Badanie dokładności drukarek 3D poprzez ocenę odchyłek okrągłości

1902
MECHANIK NR 12/2016
Badanie dokładności drukarek 3D poprzez ocenę
odchyłek okrągłości i walcowości nowego wyrobu
wzorcowego
Testing of the 3D printers accuracy by evaluation of the circularity
and cylindricity deviations of the new artefact
ŁUKASZ GZOWSKI
PRZEMYSŁAW SIEMIŃSKI
ROMAN GRYGORUK
ZBIGNIEW HUMIENNY *
Zaproponowano nowy kształt wyrobu wzorcowego (wzorca) do
analizy dokładności wytwarzania obiektów metodą przyrostową
na drukarkach 3D. Kształt próbki zawiera w sobie podstawowe
prymitywy geometryczne i pozwala na zbadanie wartości wybranych odchyłek kształtu, kierunku i położenia. W ramach badań wykonano analizy wydruków z trzech różnych drukarek 3D.
SŁOWA KLUCZOWE: druk 3D, pomiary skanerem 3D, odchyłki
kształtu, kierunku i położenia
New shape of the standard (artefact) is proposed to analyze the
accuracy of the objects, which are received on 3D printers. The
artefact shape contains the basic geometrical primitives and
allows to identify the values of the selected form, orientation
and location deviations. In this study the analysis of 3 different
3D printers output was performed.
KEYWORDS: 3D printing, 3D scanner measurement form, orientation and location deviations
Wraz z rozwojem przemysłowych technik wytwarzania
wzrasta zapotrzebowanie na produkowanie za ich pomocą
coraz dokładniejszych części. Jest to wymuszane przez coraz powszechniej stosowany system specyfikacji geometrii
wyrobów ISO GPS [1]. Prace nad implementacją systemu ISO GPS są obecnie prowadzone m.in. w programie
Erasmus+ w projekcie Geometrical Product Specification
& Verification as Toolbox to meet up-to-date technical requirements.
Żądanie wytwarzania dokładnych wyrobów powoli zaczyna również dotyczyć technik przyrostowych. Niestety,
w specyfikacji technicznej drukarek 3D producenci zwykle
nie podają informacji o dokładności uzyskiwanych wydruków. Jeżeli już sprzedawca maszyny podaje parametry
dotyczące precyzji maszyn prototypujących, to odnoszą
się one do dokładności jej wybranych podzespołów, a nie
budowanych obiektów. Jest tak dlatego, że dokładność
geometryczna wydruków w znacznym zakresie zależy od
użytkownika (kalibracji maszyny, ustawionych parametrów
technologicznych czy zastosowanego materiału budulcowego). Jedynie za część wymienionych parametrów mogą
odpowiadać producenci maszyn z własnymi, dedykowany-
* Inż. Łukasz Gzowski ([email protected]) – Politechnika Warszawska,
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych; dr inż. Roman Grygoruk
([email protected]) – Politechnika Warszawska, Instytut Mechaniki
i Poligrafii; dr inż. Przemysław Siemiński ([email protected]),
dr inż. Zbigniew Humienny ([email protected]) – Politechnika Warszawska, Instytut Podstaw Budowy Maszyn
DOI: 10.17814/mechanik.2016.12.544
mi materiałami eksploatacyjnymi (często zabezpieczonymi chipem) oraz „zamkniętym oprogramowaniem”. Wtedy
jest możliwość podania w specyfikacji, że wydruk na tej
konkretnej maszynie zostanie wykonany z deklarowaną
dokładnością (pod warunkiem przestrzegania przez użytkownika wytycznych producenta).
Producenci drukarek 3D z tzw. otwartym oprogramowaniem (umożliwiającym samodzielne ustawianie parametrów technologicznych oraz stosowanie materiałów budulcowych różnych producentów) raczej nie mogą sobie na
to pozwolić. W specyfikacji technicznej podają oni zwykle
enigmatyczne informacje np. o rozdzielczości w osi Z (czyli
o możliwych do ustawienia grubościach warstw) lub precyzji pozycjonowania osi. Niestety, ta ostatnia wartość często
jest wprost przeliczona z zależności wiążącej minimalny
krok kątowy silnika sterującego i przełożenia przekładni
śrubowej tej osi. Nie uwzględnia się sztywności, luzów,
błędów wykonania podzespołów. Wtedy w specyfikacji
widnieje wyjątkowo mała wartość. Przykładowo precyzja
pozycjonowania drukarki 3D w osi Z jest podawana jako
0,5 μm. Gdyby była to rzeczywista wartość pozycjonowania końca dyszy maszyny, byłoby to na poziomie błędu
granicznego dopuszczalnego współrzędnościowych maszyn pomiarowych.
