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Tolleranze nella stampa 3D

Questo articolo fornisce approfondimenti sulle tolleranze di stampa 3D e i principali fattori che le influenzano, nonché istruzioni specifiche per ogni processo di produzione additiva offerto da Xometry.

Le tolleranze giocano un ruolo chiave nelle dimensioni finali della parte in qualsiasi processo di produzione, e la produzione additiva non fa eccezione. Pertanto, è essenziale comprendere le tolleranze nella stampa 3D per la prototipazione e per le parti funzionali al fine di ottenere la massima precisione.

Quali sono le tolleranze nella stampa 3D?

Per tolleranze si intende generalmente lo scostamento delle dimensioni dal disegno tecnico o modello CAD rispetto alla parte reale che viene realizzata. La tolleranza è la quantità di scostamento o variazione casuale consentita per una determinata dimensione. A partire da novembre 2021, non esistono standard internazionali sulle tolleranze per la stampa 3D come per la lavorazione CNC.

Nella stampa 3D, i principali fattori che influenzano le tolleranze sono:

  • Ritiro del materiale (cambiamento di volume durante il passaggio da stato liquido a solido)
  • Spessore dello strato
  • Dimensione minima della lavorazione
  • Dimensioni di costruzione (dimensioni massime della parte da stampare, in base alla tecnologia)
3D printer machine printing plastic workpiece
Stampante 3D per componenti in plastica

Ritiro del materiale

Il materiale di stampa utilizzato nei processi di stampa 3D include filamenti termoplastici, polveri, resine, fotopolimeri liquidi e polvere metallica. Tutti questi materiali hanno un diverso grado di restringimento. Come principio della stampa 3D, i polimeri si restringono naturalmente quando vengono raffreddati e solidificati durante il processo di stampa. Il tasso di ritiro è specifico per un determinato materiale.

Inoltre, il ritiro irregolare porta a difetti come la deformazione che altera la geometria della parte e si verifica con rapidi cambiamenti di temperatura. Materiali differenti agiscono in modo diverso rispetto alle impostazioni della stampante, si raffreddano irregolarmente e aggiungono imprecisioni nella geometria. Le sollecitazioni durante la stampa, la modalità di posizionamento dei supporti e altre considerazioni sulla geometria possono comportare scostamenti sia nelle tolleranze che nella planarità.

Material shrinkage scheme
Schema di ritiro del materiale (Fonte: Stack exchange)

Le parti con geometrie più spesse, componenti piatti o larghi e parti con spessori di parete irregolare possono essere soggette a scostamenti o deformazioni significative. La plastica di bassa qualità e le impostazioni della stampante non calibrate comportano dimensioni imprecise.

Spessore del layer

Anche conosciuta come risoluzione, lo spessore del layer influisce sulla precisione dimensionale della parte sull’asse Z. Il suo impatto si nota principalmente in FDM, Polyjet e SLA dove la parte aderisce al piano di stampa. Ciò si verifica quando la base o il fondo di una parte è vicino al piano di stampa.

Il riscaldamento e la solidificazione causano deformazioni e spesso lo strato di base iniziale di una stampa è programmato con un flusso di estrusione superiore al 100% per assicurarsi che la parte aderisca alla base di stampa. Ciò si traduce in uno strato iniziale più spesso e le dimensioni risultanti maggiori di quelle desiderate.

FDM (left) and SLA (right) 3D printed parts
Parti stampate in 3D con FDM (sinistra) e SLA (destra)

Inoltre, le stampanti economiche e desktop non sono molto ripetibili per quanto riguarda le altezze di strato e quindi non possono rispettare  dimensioni in tolleranza. Mentre, per tecnologie come SLS, DMLS, la risoluzione predefinita è già adeguata per la maggior parte delle applicazioni oppure l’altezza di strato è già preimpostata dal produttore della stampante. Va da sè che è necessario un buon materiale di stampa poiché i materiali economici sono spesso imprevedibili con le loro proprietà comportamentali come il restringimento, ecc.

Un’altro fattore importante è l’effetto a scaletta. Siccome una stampante 3D realizza le parti lavorando a strati, sfere o cerchi non possono essere lisci o precisi come con una lavorazione convenzionale, ma si presentano come mostrato nell’immagine qui sotto. Questo chiaramente non rispetta dimensioni accurate, ma un piccolo scostamento rispetto ad esse.

Scheme showing the deviation of the originally designed geometry
Schema che mostra lo scostamento della geometria originariamente disegnata (Fonte: Researchgate)

Dimensione minima della lavorazioni

Per l’FDM, la dimensione minima di una lavorazione è in funzione del diametro dell’ugello e dello spessore dello strato. La dimensione minima della lavorazione in X-Y è determinata dal diametro dell’ugello. L’altezza sull’asse Z è determinata dallo spessore di strato. Il diametro dell’ugello influisce sul livello di dettaglio complessivo quasi esclusivamente sul piano orizzontale (parallelo alla superficie di stampa).

