如何測試和改進(jìn)3D打印公差？

魔猴君  知識堂   355天前

簡而言之，公差描述了預(yù)期或可接受的特定值的偏差程度。這適用于任何使用精確測量的制造環(huán)境，包括快速成型制造。

無論您是已經(jīng)從事3D打印一段時(shí)間，還是剛剛開始接觸并查看長絲規(guī)格，您都會遇到公差類型。例如，Prusament PLA的直徑為1.75 mm±0.02 mm，這意味著1.73 mm到1.77 mm之間的任何直徑值都是可能的。換句話說，"±0.02毫米"表示可以容忍長絲寬或窄達(dá)0.02毫米的偏差。

3D打印機(jī)也有一定的公差。這意味著打印件可能與實(shí)際尺寸略有偏差。公差越小（接近零），表示尺寸精度越高。

在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家深入探討公差問題，了解配合的類型、導(dǎo)致FDM不準(zhǔn)確的原因、如何測試公差以及從設(shè)計(jì)零件的初始階段到后處理模型的解決方案。

一、為什么公差很重要

這款3D打印旋轉(zhuǎn)器的部件需要緊密配合（來源：Thorin Oakenshield via Printables）

在制作需要緊密配合的部件時(shí)，三維打印公差尤為重要。例如，與裝飾盒或簡單的容器相比，帶有機(jī)械裝配的打印件需要更嚴(yán)格的公差。對于熔融沉積建模（FDM）3D打印，您需要注意的是，公差往往有些雜亂無章。例如，孔等特征通常需要略微放大，以便與建模直徑相匹配。

讓我們做一個(gè)重要的澄清：在本文中，我們將提及公差（應(yīng)理解為范圍，例如FDM長絲的公差為1.73至1.77毫米）以及間隙（描述部件之間空間的數(shù)值）。

在設(shè)計(jì)間隙較小的零件時(shí)，應(yīng)了解打印機(jī)的公差以及能否達(dá)到所需的精度。零件之間應(yīng)留有足夠的空間，以考慮潛在的尺寸偏差。微小的測量偏差會導(dǎo)致間隙熔化。

如果對3D打印機(jī)的公差理解不透徹，可能會導(dǎo)致零件配合不佳，或者您的支撐結(jié)構(gòu)可能會完全粘在打印件上。此外，重要的是要知道，沒有兩臺打印機(jī)會有相同的公差，即使它們是同一型號。確保找到適合自己機(jī)器的公差，不要依賴別人的公差值。

在深入探討如何測試和改進(jìn)打印機(jī)的極限之前，讓我們來詳細(xì)了解一下配合的類型。

適用類型：

間隙、過盈和過渡配合（來源：Engineering Orukalai，來自YouTube）

在大多數(shù)應(yīng)用中，兩個(gè)部件之間的連接都要實(shí)現(xiàn)特定的功能。讓我們舉例說明。

考慮一個(gè)公稱直徑為50毫米的圓形軸，它應(yīng)與一個(gè)公稱直徑為50毫米的圓孔相配合。實(shí)際上，這兩個(gè)部件的連接方式有三種選擇：

間隙配合：軸直徑明顯窄于孔直徑，例如分別為49.8毫米和50.2毫米。在這種情況下，軸可以很容易地進(jìn)出孔并在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動。

干涉配合：軸的直徑與孔的直徑相同或稍寬，分別為50.2毫米和49.8毫米。如果不施加很大的力，軸不會進(jìn)入孔內(nèi)。一旦進(jìn)入，如果不破壞零件，很可能就出不來。這種配合方式廣泛用于需要高同心度和相互運(yùn)動的場合（如將軸連接到軸承上）。

過渡配合：軸的直徑略小于孔的直徑，例如分別為49.9毫米和50.0毫米。軸將以最小的壓力插入孔中，并保持相對同心。或者，軸的直徑可能略大于孔的直徑，需要的壓力略大（但不會像過盈配合那樣大）。

實(shí)際上，每種配合類型都有多種可允許的組合。以上給出的尺寸只是示例。要正確選擇配合并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，有幾種國際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO公差），但我們不會在本文中討論。

不過，在設(shè)置公差之前需要確定配合類型。如果設(shè)置得當(dāng)，兩個(gè)相互配合的零件無論多么接近正負(fù)范圍極限，都能發(fā)揮預(yù)期的功能。