Celem pracy było zaproponowanie kształtu wzorca dedykowanego do wytwarzania techniką przyrostową (drukiem
3D) oraz metody badania jego dokładności. Zaprojektowany wzorzec (rys. 1, 2) pozwala na wyznaczanie wartości
odchyłek, aby ocenić, czy są spełnione zadane wartości
tolerancji geometrycznych. W artykule opisano tylko wyniki badania odchyłek okrągłości i walcowości. Cała praca
obejmowała również wyznaczanie odchyłek płaskości, prostopadłości, równoległości, nachylenia i pozycji. Wymiary
wzorca 120 × 60 × 46 mm3 (dł. × szer. × wys.) dobrano tak,
aby mieściły się w przestrzeni roboczej większości maszyn
prototypujących dostępnych obecnie na rynku, a czas wydruku i zużycie materiału były nieduże oraz aby łatwo dało
go się zmierzyć za pomocą skanera 3D światła białego [6].
Kształt nowego wzorca zawiera podstawowe prymitywy
geometryczne, w tym dwa trzpienie walcowe (pełny o małej średnicy i cienkościenny o dużej średnicy) oraz otwory
o osiach w trzech głównych kierunkach. Elementy walcowe
opisane w tym artykule oznaczono na rys. 2.
W literaturze proponowane są inne kształty wzorców [2,
3]. Jednak mają one pewne wady, np. trudne lub niemożliwe do pomiaru skanerem 3D ściany [2, 3] oraz brak powierzchni walcowych na bocznych ścianach [4, 6]. Powoduje to problemy z oszacowaniem podstawowych odchyłek
256 MEcHANIK NR 11/2015
MECHANIK NR 12/2016
1903
Otwór 4
Otwór 4
[mm]
[mm]
Trzpień 5
[mm]
Trzpień 5
[mm]
Walec
6
[mm]
Walec 6
[mm]
Otwór
3 3
Otwór
[mm][mm]
Otwór 1
Otwór[mm]
1
[mm]
Trzpień 2
Trzpień 2
[mm]
[mm]
Odchyłki
Odchyłki
Próbka
Próbka
Tablica. Odchyłki okrągłości i walcowości powierzchni walcowych
do pomiaru skanerem 3D ściany [2, 3] oraz brak powierzchzewnętrznych i wewnętrznych. (*) zbyt mała liczba zeskanowanych
ni walcowych na bocznych ścianach [4, 6]. Powoduje to
punktów,
(**) odłamany
element
wydruku walcookrągłości
i walcowości
powierzchni
kształtu, kierunku
i położeniapodstawowych
wytworzonych odchyłek
ścian. Ponadto
problemy
z oszacowaniem
kształ- Tablica. Odchyłki
wych zewnętrznych i wewnętrznych
różne
ośrodki
prowadzą
badania dokładności
obiektów
tu,
kierunku
i położenia
wytworzonych
ścian. Ponadto
różne
wykonanych
technikami
przyrostowymi,
zwykle wykonasą tam
ośrodki
prowadzą
badania
dokładności ale
obiektów
mierzone
powierzchnie
swobodne
[2,
5,
7].
nych technikami przyrostowymi, ale zwykle są tam mierzone
W ramach
opisanych
powierzchni
swobodne
[2,tu5,badań
7]. wykonano wydruki z polimerów ABS i PLA na trzech różnych maszynach protoW ramach opisanych tu badań wykonano wydruki z poliDrukarka Okrągłości
0,28
0,31
0,25
0,17
0,21
0,29
typujących stosujących metodę FDM (oznaczaną też jako
0,28 0,31 0,25 0,17 0,21 0,29
A (długiA (dłu- Okrągłości
merów ABS i PLA na 3 różnych maszynach prototypujących Drukarka
FFF lub PJP) [8], za każdym razem w dwóch ustawieniach
bokwwosi X)Walcowości
0,31 0,26
0,26 0,310,31
stosujących metodę FDM (ozn. też jako FFF lub PJP) [8], za gi bok
Walcowości0,32
0,32 0,35
0,35 0,31
0,23 0,23
osi X)
(dłuższy bok wzdłuż osi X lub Y). Analiza dokładności polekażdym razem w dwóch ustawieniach (dłuższy bok wzdłuż
gała
ściandokładności
za pomocą skanera
GOM
Atos
Drukarka Okrągłości
0,21 0,23
0,23 -** -**0,17 0,17
Okrągłości 0,24
0,24 0,33
0,33 0,21
osi
X na
lubpomiarze
Y). Analiza
polegała3Dna
pomiarze
Drukarka A (dłuA (długi
Compact
Scan. Powstałą
siatkę trójkąw osi Y)
ścian
za pomocą
skanera podczas
3D GOMpomiaru
Atos Compact
Scan. gi bok
Walcowości0,25
0,25 0,39
0,39 0,27
bok w
tów (rys.podczas
3) nałożono
na model
CAD metodą
„bestWalcowości
0,27 0,24
0,24 -** -**0,21 0,21
Powstałą
pomiaru
siatkę 3D
trójkątów
(rys. 3) nałożoosi Y)
fit”naw model
oprogramowaniu
GOM „best-fit”
Inspect [7].
