Допуски и посадки: как печатать детали, которые точно подойдут

Смоделировали отверстие под подшипник ровно 608-й серии, распечатали — а подшипник либо не лезет вообще, либо болтается. Знакомая ситуация почти для всех, кто переходит от печати "просто моделек" к печати функциональных деталей, которые должны с чем-то стыковаться. Причина не в том, что принтер сломан, а в том, что 3D-печать по своей природе не воспроизводит номинальный размер CAD-модели один в один.

Почему размер "плывёт"

Несколько факторов работают одновременно, и почти все — в одну сторону, к сужению отверстий и расширению внешних контуров:

• Ширина экструзии. Сопло выдавливает линию определённой ширины, и на внутренних контурах (например, стенках отверстия) слайсер физически не может провести линию точно по границе геометрии — печатающая головка идёт по центру линии, а сама линия имеет ширину, поэтому отверстие получается уже номинала примерно на ширину линии, если ничего не компенсировать.
• Elephant's foot (слоновья нога). Первый слой, прижатый к столу, часто немного расплющивается под собственным весом и давлением сопла, из-за чего основание детали слегка шире, чем должно быть. Это особенно заметно на посадочных поверхностях у самого стола.
• Усадка пластика при остывании. Расплавленный полимер при охлаждении немного сжимается, и степень усадки зависит от материала — у ABS она обычно заметнее, чем у PLA, у PETG — где-то между ними. Из-за этого крупные детали в среднем получаются на доли процента меньше номинала.

В сумме эти эффекты обычно дают внешние размеры чуть больше расчётных, а внутренние (отверстия, пазы) — чуть меньше. Точная величина зависит от принтера, материала, настроек охлаждения и геометрии, поэтому нет одного универсального числа, которое подходит всем — но как правило это доли миллиметра, а не миллиметры.

Как компенсировать

Настройка horizontal expansion / hole compensation в слайсере. Почти все современные слайсеры имеют параметр, который смещает контур на заданную величину: положительное значение расширяет внешние контуры, отрицательное — сужает (или отдельно есть параметр именно для отверстий). Это самый простой способ компенсировать систематическую погрешность разом для всей модели, не трогая саму 3D-модель. Стартовать стоит с небольшой поправки — порядка нескольких сотых миллиметра — и корректировать по результатам тестовой печати, а не выставлять "на глаз" сразу большое значение.

Закладывать зазор в саму модель. Если вы проектируете деталь сами (например, в CAD под FDM-печать), разумнее заранее закладывать небольшой зазор между сопрягаемыми поверхностями, а не рассчитывать на то, что слайсер всё компенсирует. Для соединения, которое должно свободно двигаться (clearance fit) — зазор побольше, обычно порядка нескольких десятых миллиметра на сторону, в зависимости от размера детали и назначения. Для соединения, которое должно держаться за счёт трения (press fit) — зазор минимальный или даже небольшой отрицательный допуск, но тут выше риск не собрать деталь вообще или расколоть пластик при запрессовке, особенно на хрупких материалах.

Тестовые калибровочные печати. Самый надёжный способ — не гадать, а напечатать простой калибровочный набор: например, серию отверстий или штырьков с шагом в несколько десятых миллиметра и физически проверить, какой из них садится с нужным усилием. Это разовая работа на конкретный принтер, материал и сопло, но после неё вы получаете число, которым можно пользоваться в дальнейших проектах, а не подбирать зазор каждый раз заново.

Как думать про press-fit и clearance-fit заранее

Ещё на этапе проектирования стоит решить, какое соединение вам нужно, и заложить это в допуски сознательно, а не постфактум:

• Если деталь должна разбираться и собираться многократно (крышки, лючки) — почти всегда лучше clearance fit с небольшим фиксатором (защёлка, винт), чем press fit, который со временем разбалтывается от многократной сборки-разборки.
• Если соединение постоянное и нагружено на разрыв (например, вал в ступице) — press fit работает, но требует более консервативного допуска и материала с запасом прочности на растяжение по окружности.
• Для резьбовых соединений напечатанная резьба почти всегда требует отдельной компенсации диаметра, отличной от гладких посадок — стоит проверять её отдельно.

Если печатаете сопрягаемые детали на заказ, не лишним будет заранее прикинуть расход материала и время на тестовые итерации через калькулятор стоимости печати — калибровочные образцы тоже стоят филамента и машинного времени, и это разумно закладывать в цену первого заказа с новым типом посадки.