增材制造技术之十—零件精度

发表于 2017-3-28 15:58:14 显示全部楼层 3 4552

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本文介绍3D打印零件的尺寸精度并讨论误差出现的原因。

内容:

1.介绍
2.尺寸变量
3.FDM
4.SLA
5.SLS
6.材料喷射技术
7.金属打印
8.经验总结

1.介绍

本文的目的是为工程师和设计师提供一种通过3D打印获得预期尺寸精度的方法,虽然所有的工艺都有优劣,但零件是否按照要求进行打印最主要是受下面两点影响:

设计:零件打印的精度很大程度上取决于设计。零件瞬时凝固的过程极容易在零件内部产生内应力导致翘曲和变形,随着逐层打印不断积累,尺寸就会变得越来越不准确。如果需要高精度,那么3D打印不适合用来打印大平面和又长又细的结构特征,随着零件尺寸增加,打印精度也会下降。

材料:除设计之外,精度还受材料影响。通常,打印的零件精度会因为为了满足某一特定性能而受到影响,例如标准树脂与柔性树脂相比前者可以获得尺寸更加稳定的部件。对于需要较高精度的零件,建议使用标准的材料进行打印。

2.精度变量

为帮助量化3D打印零件的精度,将使用以下参数:

1)尺寸精度
来自机器制造商和材料供应商的定量值,用以说明零件的预期精度,所有公差均是采用标准工件在校准之后的机器打印后测量。

2)翘曲或收缩
零件在打印过程中可能发生翘曲或收缩,这在很大程度上取决于设计,但一些打印工艺本身就具有发生上述现象的风险。

3)支撑需求

对于许多3D打印工艺来说,支撑的数量决定了打印的表面质量和特征结构的精度。如此带来的问题就是支撑在去除时会影响到零件的表面质量。

3.FDM技术

FDM技术是精度最差的3D打印技术,适合于低成本、形状和样式比功能更重要的打印。该技术将热塑性材料挤出到构建平台上,如果打印件比较大,可能导致构建平台温度有很大变化。零件的不同部位以不同的速度冷却,内应力导致零件移动,发生翘曲或收缩变形。通常对构建平台进行预热以减少上述情况的发生。

尺寸公差
±1%(下限±1 mm),z方向通常比较精确
收缩/翘曲
在打印需要较高温度的热塑性材料时会有风险。建议在底部边缘与构建板接触的位置增加一个半径。收缩率通常为0.2-1%的,而且跟材料有关。
支撑要求
加支撑对于尺寸精确非常重要。当悬垂在45度以下时需加支撑。

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 楼主| 发表于 2017-3-29 16:17:39 | 显示全部楼层
4.SLA技术

SLA技术采用激光固化树脂制造零件,每次形成一个横截面,这些固化的区域强度较低,在打印完成后需要进行紫外再固化。由于以上原因,在有倾角或者悬垂的位置容易发生下垂,这种影响随着制造的进行不断累积,从而可以看到尺寸的变化。在打印过程中,刮板每次刮平树脂过程中也会对打印层表面有一定的拉力,这个过程的积累也会造成尺寸误差。

树脂的弯曲性能越强(刚性越小),风险越大,不适合高精度应用。

尺寸公差  
25mm以内,±0.15mm;大于25mm,为0.05mm。
收缩/翘曲
在无支撑有跨度的位置容易发生
支撑要求
对于实现高精度打印是必须的

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 楼主| 发表于 2017-3-29 16:19:41 | 显示全部楼层
5.SLS技术

选区激光烧结可以打印具有高精度的复杂几何模型,激光选择性的熔化粉末形成零件。为防止翘曲变形,SLS工艺将成型室加热,粉末预热到刚好低于烧结温度。然而即便如此,SLS打印零件仍然具有较高的温度梯度,刚打印的层处于较高的温度,而底部已经冷却。为进一步减少翘曲变形,通常将零件留在粉末中缓慢冷却(约占建造时间的50%)。

尺寸公差  
±0.3%(下限为±0.3mm)。
收缩/翘曲
收缩率为 2 - 3%,在设计中可以予以规避
支撑要求
不需要。


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 楼主| 发表于 2017-3-30 16:10:44 | 显示全部楼层
6.材料喷射技术

材料喷射技术是精度最高的3D打印技术,在打印过程中不会产生热量,因此很少发生翘曲变形。大多数的尺寸精度问题出现在薄壁等特征设计位置,材料喷射技术采用柔性支撑材料打印实体结构,可以使零件获得高精度。然而材料喷射打印的零件可能会因为温度、湿度以及光照原因繁盛翘曲和尺寸变化。

尺寸公差
±0.2mm
收缩/翘曲
支撑要求
必须

7.金属打印

金属打印(SLM或DMLS)使用激光熔化金属粉末制造零件,与SLS一样,工业机成型仓在可控的加热环境下打印每一层。这种快速熔化快速凝固的过程极容易在零件内部产生内应力。

因此,金属打印存在翘曲和变形的高风险,良好的设计和打印方向对成功打印至关重要。与SLS不同的是,支撑结构对于防止零件变形很重要,零件通常打印在实心基板上,完成之后进行切除。对于实体零件与网格支撑之间结合参数设置准确才能保证零件牢固的打印在基板上并防止变形。多数零件在打印完之后需要进行去应力退火防止切割时发生变形。

尺寸公差  
±0.2 mm
收缩/翘曲
零件存在在收缩或翘曲的高风险。
支撑要求
必须

8.经验总结

1)如果需要很高的精度,材料喷射技术将是最佳的选择

2)对于小于1000 cm 3(10 x 10 x 10)的高精度零件,建议使用SLA。对于大于1000 cm 3(10 x 10 x 10)的部件,SLS是最佳解决方案。

3)对于追求快速、低成本,精度不高的产品,建议使用FDM工艺。

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