Ad esempio, un ugello più piccolo sarà in grado di stampare un testo più dettagliato, supponendo che sia posizionato sul lato superiore dell’oggetto stampato. Al contrario, l’altezza dello strato influisce sul livello di dettaglio sui lati verticali e inclinati di un oggetto.

In altre tecnologie come MJF, SLS, DMLS e SLA, la dimensione minima della lavorazione è funzione del materiale di stampa e anche del diametro del raggio laser. Nelle tecnologie a stampa in polvere, il materiale viene riutilizzato. Con più utilizzi la polvere diventa meno sferica perdendo la sua forma. Quindi è imprevedibile quanto la sua nuova forma irregolare influisca sulle dimensioni.

Il punto da notare è che il diametro dell’ugello e il diametro del raggio laser sono costanti (possono essere personalizzati) e come accennato in precedenza sullo spessore dello strato, sono anche soggetti a un’aderenza dimensionale imprecisa che rende la dimensione minima della lavorazione un fattore che influenza le tolleranze.

3d printer print prosthetic hip bone
Una stampante 3D realizza l’osso protesico dell’anca

Dimensione di stampa

La dimensione di stampa si riferisce alla dimensione complessiva massima della parte che può essere prodotta da una stampante o alla più grande area di stampa montata in una stampante. Più grande è la parte, maggiore sarà il tempo necessario affinché si solidifichi o si raffreddi. Durante questo processo, si verificano molti restringimenti e deformazioni a causa del raffreddamento non uniforme.

Le parti grandi richiedono anche molte strutture di supporto (dipende comunque dal design e dal processo). Quando viene rimosso, influisce anche sulla qualità della superficie.

Tolleranze nelle tecnologie di stampa 3D 

Vari processi tecnologici di stampa 3D hanno tolleranze diverse che sono specifiche del processo. Sono dovuti al meccanismo della tecnologia, alle parti mobili, al materiale utilizzato e a fattori come il design della parte. Per una stampa migliore, si consiglia di seguire le linee guida di progettazione specifiche del processo.

Tolleranze di HP Multi Jet Fusion 

In Multi Jet Fusion, il calore viene prodotto tramite un laser UV e questo porta a geometrie più spesse, a parti ampie e a componenti con spessori di parete irregolari che si discostano a causa del ritiro termico e dello stress. Questo può sembrare una deformazione o una torsione. Gli spessori delle pareti e le linee guida di progettazione per particolari di stampa a iniezione possono essere utilizzati durante la progettazione per MJF.

ParametroValore
Tolleranza Â±0,3% (± 0,2 mm per 100mm)
Volume di stampafino a 380 x 284 x 380 mm, mentre normalmente si consiglia la dimensione massima di 356 x 280 x 356 mm
Spessore dello strato~0,08 mm
Dimensione della lavorazione minimaminima 0,5 mm, 0,7 è consigliata

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D MJF.

MJF 3D printed art
Parte stampata in 3D con MJF

Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

La sinterizzazione laser selettiva è quasi simile al processo di MJF in cui questo processo utilizza il laser CO2 come fonte di riscaldamento della polvere polimerica. Il restringimento e le deformazioni sono comuni sia in SLS che con MJF.

ParametroValore
Tolleranza±0,3% (± 0,3 mm per 100mm)
Volume di stampafino a 340 x 340 x 605 mm, ma di solito, si consiglia la dimensione massima di 320 x 320 x 580 mm
Spessore dello strato~0,1 mm e per le parti stagne 1,5 mm, quando lo spessore della faccia è superiore
Dimensione della lavorazione minimaminima 0,5 mm, consigliata 0,75 mm

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D SLS.

SLS 3D printed part
Componente 3D stampato in SLS

Stereolitografia (SLA)

La tecnologia SLA offre dettagli e precisione elevati con una varietà di fotopolimeri che possono emulare proprietà differenti. I materiali SLA possono variare da compositi flessibili (simili al polipropilene), generici (simili all’ABS), rigidi (simili al policarbonato) e persino altamente rigidi a seconda del materiale scelto. Tuttavia, le parti devono essere polimerizzate sotto la luce UV per solidificarsi per un periodo di tempo e questo causa il restringimento.

ParametroValore
Tolleranza±0,2% (± 0,2 mm per 100mm)
Volume di stampaFino a 736 x 635 x 533 mm
Spessore dello strato~ 0,02
Dimensione della lavorazione minima0,1 mm

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D SLA.

