Точность размеров 3D-принтера: Как этого достичь

При использовании 3D-принтера может быть сложно добиться точности печати размеров. Воспользуйтесь этими практическими советами, чтобы добиться максимально возможных допусков!

Точность размеров, как следует из названия, представляет собой оценку того, насколько данный размер близок к целевому значению. В случае с деталями, напечатанными на 3D-принтере, точность означает, насколько физическая напечатанная деталь соответствует цифровой модели. Существует множество факторов, которые определяют конечную точность и присутствуют как в аппаратном, так и в программном обеспечении. Эти переменные необходимо рассматривать по отдельности, чтобы добраться до сути проблемы. Это может показаться сложной задачей, поскольку каждый фактор определяет и в то же время зависит от чего-то другого. Именно поэтому мы здесь, чтобы помочь вам.

Но сначала давайте разберемся, почему точность размеров так важна?

На самом деле, для многих моделей она не важна. Если вам нужно что-то для развлечения или украшения, вы обычно не будете доставать штангенциркуль, чтобы обеспечить допуск в 1 ангстрем. Однако, если вам нужны точные детали, совместимые с другим оборудованием, высокая точность размеров является обязательным условием. В этой статье мы рассмотрим ряд шагов, которые должны улучшить точность размеров вашего FDM-принтера. Порядок здесь очень важен, поэтому обязательно следуйте каждому разделу в правильной последовательности. Приступим!

Основные единицы измерения

Прежде чем вносить какие-либо изменения в настройки принтера или профиль слайсера, убедитесь, что вы работаете с правильными единицами измерения. Если в вашей 3D-модели используется одна единица измерения, а в слайсере — другая (например, сантиметры против дюймов), вы, очевидно, заметите некоторые разочаровывающие большие или маленькие отпечатки. Убедитесь, что вы работаете только с одной единицей измерения, и переходите к следующим простым исправлениям. Кроме того, если вы хотите масштабировать модель, чтобы исправить неправильный экспорт, дважды проверьте процент масштаба.

Проверьте точность вашего принтера

Прежде всего, мы должны оценить, насколько точен (или неточен) принтер. Хороший способ начать — выбрать эталонную печать. Мы будем использовать одну и ту же модель (даже один и тот же G-код, если возможно) для сравнения будущих печатей и понимания того, насколько мы улучшились. Для этой цели существует ряд полезных тестовых печатей, причем особенно полезны калибровочные кубы.

На конкретном примере, калибровочный куб iDig3Dprinting на Thingiverse имеет размеры 20 мм в направлениях X, Y и Z. Если вы его распечатаете, вам следует измерить фактические размеры вашего отпечатка. Разница между фактическими размерами и 20 мм будет указывать на точность размеров каждой оси вашего принтера.

Для точных измерений рекомендуется использовать штангенциркуль. При измерении детали помните следующее:

• Используйте кончики челюстей штангенциркуля, а не их плоскую часть, чтобы избежать получения «средних» значений.
• Не сжимайте челюсти. Большинство пластиковых полимеров достаточно мягкие, чтобы штангенциркуль мог оставить на них вмятины. Это приведет к неточным измерениям.
• Для каждого измерения измеряйте несколько точек на гранях куба (или стенках модели) и усредняйте значения. Недостаточно получить только одно измерение на каждое измерение.
• В связи с этим обратите внимание на выпуклости, которые часто возникают в углах или при смене слоев, и исключите их из расчетов.

Для справки можно принять следующие значения для большинства настольных FDM-машин:

• Более +/- 0,5 мм — плохо
• Менее +/- 0,5 мм — средний результат
• Менее +/- 0,2 мм — хорошо
• Менее +/- 0,1 мм — отлично

В большинстве случаев нецелесообразно стремиться к отличному результату, так как его действительно трудно достичь. Вместо этого стремитесь к тому уровню, который вам действительно нужен, и используйте сэкономленное время и усилия для работы над другими аспектами принтера.

Имейте в виду, что в большинстве случаев положительные погрешности размеров лучше, чем отрицательные. Вы можете отшлифовать отпечатки до нужного размера, но довольно сложно добавить материал после печати!

В любом случае, теперь вы должны знать, насколько серьезна проблема с допуском вашего принтера.

Предлагаемый алгоритм действий: 10 шагов

Калибровка может быть сложной задачей, которую трудно повторить из-за множества взаимозависимостей. Решением этой проблемы является изолирование и настройка каждого параметра или компонента по отдельности, а затем проверка работоспособности всей системы в целом.

Здесь мы предлагаем (но не обязываем) 10-шаговое руководство по устранению неполадок, связанных с точностью. Более сложные шаги будут объяснены в последующих разделах. Эту процедуру можно (и, возможно, следует) выполнять более одного раза за определенный период времени, например, каждый раз, когда вы меняете тип материала или механические компоненты.

