3D-Druck meistern: Teil 1 – Unit Tests & Toleranzen für präzise, kosteneffiziente Builds

Willkommen zu unserer neuen Blogserie Designing for 3D Printing (DF3DP). DF3DP widmet sich 3D-Druck-Tipps und -Tricks für jeden 3D-Drucker, die Sie durch Kostenreduktion, Druckzeit- und Materialeinsparung führen und zeigen, wie Sie Ihre Bauteile beim ersten Versuch so erhalten, wie Sie sie wollen.

Wir alle kennen das: Sie drucken ein Bauteil, das Stunden dauert, nur um festzustellen, dass es nicht ganz so passt, wie Sie es wollten – und damit wertvolle Druckzeit und Material für ein schlechtes Bauteil verschwenden. 3D-Druck ist ein hands-off Fertigungsprozess; einmal das CAD-Modell an den Drucker gesendet, gibt es wenig zu ändern. Bauteile können Stunden oder sogar Tage dauern, und wenn Sie einen Termin einhalten müssen, ist ein kompletter Neudruck mit korrigierten Toleranzen manchmal kein Luxus, den Sie sich leisten können – weder zeitlich noch finanziell. Da FFF-3D-gedruckte Bauteile durch thermische Kontraktion schrumpfen, drucken 3D-Drucker oft nicht exakt die Maße, die Sie vorgeben, daher ist Toleranzberücksichtigung notwendig. In diesem Beitrag führe ich Sie durch die Sicherstellung korrekter 3D-Drucktoleranzen vor dem Druck des gesamten Bauteils, nur um festzustellen, dass sie falsch sind.

Hier kommen Unit Tests für 3D-gedruckte Bauteile ins Spiel. Ein Unit Test ist traditionell ein Softwarebegriff – im Wesentlichen das Testen, dass kleine Code-Snippets unabhängig funktionieren, bevor sie in das vollständige Skript integriert werden. Wir machen dasselbe mit 3D-Druck: kleine, schnelle Segmente dessen drucken, was später in ein größeres Design integriert wird, um deren Funktionalität und Passform zu verifizieren, bevor ein enormes Bauteil gedruckt wird.

Beispiel: Die Oberseite dieses Prototyp-3D-gedruckten Antigewicht-Kampfroboters, den ich designe, gleitet über eine Reihe von Schwalbenschwanz-inspirierten Nuten auf die Basis (eine ist unten eingekreist). Beide Bauteile zusammen benötigen 4 Tage und 7 Stunden Druckzeit, also möchte ich einen 3D-gedruckten Unit Test erstellen, um sicherzustellen, dass die Nuten die korrekte Größe haben, bevor ich alles drucke.

Einen guten Unit Test für 3D-Druck designen

Ein gut designter Unit Test sollte schnell und einfach zu designen und zu drucken sein (ich ziele meist auf ca. 30 Minuten bis eine Stunde Druckzeit ab). Ich modellierte eine einzelne Miniaturversion der Nutpaare und erstellte dann Kopien mit unterschiedlichen Flächenversatzabständen, von keinem Versatz bis zu -0,2 mm Versatz auf allen Flächen des Schwalbenschwanzes. Das bedeutet, dass jedes männliche Nutprofil dünner war als das vorherige.

Ich fügte auch Nummerierung hinzu, damit ich mich erinnern konnte, welcher Versatzabstand welcher war, wie im CAD-Screenshot unten gezeigt:

Testen des 3D-gedruckten Unit Tests

Wichtig: Drucken Sie Ihren Unit Test in der Orientierung, in der das finale Bauteil gedruckt wird, um den Test so präzise wie möglich zu machen. Der Druck dauerte nur 1 Stunde 15 Minuten – viel besser als den gesamten Roboter-Chassis zu drucken und dann festzustellen, dass meine Aufschiebe-Nuten nicht gut toleranziert waren.

Zum Testen schob ich einfach das weibliche Nutprofil auf jedes männliche Profil, beginnend beim größten Flächenversatz (-0,2 mm) und arbeitend mich zu 0,0 mm Versatz vor.

