Chociaż druk 3D produkuje dość szczegółowe modele, które wyglądają niemal identycznie jak obraz CAD, dokładność wymiarowa i tolerancja nie są idealnie identyczne. Jest to coś, co nazywa się skurczem, który zdarza się w wydrukach 3D, których prawdopodobnie nawet nie zauważasz.

Zastanawiałem się właśnie nad tym, jak duży skurcz występuje w wydrukach 3D, idealne pytanie dla tych, którzy chcą tworzyć funkcjonalne obiekty wymagające ścisłych tolerancji, więc postanowiłem się tego dowiedzieć i podzielić z wami.

W tym artykule omówimy czym jest skurcz, o ile prawdopodobnie skurczą się Twoje wydruki 3D i kilka dobrych kompensacji skurczu, które warto stosować.

Czym jest skurcz w druku 3D?

Skurcz w druku 3D to zmniejszenie rozmiarów finalnego modelu spowodowane zmianami temperatury od stopionego termoplastu, do schłodzonych warstw wytłaczanego materiału.

Podczas drukowania ekstruder topi filament drukarski, aby stworzyć model 3D, a materiał podczas tego procesu rozszerza się. Gdy warstwy zaczynają stygnąć zaraz po wytłoczeniu, powoduje to, że materiał zwiększa swoją gęstość, a jednocześnie zmniejsza się jego rozmiar.

Większość ludzi nie zda sobie sprawy, że tak się dzieje, dopóki nie będą mieli modelu, który wymaga nieco większej dokładności wymiarowej.

Skurcz nie jest problemem przy drukowaniu estetycznych modeli, takich jak dzieła sztuki, wazony i zabawki. Kiedy zaczynamy przechodzić do obiektów o wąskich tolerancjach, takich jak obudowa telefonu lub uchwyt łączący obiekty ze sobą, skurcz stanie się problemem do rozwiązania.

Występuje on w niemal każdym procesie druku 3D ze względu na występujące zmiany temperatury, jednak szybkość jego powstawania jest różna w zależności od kilku czynników.

Czynniki te to zastosowany materiał, temperatura, technologia druku oraz czas utwardzania wydruków żywicznych.

Spośród wszystkich tych czynników, być może najważniejszym czynnikiem wpływającym na kurczliwość jest zastosowany materiał.

Rodzaj użytego materiału będzie miał wpływ na to, jak bardzo model będzie się kurczył.

Temperatura druku i prędkość chłodzenia są również ważnymi czynnikami. Kurczenie się może wystąpić, jeśli model jest drukowany w wysokiej temperaturze lub zbyt szybko chłodzony, co oznacza, że tworzywa sztuczne o wyższej temperaturze są bardziej narażone na kurczenie się.

Gwałtowne, nierównomierne chłodzenie może prowadzić nawet do wypaczenia, które może uszkodzić model lub całkowicie zrujnować wydruk. Większość z nas doświadczyła tego wypaczenia, czy to z powodu przeciągów, czy po prostu naprawdę zimnego pomieszczenia.

Coś, co pomogło mi z moimi wypaczeniami, a co ostatnio wdrożyłem, to użycie HAWKUNG Heated Bed Insulation Mat pod moim Enderem 3. Nie tylko pomaga to w wypaczeniach, ale także przyspiesza czas nagrzewania i utrzymuje bardziej stałą temperaturę łóżka.

Wreszcie, rodzaj zastosowanej technologii druku również decyduje o stopniu skurczu stwierdzonego w modelu. Tańsze technologie, takie jak FDM, zwykle nie mogą być stosowane do wytwarzania wysokiej jakości części o wąskich tolerancjach.

Technologie SLS i metal jetting uzasadniają swoją wysoką cenę produkcją dokładnych modeli.

Na szczęście istnieje wiele sposobów na uwzględnienie skurczu, co pozwala nam produkować części o dokładnych wymiarach bez większego problemu, choć trzeba znać odpowiednie techniki.