二、FDM 3D打印不準(zhǔn)確的原因

像拼圖這樣的設(shè)計(jì)需要盡可能多的準(zhǔn)確性（來源：loyalj via Printables）

除了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤（這是任何制造過程中都會出現(xiàn)的問題）之外，3D打印，特別是FDM機(jī)器固有的一些關(guān)鍵誤差原因也會造成誤差。了解這些因素有助于在必要時(shí)改進(jìn)公差。

1、軟件錯(cuò)誤

將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為STL時(shí)，不可避免地會丟失一些細(xì)節(jié)。例如，圓形物體經(jīng)過切面后會轉(zhuǎn)換為直線表面和頂點(diǎn)。不過，轉(zhuǎn)換分辨率越高，零件的尺寸誤差就越小。

切片機(jī)可能會帶來自身的誤差，這取決于其特定的算法和設(shè)置。切片機(jī)如何改變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)的性能

2、機(jī)器誤差

3D打印機(jī)本身可通過多種方式造成打印部件的不準(zhǔn)確性。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動分辨率是有限的，因此運(yùn)動路徑的精度只能達(dá)到電機(jī)的最大分辨率。此外，用于FDM 3D打印的典型電機(jī)沒有位置控制環(huán)，因此位置上的微小誤差會在長時(shí)間打印作業(yè)中累積。大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動器還具有熱保護(hù)功能，在過熱時(shí)會停止工作，這可能會導(dǎo)致電機(jī)跳步。步進(jìn)電機(jī)E步也是一個(gè)關(guān)鍵因素，如果校準(zhǔn)不當(dāng)，可能會導(dǎo)致尺寸不準(zhǔn)確。

如果打印機(jī)的各軸之間沒有充分正交，就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)誤差。試想一下，如果試圖用不垂直的軸來繪制矩形，最終得到的將是一個(gè)平行四邊形。那么，每當(dāng)運(yùn)動軸改變方向時(shí)，就會產(chǎn)生少量的反向間隙。皮帶系統(tǒng)的張力越小，反向間隙就越突出。隨著時(shí)間的推移，皮帶還會產(chǎn)生其他問題，如蠕變和伸長，這不僅會降低張力，還可能導(dǎo)致打滑和缺步。

當(dāng)打印機(jī)打印出一條長絲線時(shí)，預(yù)計(jì)會產(chǎn)生均勻的寬度。然而，隨著噴嘴壓力的增加，打印線的起始部分會變細(xì)，而打印線的末端會變寬。這種情況在轉(zhuǎn)彎時(shí)更為明顯。一般情況下，過量擠出長絲也會導(dǎo)致打印線變寬，從而可能導(dǎo)致整體尺寸過大，而擠出不足則會產(chǎn)生相反的效果，長絲的質(zhì)量和狀態(tài)也會導(dǎo)致進(jìn)一步的擠出問題。

最后，不適當(dāng)?shù)某跏?/span>Z高度會導(dǎo)致"大象腳"，即第一層由于打印重量而比后續(xù)層鋪得更寬。

與其等著看打印是否成功，不如通過測試公差和間隙來避免問題。

三、測試公差

這只可愛的貓還可以作為出色的校準(zhǔn)打?。▉碓矗?/span>Dezign via Thingiverse） 

要測試3D打印機(jī)的公差，首先要正確校準(zhǔn)打印機(jī)及其擠出機(jī)。校準(zhǔn)立方體是一項(xiàng)有用的工具。準(zhǔn)備就緒后，打印出三到五個(gè)校準(zhǔn)立方體，如果您想玩得更有趣一些，也可以試試Dezign的校準(zhǔn)貓模型。

使用卡尺在同一位置測量每個(gè)打印出來的模型。注意模型的方向（用校準(zhǔn)立方體上的大字母表示）。在三個(gè)方向（X、Y和Z）各記錄至少三次測量結(jié)果。

對于每個(gè)方向，用最大的測量值減去最小的測量值。這個(gè)數(shù)字是設(shè)計(jì)間隙或打印界面之間所需空間的良好起點(diǎn)。打印機(jī)的公差為間隙值的±一半。

例如校準(zhǔn)立方體Y尺寸可能為20.1毫米、20.0毫米和19.9毫米。您的間隙為20.1-19.9，即0.2毫米，這意味著打印機(jī)的公差為±0.1毫米。

值得注意的是，無論您獲得的是什么值，都不一定是"永久"值。這在很大程度上取決于打印機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)以及您使用的材料。