1. Распечатайте тестовый куб в качестве эталона.
2. Убедитесь, что ремни натянуты и нет механических препятствий. (Мы обсудим это в разделе «Механика».)
3. Проверьте сопло на наличие засора или экструдер на наличие признаков недоэкструзии.
4. Если вы еще не сделали этого, откалибруйте шаги экструдера.
5. Используйте высококачественный материал, выберите эталонную температуру и придерживайтесь ее. Это позволит свести к минимуму количество переменных, влияющих на результаты, и сосредоточиться на источнике проблемы.
6. Если это доступно в прошивке, откалибруйте linear advance.
7. Откалибруйте поток. (Мы расскажем вам об этом в разделе «Температура сопла и поток»).
8. Перенастройте откаты. Этот шаг необходим после изменения потока или включения линейного продвижения.
9. Распечатайте еще один тестовый куб и сравните его с исходным. Если вы печатаете несколько кубов, запишите использованные настройки и дату.
10. Рассмотрите возможность использования дополнительных настроек в слайсере. Это последний шаг, который можно выполнить в рамках рутинной процедуры, и он является своего рода «последним средством». (Для этого обратитесь к разделу «Компенсация слайсера»).

Важно следовать списку в указанном порядке. В противном случае некоторые настройки переопределят другие и сделают предыдущие тесты недействительными.

Механика и Кинематика

В настоящее время существует множество систем 3D-движения, не считая доступных вариантов и модификаций. К сожалению, все они загрязняются, изнашиваются и требуют обслуживания для работы.

Ниже описано, как обслуживать и устранять механические неисправности. Важно смягчить (или даже устранить) эти проблемы, иначе они проявятся в виде артефактов на напечатанных деталях.

• Ремни: Проверьте степень износа ремней и затяните их. Затяжку обычно выполняют, сжимая ремень вблизи натяжных роликов и проверяя его упругость. Если ремень легко сжимается пальцами, затяните его. Очень простой тест на износ можно провести, проведя бумажным полотенцем по зубьям: если остался черный след, ремень следует заменить.
  • Натяжители ремней не всегда являются улучшением; если они используют гладкие ролики вместо зубчатых шестерен, со временем они сглаживают зубья на ремне. Это может привести к проскакиванию и смещению слоев.
  • Не создавайте слишком большую нагрузку на подшипники шагового двигателя при натяжении ремней. Если в какой-то момент вы почувствуете увеличение сопротивления или значительное повышение температуры двигателя, немного ослабьте их.
• Винты: затяните все винты рамы и убедитесь, что ни один из них не сорван.
• Стол: выровняйте и отрегулируйте стол.
• V-образные профили: они могут сильно загрязняться. Быстрая очистка с помощью универсального чистящего средства и полотенца удалит накопившиеся загрязнения. Если вы заметили чрезмерный износ роликов, ослабьте эксцентриковые гайки, чтобы уменьшить давление. Если вы чувствуете, что каретка «подпрыгивает» при перемещении, возможно, это плоская поверхность на колесах, которую необходимо заменить.
• Рельсы: не забудьте смазать линейные рельсы в соответствии с техническими характеристиками и графиком производителя. Каждый производитель рекомендует свои процедуры и материалы, поэтому придерживайтесь их.
• Штанги: если ваш принтер имеет линейные штанги, осторожно переместите ось, чтобы проверить подшипники и обнаружить любое трение. Осмотрите подшипник на наличие мусора или явных признаков износа.

Убедившись, что все механические компоненты работают правильно, можно переходить к следующему шагу.

Температура сопла и Поток

Поскольку печать по технологии FDM основана на нанесении расплавленного материала, логично, что температура и скорость потока влияют на весь процесс. В частности, более высокие температуры обычно означают меньшую вязкость нити, что изменяет поток. Снижение этих значений может помочь уменьшить перерасход потока, но чрезмерное снижение может привести к недостаточной экструзии. Для этого температурная башня — отличный способ определить оптимальные температуры.

Слайсер определяет поток по стенке с приемлемой базовой точностью, но в некоторых ситуациях может потребоваться переопределить это значение, чтобы значительно улучшить точность однослойных или тонких моделей. Обратите внимание, что может потребоваться адаптация потока для каждого материала и каждой модели.

Для правильной калибровки потока наиболее распространенным является так называемый тест Wall Cube. Вы также можете найти пошаговое руководство от производителя и Teaching Tech. Следуйте всем указаниям, чтобы создать куб, и используйте прилагаемый калькулятор, чтобы определить коэффициент масштабирования потока, который следует использовать в слайсере.

