3D打印零件的尺寸精度

简介

本文的目的是为工程师和设计师提供一种方法，用于比较可从 3D 打印技术获得的预期尺寸精度。虽然所有技术都有优点和缺点，但决定零件是否能按规格打印的两个最重要的因素是：

设计 - 打印零件的精度很大程度上取决于设计。冷却和固化的变化会导致内应力，从而导致翘曲或收缩。 3D 打印不适合平面或长而薄的不受支持的特征。随着零件尺寸变大，精度也会降低。本文中讨论的每种技术的具体设计建议可以在知识库的第 5 章中找到。

材料 - 与设计一样，精度也取决于材料。通常，为了提高特定的材料特性，会牺牲零件的精度。例如，标准 SLA 树脂将比柔性树脂生产尺寸更精确的零件。对于要求高精度的零件，建议使用标准打印材料。

精度变量

为了帮助量化 3D 打印零件的准确性，将使用以下参数。

• 尺寸精度 - 来自机器制造商和材料供应商的定量值，说明零件的预期精度。所述的所有公差均针对经过良好校准的机器上精心设计的零件。
  
• 翘曲或收缩 - 零件在打印阶段翘曲或收缩的可能性。这在很大程度上取决于设计，但某些工艺生产的零件本质上更容易发生翘曲或收缩。
  
• 支持要求 - 对于许多 3D 打印技术，所使用的支撑量将决定表面或特征的打印精度。这样做的缺点是支撑会影响零件的表面光洁度，因为它必须被移除。
  
  

有关每种 3D 打印技术能够实现的最小特征尺寸和详细信息的信息，请参阅此处。本文讨论了层高对 3D 打印部件的影响。

FDM

熔融沉积成型 (FDM) 最适合低成本原型制作，其中形状和配合比功能更重要。FDM 通过将热塑性塑料挤出到构建板上一次生产一层。

对于大型部件，这可能会导致整个构建平台的温度发生很大变化。由于零件的不同区域以不同的速度冷却，内部应力会导致打印变形，从而导致翘曲或收缩。打印筏、加热床和锐角处的半径等解决方案可以帮助减少这种情况。

不同的材料比其他材料更容易翘曲。例如，众所周知，ABS 比 PLA 更容易翘曲。

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SLA

SLA（立体光刻）打印机使用激光对树脂槽的特定区域进行紫外线固化，以一次形成一个横截面的实体部分。然而，这些固化区域在使用紫外线进行后处理之前还没有达到完全强度。由于这一点以及 SLA 零件通常打印的角度和方向，可能会出现不受支持的跨度下垂。

由于一次建立一层，这种影响会累积起来，导致有时在高 SLA 零件中会出现尺寸差异。由于某些 SLA 打印机使用的剥离过程，也会出现尺寸差异。剥离过程中的拉力会导致柔软的印刷品弯曲，随着每一层的堆积，这种弯曲会再次累积。

具有较高抗弯性能（刚度较低）的树脂翘曲风险较高，可能不适合高精度应用。

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SLS

选择性激光烧结 (SLS) 可生产高精度零件，并可打印具有复杂几何形状的设计。激光一次选择性地烧结一层粉末以形成固体部件。

为了限制打印过程中零件翘曲或收缩的可能性，SLS 打印机使用加热成型室将粉末加热到略低于烧结温度。然而，这仍然会导致大型 SLS 部件中的温度梯度，其中部件底部已经冷却，而最近打印的顶层保持在高温下。为了进一步降低发生翘曲的可能性，将零件留在粉末中缓慢冷却（通常占总成型时间的 50%）。

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材料喷射

材料喷射被认为是最精确的 3D 打印形式。因为在印刷过程中不涉及热量，所以很少发生翘曲和收缩。

大多数尺寸精度问题都与低于打印机规格打印的特征和薄壁有关。材料喷射打印支持从打印后去除的柔软辅助材料形成的固体结构。支撑的固体性质导致与支撑接触的表面被打印到高精度水平。处理通过材料喷射生产的零件时必须小心，因为它们会因暴露在环境热、湿气或阳光下而发生翘曲和尺寸变化。

金属 3D 打印

金属印刷（特别是 DMLS 和 SLM）使用激光选择性地烧结或熔化金属粉末以生产金属零件。与 SLS 非常相似，金属印刷在工业规模的机器上在受控的加热环境中一次生产一层零件。这种逐层结构加上过程中涉及的非常高的温度会产生极端的热梯度，最终的结果是应力会内置到零件中。

因此，金属打印部件很容易发生变形或翘曲，这意味着良好的设计实践和部件定位对于获得准确的部件至关重要。与 SLS 不同，支撑结构对于最大限度地减少生产过程中的零件变形至关重要。零件通常也建立在坚固的金属板上，并且需要在打印过程完成后移除。需要对该过程有充分的了解以及坚固的格子支撑结构，以使零件牢固地连接到打印床上并防止其分离。大多数部件在构建后和从构建板上移除之前也会消除应力（通过热处理工艺）（这样做可以放松晶体结构，防止以后出现故障）。

由于金属 3D 打印零件的成本很高，因此通常在开始打印作业之前使用模拟来验证设计的准确性。

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经验法则

• 为了获得最高精度（并且在预算不受限制的情况下），材料喷射是最佳解决方案。
  
• 为获得高精度，建议对小于 1000 厘米的零件使用 SLA ³ （10 x 10 x 10 厘米）和 SLS 用于尺寸大于 1000 厘米的零件 ³ （10 x 10 x 10 厘米）。
  
• 快速、经济高效的 FDM 原型制作是最佳解决方案。