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3D打印设计第一部分:3D打印单元测试和公差
发表时间:2018-4-17

欢迎来到我们的博客专栏《3D打印设计(Designing for 3D Printing,DF3DP)》。DF3DP是一个系列文章,专门介绍使用任何3D打印机时要遵循的3D打印技巧和诀窍,3D打印机将帮助您减少生产成本,打印时间和材料,同时我们还将向您展示3D打印机是如何按照您最初的设计方案来协助完成您的零部件。
每当您发现花费大量时间和材料打印出的零部件,根本不符合您最初的设计要求时,不用担心,我们会一直陪伴在您身边帮您解决问题。3D打印是一个无人值守的制造过程,所以一旦您将事先设计好的CAD模型发送到打印机后,您就无需再进行修改。零件可能需要数小时甚至数天,如果您需要在最后期限前打印完成,从时间或金钱的角度来看,使用更正的容差可以有效避免重印零部件给您带来的损失。由于3D打印的零部件使用熔融丝制造技术(fusedfilament fabrication,FFF),最终成型的3D打印零部件尺寸可能会被压缩,由于3D打印机通常不会精确的打印出您最初设置好的尺寸,因此打印前我们需要考虑到公差。在这篇文章中,我将指引您如何确保3D打印容差是正确的,以避免等到零部件打印出来后才发现错误。
这时单元测试便在3D打印零部件时派上了用场。单元测试传统意义上来说是一种软件术语,主要目的是针对一小段代码片段进行独立运行,测试成功后再将它们合并到完整的脚本中。我们打算通过3D打印来完成同样的事情:快速打印局部零部件,然后将其集成到更大的设计中,以便在打印出完整零部件之前验证或测试它们的功能和适用性。

(我正在设计用Markforged打印机制作的3D打印微重量战斗机器人) 

例如,我正在设计的这款3D打印的微重量战斗机器人原型,其顶部通过一组楔形榫头拖动的凹槽(其中一个在下面圈出)滑动到底座上。由于这两部分零件需要107个小时才能打印完成,所以我想在打印所有零部件之前先进行3D打印单元测试以确保凹槽尺寸的正确性。

(图中用红圈标注出的战斗机器人底盘两侧是一个凹槽,它将两个零件锁定在一起)

设计一个3D打印单元测试
精心设计的单元测试应该能快速、简单的进行原型设计且方便打印(我通常关注大约半小时到一小时的打印工作)。我模拟测试了一对微型凹槽,然后制作了不同偏移距的复制品,范围从楔形榫头的所有面上的无偏移量到-0.2毫米偏移量。这意味着每个凹槽轮廓比最终成品的更薄。

(每组手指的容差都稍有不同,我可以在它们每一个上测试母滑块轮廓)

我还为不同偏移距的样件标上了记号,以便我能认清不同尺寸的零件,如下图所示:

(这个3D打印的单元测试可以让我发现哪种尺寸最好)

测试3D打印单元测试
需要记住的一件事就是打印单元测试的方向,以便保证最终零件的打印精度能尽可能准确地进行测试。打印只需花费1小时15分钟,比打印整个机器人底盘快得多,然后发现我的滑入式凹槽的公差不好。

(凹槽轨道的3D打印测试)

为了测试它,我只是将凹槽轮廓片滑到不同的滑轨上,从最大的面偏移量(-0.2毫米)开始,并按照我的方式一个个轨道进行测试,直到偏移0.0毫米结束。

(测试3D打印单元测试,最终发现-0.05毫米的公差符合我的要求)

-0.2毫米的偏移轮廓非常松散 - 我不希望机器人的顶部轻易脱落。-0.15毫米和-0.1毫米的男性形象是体面的,但不像我想要的那样舒适。 -0.05毫米的偏移最后恰到好处 - 足够舒服,它不容易被敲打,我可以用一点压力将它滑下。最后的轮廓,0.0毫米的偏移,对我的喜好来说有点过于紧张。现在,我可以在最终设计中输入-0.05偏移值,并且我确定它会按照我希望的方式滑动。 还有一些功能可以实际锁定顶部,但连接两个部件的凹槽是我不确定的公差。

(将最终的偏移尺寸添加到3D打印的战斗机器人)

单元测试的其他应用

单元测试对于任何类型的公差都是非常有价值的,即使您只是想了解您的打印机在某些情况下的测试效果。例如,要了解给定3D打印机上的孔公差,您可能需要打印机提供如下所示的内容:

(您可以使用像这样的孔容差测试来确保打印机的准确性以及通过设计的孔尺寸和实际测量结果相互比较来确定螺栓孔所需的容差)

然后,您可以测量孔的尺寸,并将测量值与CAD模型中的尺寸值进行比较,从而使您能够清楚地了解在3D打印的零件上每个平面上所需的孔容差。 然后,您可以使用此测试结果作为在未来设计工作的参考,并且它可以帮助很多3D打印部件的校验和测试。此外,使用Markforged 3D打印机,您可以更近一步利用单元测试:假设您确实需要打印出整个机器人底盘,但首先必须您确定必须使用碳纤维材料。您可以先制作3D打印合身原型去进行测试,以便在添加碳纤维进行打印之前测试所有组件是否适合您的3D打印零部件(或使用其他方式)。这样既减少材料浪费又能降低成本,因此您可以在进行打印之前测试纤维填充零部件的最终几何形状和形状。

(用于3D打印相机镜头罩的3D打印单元测试。用于确认它能够被锁定在镜头上的薄环需要15分钟的时间才能打印,而镜头罩整体需要4.5小时打印)

单元测试的真正价值
所以我们可以说打印了整个底盘和顶部,并且我弄乱了凹槽的公差。然后,我需要再次打印这整个零件,否则我将不得不花费几个小时去钻研一个非常微小的几何形状,而没有人真的想这样做。后期对3D打印部件进行打磨以使其能够尺寸合适,特别是当它们涉及小型几何体时,通常会留下划痕,表面粗糙度差,并且可能会意外破坏零部件功能性或暴露3D打印零部件的内部结构。很显然,两次3D打印大型零件不如花费更多设计时间,然后打印一个小零件和一个大零件,以下是机器人打印的详情表,以防您无法确信3D打印单元测试是否完成:

(单元测试只耗费了一小部分时间,无需后处理)

单元测试对校对大型3D打印零部件是至关重要的,它可以帮您减小因为打印尺寸问题而引发重复打印的概率。零件后处理是大多数人在3D打印后期必须经历的一个过程,无论是打磨表面,钻孔还是减小误差的环节。在与Mark Two一样可靠和精确的3D打印机上,后期处理便不再是您必须采取的步骤,单元测试可以确保您的零件能最大程度的按照您希望的方式打印成型。

亿达四方公司背景:

北京亿达四方信息技术有限公司作为美国Stratasys公司授权经销商,为北京奔驰提供Stratasys F123系列3D打印机的选型和技术服务,为了给广大客户提供更加专业和完善的3D打印解决方案,亿达四方公司成立了子公司——华融普瑞(北京)科技有限公司作为各个行业最专业3D打印设备及材料定制研发供应商,欢迎客户咨询洽谈: www.3dpways.com  Tel:400-707-5008

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