3D 打印公差、准确度和精度指南

我们首先从定义开始：准确度、精度和公差之间的区别是什么？对于每个术语，我们将通过靶子（用于分析这些概念的常见例子）使其含义形象化。

准确度表示测量值与真值的接近程度。对于一个靶子来说，真值就是靶心。命中位置距靶心越近，准确度就越高。就 3D 打印而言，真值等于在 CAD 中您所设计的尺寸。3D 打印件与数字设计有多接近呢？

精度衡量测量的可重复性，也就是您在靶子上命中位置的一致性如何？精度只衡量一致性；您的射击可能每次都会命中在同一个点附近，但这个点不一定是靶心。在 3D 打印中，精度最终意味着可靠性；您能依靠机器在每次打印中生产出预期的产品吗？

您需要精确到何种程度？这由公差定义，而公差由您定义。您在应用中留有多少余地？对精确测量的可接受方差是多少呢？这取决于您的项目，例如，相对于简单的塑料外壳，具有动态机械装配的组件需要更严格的公差。

在定义公差时，也可能会需要用到准确度，所以我们假设测量靶心的射击精度。早期，我们定义图中右侧靶子的射击是不精确的。

但是，如果公差范围足够大，这也是可以的。击中位置彼此之间的距离并不像左侧靶子上那么近，但是如果精度的可接受范围是 ±2.5 环的距离，那么就在规格范围内。

一般来说，实现并保持较高的公差意味着更高的制造成本和质量保证。

关于 3D 打印中的准确度和精度，需要考虑众多因素。了解打印机能否始终如一地按照承诺工作，并在用户惯用的公差范围内得到预期的质量，是成功打印的关键。

以下是决定 3D 打印准确度和精度的四个重要因素：

3D 打印属于增材制造工艺，所以部件是逐层堆叠而成。每一层都可能导致不准确，并且层的形成过程影响每层的精度（或可重复性）以及准确度。以下为一些常见塑料 3D 打印工艺的典型 3D 打印机容差：

• 立体光固化 (SLA) 和数字光处理 (DLP)：± 0.2%（下限：± 0.1mm）
  树脂 3D 打印工艺通过选择性地使液态树脂接受光照（SLA 中为激光器，DLP 中为投影仪），以形成非常薄的固体塑料层，并层层堆叠形成固态物体。得益于高精度的光源，这些工艺可实现精细的细节，持续生产出高质量的部件。树脂 3D 打印部件需要支撑结构，具体取决于模型的几何结构。支撑结构对于确保尺寸精度至关重要，尤其是对于复杂的几何结构或大型薄壁部件。
• 选择性激光烧结 (SLS) 和多射流熔融 (MJF)：± 0.3%（下限：± 0.3mm）
  粉末床熔融 3D 打印机依赖高精度的光源（SLS 中为激光器，MJF 中为熔融灯）将粉末熔合在一起，形成固态部件。未熔合的粉末能够在打印过程中起到支撑部件的作用，因此无需使用专门的支撑结构。这使得 SLS 成为构造内部特征、倒钩、薄壁和凹入特征等复杂几何结构的理想选择。 
• 熔融沉积成型 (FDM)：± 0.5%（下限：± 0.5mm）
• 在 FDM 3D 打印中，每层热塑性长丝都由喷嘴挤出，因此缺乏其他 3D 打印工艺提供的控制和实现复杂细节的能力。FDM 部件也容易翘曲或收缩，因为打印部件各部分的冷却速率不同，其内部应力会导致打印件变形。高端专业的打印系统可以缓解这些问题，但成本也相对较高。

仅凭 3D 打印机参数并不代表最终尺寸精度。对于各种 3D 打印技术精度的一个常见误传就是将水平精度或 Z 轴精度（打印层厚）描述为尺寸精度。

但是，该数据对打印部件的精度并无影响。有许多误差来源对准确度有影响，我们将在后文中详细探讨。

最后，评估 3D 打印机的最佳方式是检查真实部件。

准确度也会因打印材料而异，这些材料的机械性能也会影响部件发生翘曲的可能性。

对于树脂 3D 打印机，如果材料具有较高的原始模量（后固化前的模量），则意味着可以精确打印非常薄的部件并降低失效几率。

对于 FDM 3D 打印机，在较高温度下挤出的材料通常更容易翘曲。例如，ABS 比 PLA 更容易发生翘曲，因为在冷却过程中打印部件的收缩程度更高。

大多数 3D 打印部件在打印后需要进行某种形式的后处理：

• SLA 和 DLP：清洗、后固化（可选）、去除支撑结构（如果需要）、打磨（可选）
• SLS 和 MJF：去除多余粉末、介质喷砂或滚压
• FDM：去除支撑结构（如果需要）、打磨（可选）

