tandheelkundig 3D-printen is nauwkeurigheid ten opzichte van 3D-ontwerp essentieel, dus er zijn specifieke producten voor deze toepassingen die een zeer nauwkeurig resultaat garanderen. Aan de andere kant, voor 3D-printen van een niet-functioneel prototype, waar het doel simpelweg kan zijn om een algemeen idee van het fysieke product te hebben, is nauwkeurigheid minder belangrijk.

3. Post-processing

Normaal gesproken vereisen 3D-geprinte onderdelen met hars een na-print uithardingproces, waarin het onderdeel kan krimpen. Dit moet in het ontwerp in rekening worden gebracht, rekening houdend met deze krimp om te garanderen dat het resulterende onderdeel na het uithardingsproces dimensionaal nauwkeurig is ten opzichte van het oorspronkelijke CAD-ontwerp.

4. Ecosysteem

Een succesvol 3D-print bereiken vereist aandacht niet alleen voor het 3D-printen zelf, maar voor het hele proces als geheel. Het ontwerp, de slicersoftware, de materialen, de temperatuur, de post-processingtools… alles beïnvloedt het eindresultaat.