Das -0,2 mm Versatzprofil war sehr locker – ich möchte nicht, dass der Roboteroberteil einfach abrutscht. Die -0,15 mm und -0,1 mm männlichen Profile waren okay, aber nicht so fest, wie ich es gerne hätte. Der -0,05 mm Versatz erwies sich als perfekt – fest genug, dass er nicht einfach abklopft, und ich konnte ihn mit etwas Druck abschieben. Das finale Profil, 0,0 mm Versatz, war etwas zu fest für meinen Geschmack. Nun kann ich den -0,05 Versatzwert in mein finales Design eingeben und bin sicher, dass es so gleitet, wie ich es will. Es gibt noch ein paar Features, die den Oberteil tatsächlich verriegeln, aber die Nuten, die die beiden Teile verbinden, waren die Toleranzen, bei denen ich unsicher war.

Weitere Anwendungen von Unit Tests

Unit Tests sind wirklich wertvoll für jegliche Art von Toleranzen, selbst wenn Sie nur ein gutes Gefühl dafür bekommen wollen, wie sich Ihr Drucker unter bestimmten Bedingungen verhält. Zum Beispiel, um ein Gefühl für Bohrlochtoleranzen auf einem gegebenen 3D-Drucker zu bekommen, möchten Sie vielleicht so etwas drucken:

Sie können dann die Bohrlochgrößen messen und den gemessenen Wert mit dem in Ihrem CAD-Modell dimensionierten Wert vergleichen, was Ihnen ein gutes Gefühl für die Bohrlochtoleranz gibt, die Sie in jeder Ebene bei Bauteilen lassen müssen, die Sie 3D-drucken werden. Sie können diesen Test dann als Referenz für zukünftige Designarbeiten nutzen und er kann beim Design nicht nur eines, sondern vieler 3D-gedruckter Bauteile helfen.

Zusätzlich können Sie mit unserem Drucker den Unit-Test-Prozess einen Schritt weiterführen: Sagen Sie, Sie müssen diesen ganzen Roboter-Chassis drucken, aber wollen sicherstellen, dass alle Komponenten hineinpassen, bevor Sie sich verpflichten, Kohlenstofffaser zur Verstärkung des Rahmens zu nutzen. Sie können einen sogenannten 3D-gedruckten Fit-Prototyp erstellen, um zu testen, ob alle Ihre Komponenten in Ihre 3D-gedruckten Bauteile passen (oder umgekehrt), bevor Sie Faser in den Druck einführen. Dies reduziert erneut Materialverschwendung und senkt Kosten, sodass Sie die finale Geometrie und Form fasergefüllter Bauteile testen können, bevor Sie sich zum Drucken verpflichten.

Der wahre Wert von Unit Tests:

Angenommen, ich drucke diesen gesamten Chassis und Oberteil, und ich verhau die Nut-Toleranz. Dann müsste ich das Ganze zweimal drucken, oder ich müsste ein paar Stunden an einem ziemlich weird kleinen geometrischen Feature herumfeilen, und niemand will das wirklich. Feilen oder Schleifen 3D-gedruckter Bauteile, um sie passend zu machen, besonders bei kleinen Geometrien, hinterlässt oft Narben, schlechte Oberflächenqualität und sie können das Feature versehentlich brechen oder die interne Struktur eines 3D-gedruckten Bauteils freilegen. Es ist ziemlich offensichtlich, dass ein großes Bauteil zweimal zu drucken nicht so gut ist wie etwas mehr Designzeit zu investieren und dann ein kleines und ein großes Bauteil zu drucken, aber hier sind die Zahlen für meinen Roboter, falls Sie noch nicht von 3D-gedruckten Unit Tests überzeugt sind:

Unit Tests sind kritisch für große 3D-gedruckte Bauteile, wenn Sie wollen, dass sie beim ersten Versuch richtig herauskommen. Nachbearbeitung ist ein Prozess, den die meisten Leute beim 3D-Druck einfach erwarten – ob Schleifen von Oberflächen, Aufbohren von Löchern oder Feilen von missdimensionierten Verbindungen. Auf einem so zuverlässigen und präzisen Drucker wie dem Mark Two Composite 3D-Drucker muss Nachbearbeitung kein Schritt sein, den Sie machen müssen, und mit Unit Tests können Sie sicherstellen, dass Ihre Bauteile so herauskommen, wie Sie sie wollen.

Wenn Sie diese Tests selbst ausprobieren wollen, können Sie sie hier herunterladen.

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