Jak bardzo kurczą się wydruki ABS, PLA & PETG?

Jak wspomnieliśmy wcześniej, szybkość kurczenia się zależy w dużej mierze od rodzaju użytego materiału. Różni się ona w zależności od materiału. Przyjrzyjmy się trzem najczęściej stosowanym materiałom do druku 3D i ich odporności na kurczenie się:

PLA

PLA to organiczny, biodegradowalny materiał wykorzystywany również w drukarkach FDM. Jest to jeden z najpopularniejszych materiałów wykorzystywanych w druku 3D, ponieważ jest łatwy do drukowania, a także nietoksyczny.

PLA cierpi na niewielką kurczliwość, słysząc kurczliwość od 0,2% do 3%, ponieważ jest to termoplast o niższej temperaturze.

Filamenty PLA nie potrzebują wysokich temperatur do wytłaczania, temperatura druku wynosi około 190℃, czyli jest mniejsza niż w przypadku ABS.

Skurcz w PLA może być również zmniejszony poprzez drukowanie w zamkniętym środowisku lub po prostu skalowanie modelu w celu skompensowania skurczu.

To działa, ponieważ zmniejsza te gwałtowne zmiany temperatury i zmniejsza fizyczne obciążenie modelu.

Myślę, że te współczynniki skurczu zależą od marki i procesu produkcyjnego, a nawet od koloru samego filamentu. Niektórzy stwierdzili, że ciemne kolory mają tendencję do kurczenia się bardziej niż jasne kolory.

ABS

ABS jest materiałem drukarskim na bazie ropy naftowej stosowanym w drukarkach FDM. Jest szeroko stosowany ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, odporność na ciepło i wszechstronność. Można go znaleźć we wszystkim, od obudów telefonów po klocki Lego.

ABS ma naprawdę wysoki współczynnik kurczliwości, więc jeśli potrzebujesz dokładnych wymiarowo wydruków 3D, starałbym się unikać jego stosowania. Widziałem, że ludzie komentują współczynniki kurczliwości od 0,8% do 8%.

Jestem pewien, że są to skrajne przypadki i byłbyś w stanie zmniejszyć to przy odpowiedniej konfiguracji, ale jest to dobry pokaz, aby zilustrować, jak zły skurcz może naprawdę dostać.

Jednym z głównych sposobów redukcji skurczu jest drukowanie w odpowiednich temperaturach łoża grzewczego.

Używanie prawidłowo skalibrowanego podgrzewanego łóżka pomaga w przyleganiu pierwszej warstwy, a także zapobiega zbyt szybkiemu schładzaniu dolnej warstwy w stosunku do reszty wydruku, co pozwala uniknąć wypaczenia.

Kolejna wskazówka dotycząca redukcji skurczu to drukowanie w zamkniętej komorze, która izoluje druk 3D od zewnętrznych prądów powietrza, dzięki czemu nie stygnie on nierównomiernie.

Zamknięta komora utrzymuje druk w stałej, zbliżonej do plastikowej temperaturze aż do zakończenia drukowania, a wszystkie sekcje mogą stygnąć w tym samym tempie.

Wspaniała obudowa, że tysiące ludzi używane i cieszył jest Creality ognioodporne & Dustproof Enclosure z Amazon. utrzymuje stałą temperaturę środowiska i jest bardzo łatwy do zainstalowania & utrzymania.

Ponadto zapewnia większe bezpieczeństwo w zakresie pożarów, zmniejsza emisję dźwięku i chroni przed osadzaniem się kurzu.

PETG

PETG to kolejny szeroko stosowany materiał do druku 3D ze względu na swoje fenomenalne właściwości. Łączy w sobie wytrzymałość strukturalną i twardość ABS z łatwością druku i nietoksycznością PLA.

