Domine a Impressão 3D: Parte 1 — Testes Unitários e Tolerâncias para Construções Precisas e Custo-Eficientes

Bem-vindo à nossa nova série de blog, Designing for 3D Printing (DF3DP). DF3DP é uma série dedicada a dicas e truques de impressão 3D para seguir ao usar qualquer impressora 3D, guiando você na redução de custos, tempo de impressão e material, além de mostrar como obter suas peças do jeito que você quer na primeira tentativa.

Todos já passamos por isso: você imprime uma peça que leva horas, só para descobrir que ela não exatamente encaixa do jeito que você queria, desperdiçando tempo precioso de impressão e material em uma peça ruim. A impressão 3D é um processo de manufatura hands-off, então, uma vez que você envia seu modelo CAD para a impressora, não há muito o que mudar. Peças podem levar horas ou até dias, e se você tem um prazo a cumprir, reimprimir a peça inteira com tolerâncias corrigidas às vezes não é um luxo que você pode pagar, seja do ponto de vista de tempo ou monetário. Como peças impressas em 3D feitas com FFF (fabricação por filamento fundido) encolhem devido à contração térmica, impressoras 3D frequentemente não imprimem exatamente as dimensões que você diz a elas, então contabilizar tolerância é necessário. Neste post, guiarei você sobre como garantir que as tolerâncias de impressão 3D estejam corretas antes de imprimir a peça inteira só para descobrir que estão erradas.

É aqui que os testes unitários de peças impressas em 3D entram em jogo. Um teste unitário é tradicionalmente um termo de software, essencialmente testar que pequenos trechos de código funcionam independentemente antes de incorporá-los ao script completo. Vamos fazer a mesma coisa com impressão 3D: imprimir pequenos segmentos rápidos do que será integrado posteriormente em um design maior para verificar ou testar sua funcionalidade e encaixe antes de imprimir uma peça enorme.

Por exemplo, o topo deste protótipo de robô de combate antweight impresso em 3D que estou projetando desliza sobre a base através de um conjunto de ranhuras inspiradas em cauda de andorinha (uma está circulada abaixo). Ambas as peças combinadas levam 4 dias e 7 horas para imprimir, então quero fazer um teste unitário impresso em 3D para garantir que as ranhuras tenham o tamanho correto antes de imprimir tudo.

Projetando um Bom Teste Unitário para Impressão 3D

Um teste unitário bem projetado deve ser rápido e fácil de tanto projetar quanto imprimir (geralmente visando cerca de meia hora a uma hora de trabalho de impressão). Modelei uma versão miniatura única dos pares de ranhuras, e então fiz cópias com diferentes distâncias de offset de face, variando de nenhum offset a -0,2 mm de offset em todas as faces da cauda de andorinha. Isso significa que cada perfil de ranhura macho era mais fino que o anterior.

Também adicionei numeração para me lembrar qual distância de offset era qual, como mostrado na captura de tela do CAD abaixo:

Testando o Teste Unitário Impresso em 3D

Uma coisa a lembrar é imprimir seu teste unitário na orientação em que a peça final será impressa, para tornar o teste o mais preciso possível. A impressão levou apenas 1 hora e 15 minutos, muito melhor do que imprimir o chassi inteiro do robô e depois descobrir que minhas ranhuras de encaixe não eram bem toleradas.

Para testar, apenas deslizei o perfil de ranhura fêmea sobre cada perfil macho, começando do maior offset de face (-0,2 mm) até 0,0 mm de offset.

O perfil de -0,2 mm de offset estava muito frouxo — não quero que o topo do robô simplesmente deslize para fora. Os perfis macho de -0,15 mm e -0,1 mm eram decentes, mas não tão justos quanto eu gostaria. O offset de -0,05 mm acabou sendo perfeito — era justo o suficiente para não ser derrubado facilmente, e eu podia deslizá-lo para fora com um pouco de pressão. O perfil final, offset 0,0 mm, estava um pouco apertado demais para meu gosto. Agora, posso inserir o valor de offset -0,05 no meu design final, e tenho certeza de que ele vai deslizar do jeito que quero. Existem mais alguns recursos que realmente travam o topo no lugar, mas as ranhuras conectando as duas peças eram as tolerâncias sobre as quais eu estava inseguro.

Outros Usos de Testes Unitários

Testes unitários são realmente valiosos para qualquer tipo de tolerância, mesmo se você apenas quiser ter uma boa noção de como sua impressora se comporta sob certas condições. Por exemplo, para ter uma noção de tolerâncias de furos em uma determinada impressora 3D, você pode querer imprimir algo como isto:

Você pode então medir os tamanhos dos furos e comparar o valor medido ao valor dimensionado no seu modelo CAD, dando uma boa noção da tolerância de furo que você precisará deixar em cada plano em peças que você imprimirá em 3D. Você pode então usar este teste como referência para futuros trabalhos de design e ele pode ajudar a projetar não apenas uma, mas muitas peças impressas em 3D.

Além disso, com nossa impressora, você pode levar o processo de teste unitário um passo adiante: digamos que você precise imprimir todo este chassi do robô, mas queira ter certeza de que todos os componentes cabem dentro antes de se comprometer a usar fibra de carbono para fortalecer a estrutura. Você pode fazer o que é chamado de protótipo de ajuste impresso em 3D para testar se todos os seus componentes cabem dentro de suas peças impressas em 3D (ou vice-versa) antes de introduzir fibra na impressão. Isso novamente reduz desperdício de material e corta custos para que você possa testar a geometria e forma final de peças com fibra antes de se comprometer a imprimi-las.

O Verdadeiro Valor dos Testes Unitários:

Digamos que eu imprima este chassi e topo inteiros, e eu erre a tolerância da ranhura. Então eu precisaria imprimir tudo duas vezes, ou gastaria algumas horas lixando uma característica geométrica pequena e estranha, e ninguém realmente quer fazer isso. Lixar ou esmerilhar peças impressas em 3D para fazê-las encaixar, especialmente quando envolvem geometrias pequenas, frequentemente deixam cicatrizes, acabamento superficial ruim e podem acidentalmente quebrar a característica ou expor a estrutura interna de uma peça impressa em 3D. É bem óbvio que imprimir uma peça grande duas vezes não é tão bom quanto gastar um pouco mais de tempo de design e então imprimir uma peça pequena e uma grande, mas aqui estão os números para meu robô caso você não esteja convencido sobre testes unitários impressos em 3D ainda:

Testes unitários são críticos para peças grandes impressas em 3D se você quiser que elas saiam certas na primeira tentativa. Pós-processamento é um processo que a maioria das pessoas espera apenas lidar ao imprimir em 3D, seja lixando superfícies, furando furos ou lixando juntas mal dimensionadas. Em uma impressora tão confiável e precisa quanto a Mark Two compósito 3D, o pós-processamento não precisa ser um passo que você precise dar, e com testes unitários você pode garantir que suas peças sairão do jeito que você quer.

Se você quiser conferir esses testes por si mesmo, pode baixá-los aqui.

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