Если поток отклоняется лишь незначительно, возможно, лучше не изменять эту настройку. Возможно, есть и другие причины, такие как изношенное сопло или неправильно настроенные электронные шаги.

Компенсация слайсера

После того, как вы устранили все другие переменные и уверены, что больше ничего нельзя улучшить, можно приступить к изменению G-кода с помощью слайсера.

Усадка

Важно помнить, что некоторые полимеры (такие как ABS, ASA и нейлон) усаживаются при охлаждении. Это означает, что ваша печать будет меньше во всех направлениях на постоянный коэффициент. Производители филаментов указывают этот коэффициент в техническом паспорте, и обычно он составляет 3-6%. Вы также можете рассчитать его самостоятельно, сравнив модель с напечатанной деталью. Чтобы компенсировать это, увеличьте масштаб детали по всем измерениям на несколько процентов. В качестве альтернативы, Cura ввела настройку, предназначенную для того же самого — «Компенсация усадки коэффициента масштабирования». Она работает аналогичным образом и дает тот же результат, что и инструмент масштабирования.

Горизонтальная геометрия

Большинство слайсеров также имеют настройку для изменения геометрии моделей в горизонтальной плоскости. В Cura это «Горизонтальное расширение», а в PrusaSlicer — «Компенсация размера XY». Вы можете применить смещение в миллиметрах ко всем многоугольникам в плоскости XY, чтобы компенсировать неточность. Положительное значение делает объект больше, отрицательное — меньше. Кроме того, в Cura вы можете изменять вертикальные отверстия в моделях с помощью настройки «Горизонтальное расширение отверстий».

Допуски

Хотя настройки расширения могут отлично работать для плоских деталей (таких как коробки или кубические элементы), более органичные формы, как правило, сложнее компенсировать. В таких случаях Cura придет вам на помощь. В меню «Экспериментальные» настройка «Допуски нарезки» указывает механизму нарезки, следует ли помещать все движения по периметру внутри модели (Исключительно), немного снаружи (Включая) или прямо посередине (Посередине). Это позволяет выполнять очень мелкие настройки, которые идеально подходят для небольших ретуширований. Например, если у вас есть две детали, которые должны соединяться, то для достижения наилучших результатов установите для печати мужской элемент как «Исключительный», а женский — как «Включающий». Для повседневного нарезки подходит значение по умолчанию «Середина».

Компенсация при проектировании

Несмотря на то, что все эти исправления могут улучшить точность размеров вашего принтера, вы не можете ожидать 100% точности от ваших отпечатков. Всегда будет оставаться хотя бы небольшая погрешность.

Если вы проектируете детали для печати, учитывайте эту погрешность. Например, если ваш принтер может печатать с точностью до +/- 0,1 мм, попробуйте сделать отверстия для винтов на 0,1 мм больше. Компенсация неточности размеров вашего принтера в процессе проектирования сделает вашу работу намного более плавной.

Вы также можете масштабировать модели других дизайнеров, чтобы они соответствовали допускам вашего устройства. Однако перед масштабированием убедитесь, что вы не измените никаких важных характеристик модели.

Настройте шаги на единицу в прошивке

Это «решение последней инстанции». Если после проверки всех механических компонентов вы обнаружили значительную (более +/- 1 мм) погрешность размеров, вероятно, в прошивке вашего принтера установлено неправильное количество шагов на мм для двигателей осей.

Не прибегайте к этому решению на ранних этапах. В большинстве случаев, особенно с купленными 3D-принтерами, шаги на мм настроены идеально. Если вы сталкиваетесь с неточностью размеров и настраиваете этот уже настроенный параметр, вы можете просто обойти реальную проблему. В результате вы можете заметить ухудшение допусков или другие проблемы.

Чтобы правильно настроить шаги на единицу в прошивке принтера, не используйте размеры из калибровочного куба. Вместо этого измерьте (как можно точнее) расстояние, на которое перемещаются оси при задании перемещения на определенное расстояние.

• Присвойте переменной e — ожидаемое расстояние, o — наблюдаемое расстояние, а s — текущее количество шагов на мм.
• Измерьте e на кубе и найдите s в прошивке.
• Вычислите: (e/o) * s.
• Измените текущее количество шагов на мм в слайсере с помощью этого нового значения.
• Повторите эту операцию для каждой оси.

Примечание: возможно, вам понадобится назначить разные шаги на единицу для каждого двигателя, даже если они одного типа. Отрегулируйте шаги на единицу для каждой оси на основе размеров, измеренных на этой оси.

Эта настройка в прошивке принтера должна значительно улучшить точность размеров. Если вам нужна более подробная инструкция по этому процессу, ознакомьтесь с нашим руководством по калибровке принтера.