Dzięki temu nadaje się do stosowania w wielu aplikacjach wymagających wysokiej wytrzymałości i bezpieczeństwa materiału

Przy 0,8%, filamenty PETG mają najniższy współczynnik skurczu. Modele 3D wykonane z PETG są stosunkowo stabilne wymiarowo w porównaniu z innymi. To czyni je idealnymi do tworzenia funkcjonalnych wydruków, które muszą być zgodne z nieco ścisłymi tolerancjami.

Aby skompensować lub zmniejszyć skurcz w wydrukach PETG, model można przeskalować o współczynnik 0,8% przed wydrukiem.

Jak uzyskać odpowiednią kompensację skurczu w druku 3D

Jak widać powyżej, skurcz można zmniejszyć na kilka sposobów, ale faktem jest, że niezależnie od tego, jak wiele się zrobi, skurczu nie da się wyeliminować. Dlatego dobrą praktyką jest próba uwzględnienia skurczu podczas przygotowywania modelu do druku.

Niektóre programy do drukowania posiadają ustawienia, które automatycznie wykonują tę czynność, ale w większości przypadków trzeba to zrobić ręcznie.

Obliczenie rodzaju kompensacji skurczu, który należy zastosować, zależy od trzech rzeczy, używanego materiału, temperatury drukowania i geometrii modelu.

Wszystkie te czynniki razem wzięte dadzą wyobrażenie o tym, jak bardzo druk ma się skurczyć i jak to zrekompensować.

Uzyskanie właściwego skurczu może być również procesem iteracyjnym, znanym jako zwykła próba i błąd. Stopień skurczu może być nawet różny dla różnych marek tego samego rodzaju materiału.

Dlatego doskonałym sposobem na zmierzenie i określenie ilościowe skurczu jest wydrukowanie najpierw modelu testowego i zmierzenie skurczu. Uzyskane dane można następnie wykorzystać do stworzenia matematycznie uzasadnionej kompensacji współczynnika skurczu.

Świetnym sposobem na zmierzenie skurczu jest użycie tego obiektu Shrinkage Calculation Object z Thingiverse. Jeden z użytkowników opisał go jako "Jedno z najlepszych narzędzi do kalibracji ogólnej". Wielu innych użytkowników dzieli się swoimi podziękowaniami z twórcą tego modelu CAD.

Kroki są następujące:

• Wydrukuj część testową używając wybranego filamentu i ustawień slicera, których zamierzasz użyć.
• Zmierz i wprowadź do arkusza kalkulacyjnego (mój jest udostępniony pod adresem //docs.google.com/spreadsheets/d/14Nqzy8B2T4-O4q95d4unt6nQt4gQbnZm_qMQ-7PzV_I/edit?usp=sharing).
• Aktualizacja ustawień krajalnicy

Chcesz użyć tego Arkusza Google i zrobić nową kopię, którą możesz edytować siebie od świeżego. Instrukcje znajdziesz na stronie Thingiverse, aby uzyskać więcej szczegółów.

Jeśli chcesz naprawdę dokładną kompensację, możesz faktycznie uruchomić iterację dwa razy, ale producent mówi, że tylko jedna iteracja wystarczyła, aby uzyskać je w granicach 100um (0,01mm) tolerancji na części 150mm.

Jeden użytkownik powiedział, że po prostu skaluje swoje modele do 101% i działa całkiem dobrze dla niego. Jest to naprawdę prosty sposób patrzenia na rzeczy, ale może być skuteczny dla szybkich wyników.

Możesz również skorzystać z ustawienia zwanego rozszerzeniem poziomym, które dostosowuje rozmiar Twoich wydruków 3D w wymiarze X/Y, aby skompensować zmiany rozmiaru w miarę schładzania i kurczenia się modelu.

Jeśli tworzysz modele samodzielnie, możesz dostosować tolerancje na samym modelu, a z większą praktyką zaczniesz być w stanie odgadnąć prawidłowe tolerancje dla konkretnego projektu.