Precisão dimensional de peças impressas em 3D

Introdução

O objetivo deste artigo é fornecer a engenheiros e designers um método para comparar a precisão dimensional esperada que pode ser obtida a partir de tecnologias de impressão 3D. Embora todas as tecnologias tenham pontos fortes e fracos, os 2 fatores mais determinantes para a impressão de uma peça de acordo com as especificações são:

Design - A precisão de uma peça impressa depende muito do design. Variações no resfriamento e na cura resultam em tensões internas que podem levar a empenamento ou encolhimento. A impressão 3D não é adequada para superfícies planas ou recursos longos e finos sem suporte. A precisão também diminuirá à medida que os tamanhos das peças se tornarem maiores. Recomendações de design específicas para cada uma das tecnologias discutidas neste artigo podem ser encontradas no Capítulo 5 da Base de Conhecimento.

Materiais - Assim como o design, a precisão também depende do material. Muitas vezes, a precisão de uma peça é sacrificada pelo aprimoramento de uma propriedade específica do material. Por exemplo, uma resina SLA padrão produzirá peças dimensionalmente mais precisas do que a resina flexível. Para peças em que a alta precisão é crítica, são recomendados materiais de impressão padrão.

Variáveis ​​de precisão

Para ajudar a quantificar a precisão de uma peça impressa em 3D, os seguintes parâmetros serão usados.

• Precisão dimensional - valores quantitativos de fabricantes de máquinas e fornecedores de materiais que indicam a precisão esperada das peças. Todas as tolerâncias indicadas referem-se a peças bem projetadas em máquinas bem calibradas.
  
• Deformação ou encolhimento - a probabilidade de uma peça deformar ou encolher durante o estágio de impressão. Isso depende muito do projeto, mas alguns processos produzem peças que correm mais risco de deformar ou encolher.
  
• Requisitos de suporte - para muitas tecnologias de impressão 3D, a quantidade de suporte usada determinará a precisão com que uma superfície ou recurso é impresso. A desvantagem disso é que o suporte afeta o acabamento da superfície de uma peça, pois ela deve ser removida.
  
  

Para obter informações sobre o tamanho mínimo do recurso e os detalhes que cada tecnologia de impressão 3D pode alcançar, consulte aqui. A altura da camada de impacto em uma peça impressa em 3D é discutida neste artigo.

FDM

A modelagem de deposição fundida (FDM) é mais adequada para prototipagem de baixo custo, onde a forma e o ajuste são mais importantes do que a função. A FDM produz peças uma camada por vez extrudando um termoplástico em uma placa de construção.

Para peças grandes, isso pode levar a grandes variações de temperatura na plataforma de construção. À medida que diferentes áreas da peça esfriam em taxas diferentes, o estresse interno faz com que a impressão se deforme, levando a empenamento ou encolhimento. Soluções como jangadas de impressão, leitos aquecidos e raios em bordas e cantos vivos podem ajudar a reduzir isso.

Os materiais Differnet são mais propensos a deformar do que outros. Por exemplo, o ABS é conhecido por ser mais suscetível à deformação do que o PLA.

Tolerância dimensional	± 0,5% (limite inferior:± 0,5 mm) - desktop± 0,15% (limite inferior:± 0,2 mm) - industrial
Encolhimento/deformação	Os termoplásticos que exigem uma temperatura de impressão mais alta correm mais riscos. Recomenda-se adicionar um raio na borda inferior em contato com a placa de construção ou uma aba. O encolhimento geralmente ocorre na faixa de 0,2 a 1%, dependendo do material.
Requisitos de suporte	Essencial para conseguir uma peça precisa. Obrigatório para saliências maiores que 45 o graus.

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SLA

As impressoras SLA (estereolitografia) usam um laser para curar por UV áreas específicas de um tanque de resina para formar uma parte sólida uma seção transversal de cada vez. Essas áreas curadas, no entanto, não estão com força total até o pós-processamento com UV. Por causa disso e do ângulo e das orientações em que as peças SLA são normalmente impressas, pode ocorrer a queda de vãos não suportados.

À medida que uma camada é construída por vez, esse efeito se torna cumulativo, levando às discrepâncias dimensionais às vezes vistas em peças altas de SLA. As discrepâncias dimensionais também podem ocorrer devido ao processo de descascamento usado por algumas impressoras SLA. A força de tração durante o processo de descascamento pode fazer com que a impressão macia dobre, que novamente pode se acumular à medida que cada camada é construída.