SLA 3D printed part
Componente 3D stampato in SLA

Modellazione a deposizione fusa (FDM)

La modellazione a deposizione fusa è ottima per le geometrie meccaniche, le parti più grandi e quelle che potrebbero non richiedere caratteristiche altamente accurate. Le lavorazioni molto piccole potrebbero non venir realizzate a causa della larghezza del materiale estruso e depositato dall’ugello. Il ritiro avviene immediatamente poiché il materiale inizia a raffreddarsi non appena viene posato sulla base di stampa. Esiste anche uno scostamento nelle tolleranze tra le stampanti FDM industriali e desktop.

ParametroValore
Tolleranza±0,3% (± 0,3 mm per 100 mm)
Volume di stampafino a 914 x 610 x 914 mm
Spessore dello strato~0,05-0,3 mm
Dimensione della lavorazione minimafino a 0,2 mm

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D FDM.

FDM 3D printed ABS part
Parte stampata in ABS con FDM

Carbon DLS

Il Carbon DLS è un processo dettagliato e accurato con materiali tecnici polimerizzati termicamente. I materiali polimerizzati sono spesso a base di uretano, come i materiali flessibili, rigidi ed elastomerici (FPU, RPU, EPU).

Esistono anche materiali che si comportano come il silicone, ad esempio il materiale SIL a base di uretano. L’estere cianato (CE) è un materiale rigido e altamente resistente al calore. L’Uretano Metacrilato (UMA) è una resina monostadio per uso generico. Tuttavia, la resina ha bisogno di polimerizzarsi per solidificarsi e questo comporta un restringimento.

ParametroValore
Tolleranza±0,1% (± 0,1 mm per 100mm)
Volume di stampafino a 119 x 189 x 300 mm. Dimensione raccomandata: Entro i 100 x 100 x 150 mm
Spessore dello strato~0,1 mm
Dimensione della lavorazione minimamin 1 mm viene suggerita

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D in Carbon DLS.

Carbon DLS 3D printed part
Parte stampata in 3D con RPU 70

Sinterizzazione laser  diretta del metallo (DMLS)

Il processo DMLS impiega molto calore e provoca restringimento e deformazione. Il tasso di ritiro e le proprietà conduttive del calore dei metalli sono differenti dalla plastica. Le parti sono quasi prive di pori, con una minore rugosità superficiale (~20 µm).

ParametroValore
Tolleranza±0,2% (±0,1 – 0,2 mm per 100 mm)
Volume di stampa250 x 250 x 325 mm
Spessore dello strato0,02 – 0,08 mm a seconda del materiale
Dimensione della lavorazione minima0,75 mm per lavorazioni estetiche, 1,5 mm per lavorazioni strutturali

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D in DMLS.

DMLS 3D printed part
Parte stampata in 3D con DMLS

Polyjet

Il PolyJet è un processo molto fine, dettagliato e accurato. Sebbene il materiale non sia robusto come i termoplastici FDM o SLS, i fotopolimeri rigidi e simili alla gomma hanno la massima risoluzione dei dettagli. Non produce calore e si attiene a tolleranze ristrette.

ParametroValore
Tolleranza±0,05-0,1 mm per 100 mm
Volume di stampafino a 490 mm x 391 mm x 200 mm
Spessore dello strato0,004 mm
Dimensione della lavorazione minima1,2 mm o superiore per parti rigide. 2 mm o più per materiali simil-gomma

Leggi le linee guida della progettazione per stampa 3D in Polyjet.

Polyjet 3D printed part
Parte stampata in 3D con Polyjet

Post-elaborazione 

La maggior parte delle tecnologie produce strutture di supporto. La loro rimozione non influisce solo sulla finitura superficiale, ma a volte comporta una rimozione di materiale in quel determinato punto. Questo porta a imprecisioni dimensionali.

I processi di finitura come la levigatura possono essere utilizzati per ritagliare dimensioni extra, mentre tecniche come il rivestimento e la tintura possono incrementare di una piccola quantità le dimensioni. In DMLS, a volte vengono applicati 1-2 mm di materiale aggiuntivo su superfici significative e lavorati di conseguenza dopo la stampa. Questo è un modo per correggere le dimensioni e ottenere tolleranze ristrette.

Conclusione

La tabella seguente riassume le tolleranze dei processi di stampa 3D di Xometry:

Tecnologia di stampa 3DTolleranze
MJF±0,3% (± 0,2 mm)
SLS±0,3% (± 0,3 mm)
SLA±0,2% (± 0,2 mm)
FDM±0,3% (± 0,3 mm)
Carbon DLS±0,1% (± 0,1 mm)
DMLS±0,2% (±0,1 – 0,2 mm)
Polyjet±0,05 – 0,1 mm

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