Проектирование отверстий и систем отверстий для 3D-печати: методы геометрического контроля от точности позиционирования до посадочного зазора

1. Принцип формирования отверстий и различия в технологиях

Отверстия в 3D-печати формируются послойным наращиванием, и качество их формирования существенно зависит от разбиения на слои, усадки материала и направления печати. Отверстия, напечатанные по технологии FDM, обычно имеют эллиптическую форму, что обусловлено характером течения материала в процессе экструзии; технология SLA обеспечивает наивысшую точность отверстий — до ±0,1 мм, однако усадка смолы может приводить к уменьшению диаметра на 0,5–1%; благодаря особенностям поддержки порошковой подложкой технология SLS позволяет получать действительно цилиндрические отверстия, но с более высокой шероховатостью поверхности.

2. Правила проектирования диаметра отверстий и контроль размеров

Минимальный диаметр отверстия — основной параметр при его проектировании. Технология FDM: минимальный диаметр должен быть не менее чем в 2 раза больше диаметра сопла (при сопле 0,4 мм минимальный диаметр отверстия составляет 0,8 мм, на практике рекомендуется более 1,2 мм); технология SLA: минимальный диаметр не менее 0,5 мм, для глубоких отверстий необходимо учитывать проблему удаления смолы; технология SLS: минимальный диаметр не менее 0,8 мм, слишком малые отверстия будут забиваться неспечённым порошком. При проектировании допусков диаметра отверстий необходимо учитывать коэффициент усадки материала: у PLA усадка составляет 0,3%, поэтому проектный диаметр следует увеличивать на 0,3%; у ABS усадка 0,6–0,8%, поэтому проектный диаметр следует увеличивать на 0,6–0,8%; у PA12 усадка 1,5–2,5%, поэтому проектный диаметр следует увеличивать на 1,5–2,5%.

3. Методы контроля точности положения отверстий

Точность положения отверстий зависит от общей усадки детали, коробления и направления печати. Методы повышения точности положения включают: оптимизацию ориентации печати — совмещение оси отверстия с направлением слоёв позволяет повысить точность положения на 15–20%; увеличение жёсткости детали — проектирование рёбер жёсткости вокруг отверстий снижает деформации от коробления; использование установочных баз — создание базовых точек на платформе печати и последующая калибровка положения отверстий с помощью координатно-измерительной машины. Для отверстий, требующих высокой точности, рекомендуется технологическая схема «сначала печать, затем сверление»: при печати оставлять припуск 1–2 мм, а после печати выполнять механическую обработку до конечного размера.

4. Стратегия компоновки отверстий и проектирования посадок

Под системой отверстий понимается комбинация нескольких отверстий, расположенных в определённом взаимном положении; она часто встречается в фланцевых соединениях, позиционировании штифтами, болтовых группах и т. д. При проектировании системы отверстий необходимо учитывать: точность межосевого расстояния, базирование группы отверстий, посадочный зазор. Рекомендуемые правила проектирования: допуск межосевого расстояния ±0,2–0,3 мм (FDM), ±0,1 мм (SLA/SLS); допуск посадочных отверстий H7 (высокая точность), H9 (обычный класс); диаметр сквозного отверстия под болт равен номинальному диаметру болта плюс 0,5–1 мм.

5. Постобработка и способы повышения точности

Методы постобработки отверстий включают: рассверливание и развёртывание (повышение точности диаметра до ±0,05 мм), развертку (снижение шероховатости поверхности до Ra 1,6 мкм), нарезание резьбы (формирование внутренней резьбы, точность резьбы 6H/6g), хонингование (повышение круглости до 0,01 мм). Для функциональных отверстий рекомендуется применять конструкцию с вставками: при печати оставлять место под установку вставки, а после установки стандартного элемента обеспечивать высокоточную посадку.