Resinas que possuem propriedades de flexão mais altas (menos rígidas) correm maior risco de empenamento e podem não ser adequadas para aplicações de alta precisão.

Tolerância dimensional	± 0,5% (limite inferior:± 0,10 mm) - desktop± 0,15% (limite inferior:± 0,01 mm) - industrial
Encolhimento/deformação	Provavelmente para períodos não suportados.
Requisitos de suporte	Essencial para obter uma peça precisa.

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SLS

A sinterização seletiva a laser (SLS) produz peças com alta precisão e pode imprimir projetos com geometria complexa. Um laser sinteriza seletivamente o pó uma camada de cada vez para formar uma parte sólida.

Para restringir a probabilidade de as peças deformarem ou encolherem durante a impressão, as impressoras SLS usam câmaras de construção aquecidas que aquecem o pó logo abaixo da temperatura de sinterização. No entanto, isso ainda resulta em gradientes de temperatura em grandes peças SLS, onde a parte inferior da peça esfriou enquanto as camadas superiores recém-impressas permanecem em uma temperatura elevada. Para mitigar ainda mais a probabilidade de ocorrer deformação, as peças são deixadas no pó para esfriar lentamente (geralmente por 50% do tempo total de construção).

Tolerância dimensional	± 0,3% (limite inferior:± 0,3 mm)
Encolhimento/deformação	O encolhimento geralmente ocorre na faixa de 2 a 3%, mas a maioria dos fornecedores de impressão SLS permite isso no design.
Requisitos de suporte	Não obrigatório.

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Jato de material

O jateamento de material é considerado a forma mais precisa de impressão 3D. Como não há calor envolvido no processo de impressão, raramente ocorrem deformações e encolhimento.

A maioria dos problemas de precisão dimensional estão relacionados a recursos e paredes finas que são impressos abaixo das especificações da impressora. As impressões com jato de material são suportadas como uma estrutura sólida a partir de um material secundário macio que é removido após a impressão. A natureza sólida do suporte resulta em superfícies em contato com o suporte sendo impressas com um alto nível de precisão. Deve-se ter cuidado ao manusear peças produzidas por meio de jateamento de material, pois elas podem deformar e mudar dimensionalmente como resultado da exposição ao calor ambiente, umidade ou luz solar.

Tolerância dimensional	± 0,1% (limite inferior:± 0,05 mm)
Encolhimento/deformação	Não é um problema para jateamento de material.
Requisitos de suporte	Essencial para conseguir uma peça precisa.

Impressão 3D em metal

A impressão de metal (especificamente DMLS e SLM) usa um laser para sinterizar seletivamente ou derreter pó de metal para produzir peças de metal. Assim como o SLS, a impressão em metal produz peças uma camada de cada vez em um ambiente controlado e aquecido em máquinas de tamanho industrial. Essa construção camada por camada, juntamente com as temperaturas muito altas envolvidas no processo, cria gradientes térmicos extremos, e o efeito líquido é que as tensões são incorporadas à peça.

Como resultado, as peças impressas em metal correm um alto risco de distorcer ou deformar, o que significa que boas práticas de design e orientação das peças são essenciais para obter uma peça precisa. Ao contrário do SLS, as estruturas de suporte são vitais para minimizar a distorção da peça durante a produção. As peças também são geralmente construídas sobre uma placa de metal sólida e precisam ser removidas assim que o processo de impressão estiver concluído. É necessária uma boa compreensão do processo, juntamente com estruturas de suporte sólidas e treliçadas para manter a peça firmemente presa à mesa de impressão e impedir que ela se solte. A maioria das peças também sofre alívio de tensão (por meio de um processo de tratamento térmico) após a construção e antes da remoção da placa de construção (isso permite que a estrutura cristalina relaxe, evitando falhas posteriores).

Como o custo das peças metálicas impressas em 3D é alto, as simulações são frequentemente usadas para validar a precisão de um projeto, antes de iniciar o trabalho de impressão.

Tolerância dimensional	± 0,1 mm
Encolhimento/deformação	Peças com alto risco de encolhimento ou deformação. A órtese e o suporte são usados ​​para ajudar a reduzir a probabilidade de isso ocorrer.
Requisitos de suporte	Essencial para obter uma peça precisa.

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Regras gerais

• Para obter a mais alta precisão (e quando o orçamento não for uma restrição), o Material Jetting é a solução ideal.
  
• Para alta precisão, o SLA é recomendado para peças menores que 1.000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm) e SLS para peças com dimensões superiores a 1000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm).
  
• Prototipagem rápida e econômica FDM é a melhor solução.