Następnie dla
Okrągłości
0,25 0,43 0,19 0,14 0,16 0,13
no
3D CAD metodą
w oprogramowaniu
Drukarka
B (dłu-Okrągłości
Drukarka
0,25
0,43
0,19
0,14
0,16
0,13
każdego
wydruku
zmierzono
wartości
odchyłek
okrągłości
GOM Inspect [7]. Po tym dla każdego wydruku zmierzono gi bok
w osi X)
B (długi
Walcowości 0,27 0,45 0,20 0,19 0,31 0,17
i
walcowości
dla
wybranych
sześciu
walcowych
powierzchbok w
wartości odchyłek okrągłości i walcowości dla wybranych
Walcowości
0,27
0,45
0,20
0,19
0,31
0,17
ni wzorca
(tablica).powierzchni wzorca (tablicy).
osi X)
Okrągłości
0,28 0,65 0,46
-*
0,18
-*
sześciu
walcowych
Drukarka B (długi Drukarka
bok w osi Y) Okrągłości
0,28
0,65
0,46
-*
0,18
-*
Walcowości 0,42 0,77 0,55 0,13 0,32
-*
B (długi
bok w
Walcowości
0,55
Okrągłości 0,42
0,11 0,77
0,17 0,11
-*0,13 0,130,32
0,15 -*
Drukarka
osi Y)C (długi bok w osi X)
Walcowości0,11
0,11 0,17
0,23 0,18
0,23 0,15
Drukarka Okrągłości
0,11 0,05-* 0,230,13
C (długi
Okrągłości
0,09 0,19 0,16 0,16
-**
0,19
bok wC (dłuDrukarka
Walcowości
0,11
0,23
0,18
0,05
0,23
0,23
osiwX)osi Y)
gi bok
Walcowości 0,16 0,22 0,25 0,18
-**
0,23
Drukarka Okrągłości
0,09
0,19
0,16
0,16
-**
0,19
Legenda:
(*) zbyt mała liczba zeskanowanych punktów, (**) odłamany element
C (długi
wydruku
bok w
Walcowości
0,16
0,22
0,25
0,18
-**
0,23
osi Y)
Rys. 1. Geometria nominalna 2D zaproponowanego wzorca
Rys. 1. Geometria nominalna 2D zaproponowanego wzorca
Podsumowując wyniki wykonanych badań, należy
stwierdzić,
że zaproponowany
kształt wzorca
byłnależy
łatwy do
Podsumowując
wyniki wykonanych
badań
stwierskanowania
światłem białymkształt
ze stolikiem
(brak
był łatwy do
skanodzić, że zaproponowany
wzorcaobrotowym
zasłaniania
istotnychbiałym
ścian –zepoza
mostkami),
umożliwił(brak
wania światłem
stolikiem
obrotowym
szybką
obróbkę
wynikowych
trójkątów,
nałożenie
zasłaniania
istotnych
ścian siatek
– poza
mostkami),
umożliwił
ich
na model
3D CAD
i wygenerowanie
map odchyłek
szybką
obróbkę
wynikowych
siatek trójkątów,
nałożenie ich
oraz
liczbę punktów
z określonymi
na wykresów
model 3Dpokazujących
CAD i wygenerowanie
map
odchyłek oraz
wartościami
odchyłek kształtu,
kierunku
i położenia.
Czas warwykresów pokazujących
liczbę
punktów
z określonymi
druku
zaproponowanych
wzorców
metodą
FDM/FFF
wy-druku
tościami
odchyłek kształtu,
kierunku
i położenia.
Czas
nosił
ok. 3 godzin przy
grubości
warstwy
0,25 mm.
zaproponowanych
wzorców
metodą
FDM/FFF
wynosił ok. 3
Zaproponowana
metoda
dobrze
sprawdziła
się do anagodziny
przy grubości
warstwy
0,25
mm.
lizy odchyłek
okrągłości
i walcowości
wytwarzaZaproponowana
metoda
dobrze obiektów
sprawdziła
się do analinych
techniką przyrostową.
