Genauigkeit, Präzision und Toleranzen im 3D-Druck

Nur weil ein 3D-Drucker "hohe Auflösung" unter seinen Spezifikationen hat, bedeutet das nicht, dass alle 3D-gedruckten Teile genau und präzise sind. Die Bedeutung von Genauigkeit, Präzision und Toleranz zu verstehen, ist unerlässlich, um bei jedem 3D-Druck ein gutes Ergebnis zu erzielen. Hier erfahren Sie, was jeder dieser Begriffe im Zusammenhang mit dem 3D-Druck bedeutet.

Genauigkeit

Unter Genauigkeit verstehen wir, wie nahe eine Messung an ihrem wahren Wert liegt. Wenn wir eine Zielscheibe als Beispiel nehmen, wird ein Schuss umso genauer sein, je näher er an der Mitte der Zielscheibe liegt. Beim 3D-Druck sind die im CAD-Entwurf projizierten Abmessungen der wahre Wert. Daher ist die Genauigkeit eines 3D-gedruckten Teils umso größer, je näher es an seinem digitalen Entwurf ist.

Präzision

Die Genauigkeit misst die Wiederholbarkeit einer Messung. Um beim Beispiel der Zielscheibe zu bleiben: Die Schüsse könnten jedes Mal in der Nähe desselben Punktes einschlagen (was sie genau macht), auch wenn dieser Punkt nicht die Mitte der Zielscheibe ist. Im Kontext des 3D-Drucks bedeutet dies, dass bei jedem Druck die erwarteten Ergebnisse zuverlässig erzielt werden. In der Technik wird beim Vergleich verschiedener 3D-Druckmaterialien der Begriff "Genauigkeit" 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 bei einem bestimmten 3D-Druck sein müssen. Die Toleranz ist benutzerdefiniert und hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Eine mechanische Montagekomponente erfordert beispielsweise engere Toleranzen als der 3D-Druck einer Kunststoffbox.

Um auf das Beispiel der Zielscheibe zurückzukommen: Im Beispiel links liegen die Schüsse sehr dicht beieinander und wir können sie als genau definieren, während sie im Beispiel rechts weiter auseinander liegen und wir sagen könnten, dass sie nicht genau sind. Wenn wir nun als Toleranz einen akzeptablen Genauigkeitsbereich von 3 Ringen definieren, dann würden die Schüsse innerhalb der Spezifikationen liegen.

Bild 2: Die Toleranz ist der akzeptable Bereich der Genauigkeit. Quelle: Formlabs

Genauigkeit und Präzision beim 3D-Druck

Bei der Auswahl eines 3D-Druckers ist es sehr wichtig, dass Sie Ihre spezifischen Anforderungen ermitteln. Dazu ist es wichtig, die Konzepte von Genauigkeit und Präzision zu verstehen.

Ein weniger genauer und präziser 3D-Drucker kann für bestimmte Anwendungen die beste Wahl sein. Ein preiswerter FDM-3D-Drucker wird beispielsweise weniger genaue Teile produzieren, aber für einen Einsatz in der Ausbildung, bei dem Studenten etwas über den 3D-Druck lernen, ist es möglicherweise nicht wichtig, dass die Abmessungen des gedruckten Teils genau mit dem CAD-Entwurf übereinstimmen. Es wird jedoch wichtig sein, darauf vertrauen zu können, dass der 3D-Drucker die erwartete Leistung innerhalb der Toleranzen erbringt, die der Benutzer benötigt, um eine erfolgreiche Erfahrung zu machen.

Umgekehrt wird für Anwendungen in der Industrie wahrscheinlich ein 3D-Drucker erforderlich sein, der Genauigkeit und gute Präzision mit sehr engen Toleranzen garantiert.

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

1. 3D-Druck-Technologie

Der 3D-Druck ist ein additives Verfahren, bei dem die Teile schichtweise aufgebaut werden, und jede Schicht birgt das Risiko von Ungenauigkeiten. Außerdem beeinflusst der Prozess, mit dem die Schichten gebildet werden, den Grad der Genauigkeit (Wiederholbarkeit) der Schichten. Beim FDM-3D-Druck werden die Schichten durch eine Düse extrudiert, die nicht in der Lage ist, komplexe Details zu erzielen, während beim Stereolithografie-3D-Druck (SLA) das flüssige Harzmaterial mit einem hochpräzisen Laser ausgehärtet wird, um jede Schicht zu formen, wodurch viel feinere Details erzielt werden können und zuverlässigere, wiederholte Ergebnisse von hoher Qualität erzielt werden.

Bild 3: Unterschied zwischen FDM-Druckteil (links) und SLA (rechts). Quelle: Formlabs

Die Spezifikationen des 3D-Druckers allein stellen keine endgültige Maßhaltigkeit dar. Ein häufiges Missverständnis 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. nehmen sie eine projizierte Pixelgröße von 75 Mikrometern und behaupten, dass die Genauigkeit der Maschine ± 75 Mikrometer beträgt). Diese Daten haben jedoch keine Auswirkung auf die Genauigkeit eines gedruckten Teils. Es gibt viele Fehlerquellen, die sich auf die Genauigkeit auswirken können, von den Komponenten über die Kalibrierung bis hin zu den folgenden Faktoren, die wir besprechen werden (Materialien und Nachbearbeitung). Letztendlich ist die beste Möglichkeit, einen 3D-Drucker zu bewerten, die Prüfung von realen gegenüber theoretischen Teilen.

2. Materialien

Auch die Eigenschaften des für den 3D-Druck verwendeten Materials können die Wahrscheinlichkeit einer Verformung eines Drucks beeinflussen. Wie oben erwähnt, hängt alles von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Beim 3D-Druck im Dentalbereich ist die Genauigkeit in Bezug auf die 3D-Konstruktion entscheidend, daher gibt es für diese Anwendungen spezielle Produkte, die ein sehr genaues Ergebnis garantieren. Im Gegensatz dazu ist beim 3D-Druck eines nicht-funktionalen Prototyps, bei dem das Ziel vielleicht nur darin besteht, eine allgemeine Vorstellung des physischen Produkts zu erhalten, die Genauigkeit weniger wichtig.

3. Nachbearbeiten

Normalerweise benötigen 3D-Druckteile aus Harz nach dem Druck einen Aushärtungsprozess, bei dem das Teil schrumpfen kann. Dies muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden, wobei eine solche Schrumpfung zu berücksichtigen ist, um sicherzustellen, dass das resultierende Teil nach dem Aushärtungsprozess maßhaltig mit dem ursprünglichen CAD-Entwurf übereinstimmt.

4. Ökosystem

Um einen erfolgreichen 3D-Druck zu erzielen, muss man nicht nur auf den 3D-Druck selbst achten, sondern auf den gesamten Prozess als Ganzes. Das Design, die Laminierungssoftware, die Materialien, die Temperatur, die Nachbearbeitungswerkzeuge... alles beeinflusst das Endergebnis.