Genauigkeit, Präzision und Toleranz beim 3D-Druck

Die Tatsache, dass ein 3D-Drucker unter seinen Spezifikationen „hohe Auflösung“ hat, bedeutet nicht, dass alle 3D-gedruckten Teile genau und präzise sind. Das Verständnis der Bedeutung von Genauigkeit, Präzision und Toleranz ist unerlässlich, um bei jedem 3D-Druck ein gutes Ergebnis zu erzielen. Nachfolgend erläutern wir, was jeder dieser Begriffe im Zusammenhang mit dem 3D-Druck bedeutet.

Genauigkeit

Wir verstehen genau, wie nah eine Messung an ihrem wahren Wert liegt. Wenn wir ein Beispiel als Ziel setzen, ist ein Schuss umso genauer, je näher er an der Mitte des Ziels ist. Beim 3D-Druck sind die projizierten Abmessungen im CAD-Design der wahre Wert. Daher ist die Genauigkeit eines 3D-gedruckten Teils umso größer, je mehr es seinem digitalen Design ähnelt.

Präzision

Die Genauigkeit misst die Wiederholbarkeit einer Messung. Nach dem Beispiel des Ziels könnten die Schüsse immer in der Nähe des gleichen Punktes einschlagen (was genau wäre), obwohl dieser Punkt möglicherweise nicht die Mitte des Ziels ist. Im Kontext des 3D-Drucks bedeutet dies Zuverlässigkeit, um bei jedem Druck die erwarteten Ergebnisse zu erzielen. Im Bereich der Technik wird beim Vergleich verschiedener 3D-Druckmaterialien der Begriff „Präzision“ verwendet, um sich auf die Fähigkeit eines Materials zu beziehen, sehr komplexe Geometrien zu drucken.

Bild 1:Beispiel für Unterschiede zwischen Genauigkeit und Präzision. Quelle:Formlabs

Toleranz

Die Toleranz definiert, wie genau sie in einem bestimmten 3D-Druck sein muss. Die Toleranz wird vom Benutzer definiert und hängt von jeder spezifischen Anwendung ab. Beispielsweise erfordert eine mechanische Montagekomponente strengere Toleranzen als der 3D-Druck eines Kunststoffgehäuses.

Um auf das Beispiel des Ziels zurückzukommen, im Beispiel links sind die Schüsse sehr nahe beieinander und wir können sie als genau definieren, während sie im Beispiel rechts weiter voneinander entfernt sind und wir sagen könnten, dass sie es sind sind nicht genau. Wenn wir nun als Toleranz einen akzeptablen Genauigkeitsbereich mit einem Abstand von 3 Ringen definieren, dann würden die Schüsse innerhalb der Spezifikationen liegen.

Bild 2:Toleranz ist der akzeptable Genauigkeitsbereich. Quelle:Formlabs

Genauigkeit und Präzision im 3D-Druck

Bei der Auswahl eines 3D-Druckers ist es sehr wichtig, die spezifischen Bedürfnisse zu ermitteln. Dafür ist es wichtig, die Konzepte von Genauigkeit und Präzision zu verstehen.

Ein ungenauer und genauer 3D-Drucker kann für bestimmte Anwendungen die beste Option sein. Beispielsweise produziert ein kostengünstiger FDM-3D-Drucker weniger genaue Teile, aber für Bildungszwecke, bei denen Schüler etwas über den 3D-Druck lernen, ist es möglicherweise nicht wichtig, dass die Abmessungen des gedruckten Teils genau mit denen des CAD-Designs übereinstimmen. Es ist jedoch wichtig, darauf vertrauen zu können, dass der 3D-Drucker innerhalb der Toleranzen, die der Benutzer benötigt, konsistent wie erwartet funktioniert, um ein erfolgreiches Erlebnis zu erzielen.

Im Gegenteil, für Anwendungen in der Industrie ist sicherlich ein 3D-Drucker erforderlich, der Genauigkeit und eine gute Genauigkeit mit sehr engen Toleranzen garantiert.

Es gibt vier Hauptfaktoren, die die Genauigkeit und Präzision eines 3D-Druckers bestimmen:

1. 3D-Drucktechnologie

Der 3D-Druck ist ein additiver Prozess, bei dem Teile in Schichten aufgebaut werden und jede Schicht das Risiko von Ungenauigkeiten birgt. Außerdem beeinflusst der Prozess, durch den Schichten gebildet werden, den Genauigkeitsgrad (Wiederholbarkeit) der Schichten. Bei einem 3D-FDM-Druck werden die Schichten durch eine Düse (Düse) extrudiert, die nicht in der Lage ist, komplexe Details zu erzielen, während beim 3D-Stereolithographie-Druck (SLA) das flüssige Harzmaterial mit einem hochpräzisen Laser gehärtet wird, um jede Schicht zu bilden in der Lage, viel feinere und zuverlässigere Details zu erzielen, wenn es darum geht, wiederholt qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

Bild 3:Unterschied zwischen in FDM (links) und SLA (rechts) gedruckten Teilen. Quelle:Formlabs

Die Angaben des 3D-Druckers allein stellen noch nicht die endgültige Maßhaltigkeit dar. Ein häufiger Fehler ist die Beschreibung der XY-Auflösung als Maßhaltigkeit. Bei DLP-Druckern (Digital Light Processing) ist die XY-Auflösung die projizierte Pixelgröße. Viele 3D-Druckersysteme verwenden diese projizierte Pixelgröße oder XY-Auflösung als Gesamtgenauigkeitswert (z. B. wenn man eine projizierte Pixelgröße von 75 Mikrometer nimmt und angibt, dass die Genauigkeit der Maschine ± 75 Mikrometer beträgt). Diese Daten haben jedoch keine Auswirkungen auf die Genauigkeit eines gedruckten Stücks. Es gibt viele Fehlerquellen, die sich auf die Genauigkeit auswirken können, von Komponenten bis zur Kalibrierung, sowie die folgenden Faktoren, die wir analysieren werden (Materialien und Nachbearbeitung). Kurz gesagt, der beste Weg, einen 3D-Drucker zu bewerten, besteht darin, reale Teile mit theoretischen zu vergleichen.

2. Materialien

Die Eigenschaften des für den 3D-Druck verwendeten Materials können auch die Wahrscheinlichkeit einer Verformung eines Drucks beeinflussen. Wie bereits erwähnt, hängt alles von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Beim dentalen 3D-Druck ist Genauigkeit in Bezug auf das 3D-Design von entscheidender Bedeutung, daher gibt es spezielle Produkte für diese Anwendungen, die ein sehr genaues Ergebnis garantieren. Im Gegensatz dazu ist Genauigkeit beim 3D-Druck eines nicht funktionsfähigen Prototyps, bei dem das Ziel möglicherweise einfach darin besteht, eine allgemeine Vorstellung vom physischen Produkt zu haben, weniger wichtig.

3. Nachbearbeitet

Normalerweise erfordern 3D-gedruckte Teile mit Harz einen Aushärtungsprozess nach dem Drucken, bei dem sich das Teil zusammenziehen kann. Dies muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das resultierende Teil nach dem Aushärtungsprozess in Bezug auf die ursprüngliche CAD-Konstruktion maßhaltig ist.

4. Ökosystem

Um einen erfolgreichen 3D-Druck zu erreichen, muss nicht nur auf den 3D-Druck selbst, sondern auf den gesamten Prozess geachtet werden. Das Design, die Laminiersoftware, die Materialien, die Temperatur, die Nachbearbeitungswerkzeuge … alles beeinflusst das Endergebnis.