Dokładnośćobiektów
uzyskanych
przez
zy odchyłek
okrągłości i walcowości
wytwarzanych
autorów
wydruków
3D na Dokładność
trzech analizowanych
drukarkach
techniką
przyrostową.
uzyskanych
przez auto3D
działających
FDM/FFF była w
zakresie 3D
rów
wydrukówwedług
3D na metody
trzech analizowanych
drukarkach
±0,25
mm, przywg
czym
odchyłki
40–50%
całkowitej
liczby±0,25
działających
metody
FDM/FFF
była
w zakresie
zmierzonych
punktów
były w40-50%
zakresiecałkowitej
±0,08 mmliczby
względem
mm, przy czym
odchyłki
zmierzomodelu
nominalnego
wyrobu
wzorcowego.
nych punktów
były w
zakresie
±0,08 mm Ponieważ
względembyły
modelu
tonominalnego
typowe wydruki
(grubość
warstw Ponieważ
0,25 mm,były
średnica
wyrobu
wzorcowego.
to typowe
wydruki
(grubość
warstwte0,25
mm, średnica
ok. 0,4
dyszy
ok. 0,4
mm), należy
dokładności
uznać dyszy
za satysmm), należy te dokładności uznać za satysfakcjonujące.
fakcjonujące.
lITERATURA
1.
Białas S., Humienny Z., Kiszka K.: Metrologia z podstawami specyfikacji geometrii wyrobów (GPS). Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2014.
LITERATURA
Rys. 2. Oznaczenia ścian wzorca wybranych do pomiaru
Rys. 2. Oznaczenia ścian wzorca wybranych do pomiaru
Rys. 3. Wynik skanowania 3D jednego z wydruków
Rys. 3. Wynik skanowania 3D jednego z wydruków
1.Białas S., Humienny Z., Kiszka K. „Metrologia z podstawami specyfikacji
2.
Grimm
T.A. &
Associates:
3D Oficyna
Printer Wydawnicza
Benchmark Politechniki
EE, Edgewood,
geometrii
wyrobów
(GPS)”.
Warszawa:
Kentucky2014.
USA, June 2010, www.tagrimm.com/benchmark-2010/
Warszawskiej,
2.Grimm
T.A. &
Associates:
3D Printer Benchmark
EE, Edgewood, Ken3.
“CtrlV
Test”:
www.whoote.com
lub www.thingiverse.com/ctrlV
tucky USA, June 2010, www.tagrimm.com/benchmark-2010/
4.
Harmatys W., Gruza M., Gąska P., Gąska A.: Model parametrycz3.“CtrlV Test”: www.whoote.com lub www.thingiverse.com/ctrlV
ny wzorca do sprawdzania drukarek 3D metodą badania pracą.
4.Harmatys W., Gruza M., Gąska P., Gąska A. „Model parametryczny
Mechanik
5-6/2016.
wzorca
do sprawdzania
drukarek 3D metodą badania pracą”. Mechanik
5.
Budzik
G.,
Dziubek T., Markowska O., Turek P: Wpływ zmiany
5–6 (2016).
grubości
warstwy
na dokładność
odwzorowania
geometrii
żuchwy
5.Budzik
G., Dziubek
T., Markowska
O., Turek
P. „Wpływ zmiany
grubości
wykonanej
metodąodwzorowania
FDM. Mechanik
nr 12/2015.
warstwy
na dokładność
geometrii
żuchwy wykonanej
metodą
FDM”. Mechanik
nr 12 (2015).
6.
Derejczyk
K., Siemiński
P.: Analiza dokładności optycznego ska6.Derejczyk
K., Siemiński
P. „Analiza
dokładności optycznego skanowania
nowania
3D. Mechanik
nr 4/2016.
3D”. Mechanik nr 4 (2016).
7.
Piękoś
J.,
Siemiński
P.,
Dominiak
K.: Zastosowanie
7.Piękoś J., Siemiński P., Dominiak K. „Zastosowanie
bezpłatnychbezpłatnych
wersji
wersji do
programów
drukowania
modelinrkości.
Mechanik nr
programów
drukowania do
modeli
kości”. Mechanik
4 (2016).
4/2016.
8.Budzik
G., Siemiński P. „Techniki przyrostowe. Druk 3D. Drukarki
3D”. Warszawa:
Wyd.
Warszawskiej,Druk
2015.3D. Drukarki
■
8.
Budzik G.,Oficyna
Siemiński
P.:Politechniki
Techniki przyrostowe.
3D. Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2015.