某些后处理步骤会影响部件的尺寸和表面质量，进而影响准确度和公差。部分误差可在设计和打印准备过程中加以考虑，但另一些则可能因打印而异。

例如，在树脂 3D 打印完成后，部件通常需要进行后固化，从而导致部件收缩。这常见于使用树脂 SLA 或 DLP 3D 打印工艺生产的部件中，可能需要在设计中加以考虑，具体取决于打印机。PreForm 是 Formlabs 的一款免费打印文件准备软件，可以自动补偿这种收缩从而确保后固化部件在尺寸上与原始 CAD 设计一致。

另一方面，FDM 打印部件通常需要通过打磨来去除支撑标记和层线，从而改善表面质量，但此过程会导致部件尺寸发生微小变化，增加原始设计和成品部件之间的差异。

要获得准确且精密的 3D 打印件，不仅需要更加注重打印机本身，还需要对整个过程加以思考。

打印准备软件、打印技术、打印机及其组件的质量和校准、3D 打印材料的质量以及后处理工具和方法都会影响最终结果。

总而言之，协同工作的集成系统通常能够生产出更可靠的成品。例如，在发布每种新 SLA 和 SLS 3D 打印材料前，Formlabs 都会针对每款兼容的打印机型号进行一系列验证测试，以确保打印可靠性、一致性和准确性。这并不意味通用打印机和现成的材料不能实现出色的打印效果，只是学习曲线可能较为陡峭，需要用户进行更多的实验和校准。

传统加工中，更严格的公差与增加的成本呈指数关系。相对于较宽松的公差，更严格的公差额外需要费时的加工步骤，所以对于给定应用，加工部件可以设计为可允许的最宽公差。

与加工不同，3D 打印均有单个自动化生产阶段。更严格的 3D 打印公差可能需要在设计过程付出更多精力，但能极大地节省原型制造和生产的时间与成本。

此外，复杂的表面结构会增加 CNC 铣削等工艺的成本，而 3D 打印无需额外成本即可生产出复杂的部件，但是如果不使用减材方法，在超出打印机的公差范围后，3D 打印部件的公差无法自动优化。如果您的部件整体较为复杂（如具有凹槽以及复杂表面），并且不需要优于 ±0.005 英寸的表面精度（标准加工），则 3D 打印会是很好的选择。对于 3D 打印部件和 CNC 部件，超出标准加工的公差必须通过手工后处理或机加工减小。

总体而言，在现有的商用塑料 3D 打印技术中，树脂 3D 打印（SLA 和 DLP）和粉末床熔融 3D 打印（SLS 和 MJF）具有最严格的公差。与机加工的准确度相比，树脂和粉末 3D 打印的公差介于标准加工和精细加工之间。

公差和配合是任何工程设计机械组件的重要概念。最终核算公差可优化原型制造和生产过程、降低迭代材料成本、减少后处理时间以及降低部件意外破碎的风险。对于原型制造和小规模制造，3D 打印的静态单成本使其成为一种具有成本效益的方法，特别是对于定制部件，如果使用其他方法则需要对模具进行大量投资。

一般来说，更柔软的 3D 打印材料会比更刚硬的材料有更宽的公差范围。打印部件专用于装配时，设计合适的公差和配合可以减少后处理时间与提高易装配性，并降低迭代的材料成本。

3D 打印组件的后处理步骤通常包括清洁、打磨支撑以及润滑。如果为一次性部件，因为在设计阶段需要较少的公差考量，可合理打磨活动表面以实现正确配合。对于较大的组件或大批量制造，采取适当尺寸公差的价值很快就会体现出来。

在本部分，我们将介绍不同的工程配合，以描述间隙配合、过渡配合和过盈配合的基本知识，以及为组件设计选择每种配合的意义。

在评估 3D 打印机时，还应考虑许多其他特性，例如您是否需要各向同性的部件？您的部件（以及材料）需要哪些机械性能？入门的最佳方式之一是查看真实的打印部件。从 Formlabs 的各种材料中选择免费的样品以亲身感受 SLA 的质量。