四、解決方案

1、設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)整合預(yù)期的誤差和所需的公差（來源：Solid Solutions-A TriMech Company，通過YouTube）

一旦了解了造成打印誤差的潛在原因，就可以采取積極的預(yù)防措施，盡可能消除誤差。實(shí)際上，您不可能指望一臺普通的FDM打印機(jī)能將尺寸精確到100微米或0.1毫米（保守估計(jì)）。這就意味著，在設(shè)計(jì)所有尺寸時(shí)，都應(yīng)假定它們的尺寸可能會大于或小于這個(gè)數(shù)值。

對于配合零件，您必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到，即使在尺寸誤差失控的情況下，它們?nèi)阅馨凑赵O(shè)計(jì)進(jìn)行配合。幾乎在所有情況下，這意味著如果有兩個(gè)零件需要配合，就需要將其中一個(gè)零件設(shè)計(jì)得比另一個(gè)小。對于標(biāo)準(zhǔn)的0.4毫米噴嘴，以下是一些基于孔和軸連接的一般配合經(jīng)驗(yàn)法則。請記住，您必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并了解您打印機(jī)的實(shí)際值。

間隙配合：孔的直徑與軸的直徑相差0.5毫米及以上。這導(dǎo)致軸和孔之間的理論間隙至少為0.25毫米。

干涉配合：孔的直徑與軸的直徑相差約0.2毫米或更小。這導(dǎo)致兩部分之間的理論間隙為0.1毫米或更小。

過渡配合：孔的直徑與軸的直徑相差0.15-0.4毫米。這導(dǎo)致軸和孔之間的理論間隙為0.08-0.2毫米。

淚滴形孔可讓您打印水平孔而不會下垂（來源：Maker's Muse via YouTube）

由于這些規(guī)則與零件之間的差異有關(guān)，因此也可用于非圓柱形零件。當(dāng)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)則可適用于配合的最近平面之間的差異。例如，要獲得30毫米正方形桿件的間隙配合，在設(shè)計(jì)孔時(shí)應(yīng)保持0.25毫米的間隙（即30.5毫米正方形）。

另一個(gè)關(guān)鍵準(zhǔn)則是考慮零件的方向，以實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量?？鬃詈盟酱蛴。ㄅc打印機(jī)的XY平面平行）。如果必須打印垂直孔，可使用水滴技術(shù)，將孔的上部設(shè)計(jì)成尖形，而不是完全圓形。這樣就可以避免在關(guān)閉孔的上部時(shí)，由于長絲懸空而造成的誤差。

此外，由于FDM 3D打印的分層特性，垂直特征的精度通常較低，因?yàn)槠渚?xì)程度只能達(dá)到層高。而水平（XY）特征往往更加精確，因?yàn)樗鼈冎皇艿讲竭M(jìn)電機(jī)分辨率和皮帶的限制，這在前面的章節(jié)中已經(jīng)解釋過。

2、軟件

使用特殊的切片器功能可以最大限度地減少一些打印不準(zhǔn)確的情況（來源：Paul via MathCodePrint）

有幾種軟件解決方案可以幫助提高打印精度。在以最高精度打印零件切片時(shí)，通常應(yīng)使用較慢的運(yùn)動學(xué)（速度、加速度和抖動）、較小的層高和主動零件冷卻。我們建議大多數(shù)桌面打印機(jī)的打印速度小于60 mm/s，加速度小于3,000 mm/s2，抖動小于15 mm/s。

在切片機(jī)設(shè)置中，有一些獨(dú)特的功能可以幫助提高尺寸精度。以下示例針對Cura，但大多數(shù)切片機(jī)都有類似功能。

先打印外壁，再打印內(nèi)壁：先打印外壁，理論上可以提高尺寸精度，因?yàn)椴粫艿絻?nèi)墻或填充物的影響。

平移：該功能可使打印機(jī)在移動結(jié)束時(shí)停止擠出，轉(zhuǎn)而依靠噴嘴中的剩余壓力來打印移動過程中的剩余長絲。

水平擴(kuò)展：該功能可按特定百分比增加或減少部件的尺寸。理想情況下，這有助于微調(diào)打印尺寸，但實(shí)際上只有在整個(gè)打印尺寸過小或過大時(shí)才有用。例如，如果打印件的整體尺寸可以接受，只需要調(diào)整孔，則應(yīng)使用不同的方法，如"孔水平擴(kuò)展"功能。

調(diào)整打印設(shè)置：加熱床溫度過高會導(dǎo)致尺寸精度問題，如前面提到的大象腳。同樣，如果擠出機(jī)的溫度對特定長絲來說過高，也會導(dǎo)致串線和斑點(diǎn)，從而影響間隙。

切片后，Marlin（和其他一些固件）中的線性推進(jìn)功能會根據(jù)預(yù)測的打印動作調(diào)整長絲流量。該功能可預(yù)測可能導(dǎo)致擠出不一致的噴嘴壓力變化，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。它能將不一致的線條寬度轉(zhuǎn)換為更均勻的線條，從而提高打印的尺寸精度。線性推進(jìn)的效果與切片機(jī)中的滑行設(shè)置類似，但通常更容易調(diào)整。

3、機(jī)器

正確校準(zhǔn)機(jī)器將極大地提高打印精度（來源：GeekWareSoft via YouTube）

要達(dá)到最高打印精度并保持在公差范圍內(nèi)，最重要的方法可能就是校準(zhǔn)實(shí)際打印機(jī)。校準(zhǔn)不良的打印機(jī)會導(dǎo)致部件不平直、尺寸不正確、相互不匹配。此外，請務(wù)必記住，業(yè)余級桌面3D打印機(jī)從一開始就沒有完全校準(zhǔn)過，即使它們是預(yù)先組裝好的；隨著時(shí)間的推移，作為日常維護(hù)操作，它們還需要額外的校準(zhǔn)。雖然專業(yè)級機(jī)器可以在一定程度上彌補(bǔ)這一點(diǎn)，但它們?nèi)匀恍枰ㄆ诰S護(hù)和校準(zhǔn)。

由于校準(zhǔn)不當(dāng)會使您在設(shè)計(jì)和切片以滿足公差要求方面所做的努力前功盡棄，因此機(jī)器校準(zhǔn)的重要性不容低估。校準(zhǔn)最重要的元件是擠出機(jī)和E步，而且從良好的第一層開始總是至關(guān)重要的。在開始打印之前，您可以使用測試模型來檢查一切是否正常。

選擇高質(zhì)量的噴嘴和長絲也很重要，因?yàn)椴考某叽缇仍诤艽蟪潭壬先Q于擠出的長絲寬度是否符合要求。廉價(jià)的長絲通常公差較小，這可能會導(dǎo)致擠出不規(guī)則，并轉(zhuǎn)化為打印件上的不規(guī)則表面。最好的長絲公差小、雜質(zhì)少、儲存得當(dāng)。長絲直徑的明顯偏差或加工不良的噴嘴會對打印件的公差產(chǎn)生直接影響。

最后，部件老化也會降低打印機(jī)的精度。確保打印機(jī)的皮帶繃緊，桿或軸承的磨損最小。如果沒有，請緊固或更換部件。請咨詢打印機(jī)制造商如何更好地完成這項(xiàng)任務(wù)。

4、后期處理

在安裝下半部分之前，這個(gè)霸王龍頭骨需要進(jìn)行一些后期處理（來源：All3DP）

即使經(jīng)過校準(zhǔn)、適當(dāng)設(shè)計(jì)和特殊切片配置，零件仍可能超出公差范圍。在這種情況下，需要通過后處理使其符合要求。

接受對零件進(jìn)行后處理的需要并不丟人。即使使用價(jià)值數(shù)十萬美元的高精度數(shù)控加工中心，有時(shí)也需要對零件進(jìn)行一些后處理，使其符合規(guī)格要求。

值得注意的是，后處理通常指的是減法，因此它更適用于尺寸過大而不是過小的零件。以下是將零件縮小到設(shè)計(jì)尺寸的幾個(gè)關(guān)鍵技巧：

對部件進(jìn)行打磨和銼磨，去除象腳、支架殘留物和其他印刷殘留物。

在對零件進(jìn)行后期處理時(shí)，不斷測量零件，直到達(dá)到所需的尺寸。

鉆孔或鉸孔。

盡可能避免使用支撐物。重新鉆孔要比用鉗子撬出小支撐物容易得多。

最后，我們不得不承認(rèn)，某些幾何尺寸和公差（GD&T）要求在DIY水平上并不容易實(shí)現(xiàn)。例如，測試和校正3D打印軸的跳動超出了大多數(shù)設(shè)置所能實(shí)現(xiàn)的范圍。但希望遵循本文介紹的指導(dǎo)原則能為您省去一些不必要的后期處理和重復(fù)打印！

編譯整理：ALL3DP