在任何制造过程中，公差对部件的尺寸起着关键作用，增材制造也不例外。因此，无论是制作原型还是生产功能部件，了解3D打印中的公差以确保最大精度是至关重要的。
什么是3D打印的公差？
公差通常指的是从技术图纸或CAD模型到制造出的实物部件之间的尺寸偏差。公差是指在给定尺寸上允许的随机偏差或变化量。截至2021年11月，3D打印的公差尚未像CNC加工那样有国际标准。
在3D打印中，影响公差的主要因素包括：
- 材料收缩（从液态变为固态时的体积变化）
- 层厚度
- 最小特征尺寸
- 构建尺寸（取决于选用技术的最大可打印部件尺寸）
3D打印机打印塑料工件
材料收缩
3D打印过程中使用的构建材料包括热塑性细丝、粉末、树脂、液态光敏聚合物和金属粉末。所有这些材料都有不同程度的收缩。根据3D打印的原理，聚合物在打印过程中冷却和固化时会自然收缩。每种材料的收缩率都是特定的。
此外，并在温度快速变化时会发生不均匀的收缩，导致诸如翘曲等缺陷，改变部件的几何形状。不同材料对打印机设置和不均匀冷却的反应不同，这会增加几何形状的不准确性。在构建过程中的应力、支撑策略和其他几何考虑因素可能导致公差和平整度的偏差。
材料收缩图解（来源：Stack Exchange）
具有较厚几何结构、平坦或宽大部件以及不均匀壁厚的部件，可能容易出现显著的偏差或翘曲。低质量的塑料材料和未校准的打印机设置会导致尺寸不准确。
层厚
也称为分辨率，层厚影响部件在Z轴方向上的尺寸精度。这种影响主要在热塑性材料熔融沉积成型（FDM）、刚性光聚合物技术和树脂光固化成型（SLA）技术中显现，这些技术中部件附着在打印床上。特别是当部件的基底或底部靠近打印床时会出现这种情况。
加热和固化会导致翘曲，通常在打印的初始基础层，会设置超过100%的挤出速率，以确保部件能够附着在打印床上。这会导致初始层较厚，最终使得部件的尺寸大于预期。
热塑性材料熔融沉积成型（FDM）（左）和树脂光固化成型（SLA）（右）3D打印部件
另外，成本低廉和桌面型打印机在其层高方面通常存在高度不一致的问题，因此无法保证部件尺寸的精确控制。相比之下，像激光烧结成型（SLS）和直接金属激光熔融（DMLS）这样的技术，它们的默认分辨率通常已经足够适用于大多数应用，或者层高已经由机器制造商预设。因此，选择优质的构建材料至关重要，因为廉价材料的行为特性（如收缩等）往往是不可预测的。
另外一个重要的因素是层间阶梯效应。由于3D打印是逐层制造部件，因此球体或圆形的表面无法像传统加工那样光滑和精确，而是呈现出如下图所示的层状结构。这显然不能完全符合精确的尺寸要求，而会略有偏差。
图解显示原始设计几何形状的偏差（来源：ResearchGate）
最小特征尺寸
对于热塑性材料熔融沉积成型（FDM）技术，最小特征尺寸受喷嘴直径和层厚的影响。在X-Y平面上，最小特征尺寸由喷嘴直径决定。在Z轴方向上，特征的高度由层厚决定。喷嘴直径影响水平平面（与打印表面平行）的整体细节水平。
例如，较小的喷嘴能够在打印物体的顶部打印更详细的文字。相反，层厚影响物体垂直和倾斜侧面的细节水平。
在其他技术如惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）、激光烧结成型（SLS）、直接金属激光熔融（DMLS）和树脂光固化成型（SLA）中，最小特征尺寸取决于构建材料和激光束直径。在基于粉末的技术中，材料可以重复使用。随着多次使用，粉末的形状可能变得不规则且失去原有的球形，因此难以预测新的不规则形状对尺寸的影响程度。
需要注意的是，喷嘴直径和激光束直径通常是恒定的（可以进行定制），正如上文提到的层厚，它也容易导致尺寸精度不准确，因此最小特征尺寸也成为影响公差的因素之一。
3D打印机打印假体髋骨
构建尺寸
构建尺寸指的是打印机可以制造的部件的最大整体尺寸，或者适合打印区域的最大尺寸。部件越大，其固化或冷却所需的时间就越长。在这个过程中，由于不均匀的冷却，会发生大量的收缩和翘曲现象。
大型部件通常需要大量支撑结构（尽管这取决于设计和工艺）。支撑结构移除后，也会影响表面质量。
3D打印技术中的公差
不同的3D打印技术过程具有特定于该过程的各种公差。这些公差由技术的机制、移动部件、所使用的材料以及部件设计等因素决定。为了获得更好的打印效果，建议遵循特定于该过程的设计指南。
惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）公差
在惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）中，由于紫外线激光器产生热量，会导致较厚的几何结构、大型宽阔部件以及不均匀壁厚的部件由于热收缩和应力而产生偏差。这可能表现为翘曲或扭曲。在进行使用惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）技术的设计时，可以使用类似注塑成型部件的壁厚和设计指南。
| 参数 | 数值 |
| 公差 | ±0.3% (100毫米内为± 0.2 毫米) |
| 构建体积 | 最大尺寸为380 x 284 x 380毫米，但我们通常推荐的最大尺寸为356 x 280 x 356毫米 |
| 层厚 | 约为0.08毫米 |
| 最小特征尺寸 | 最小为0.5毫米，推荐为0.7毫米 |
点击访问 MJF 3D打印设计指南
激光烧结成型（SLS）
激光烧结成型几乎与惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）过程相似，该过程使用二氧化碳激光器作为聚合物粉末的加热源。收缩和翘曲现象在激光烧结成型（SLS）惠普尼龙多流射熔融成型（MJF）中都很常见。
| 参数 | 数值 |
| 公差 | ±0.3% (100毫米内为± 0.3 毫米) |
| 构建体积 | 最大尺寸为350 x 350 x 400毫米 |
| 层厚 | 当壁厚较大时，约为0.1毫米，对于防水部件则为1.5毫米 |
| 最小特征尺寸 | 最小为0.6毫米，推荐为1.0厘米 |
点击访问 SLS 3D 打印设计指南
树脂光固化成型 (SLA)
树脂光固化成型（SLA）技术提供高精细度和准确度，使用各种光固化树脂，可以模拟不同的性能特点。树脂光固化成型（SLA）材料可以包括柔软的类聚丙烯、通用的类丙烯腈·丁二烯·苯乙烯（ABS）、硬度高的类聚碳酸酯，甚至是高刚度复合材料，具体取决于所选材料的种类。然而，部件需要在紫外光下固化一段时间，这会导致收缩现象。
| 参数 | 数值 |
| 公差 | ±0.2% (100毫米以内为± 0.2毫米) |
| 构建体积 | 最大尺寸为736 x 635 x 533毫米（不同材料的最大尺寸也不一样） |
| 层厚 | ~ 0.02 |
| 最小特征尺寸 | 0.5毫米，推荐0.8毫米 |
点击阅读SLA 3D 打印设计指南
热塑性材料熔融沉积成型 (FDM)
热塑性材料熔融沉积成型（FDM）适用于机械几何结构、较大部件以及不需要超细特征的部件。非常窄的特征可能无法解析，因为通过喷嘴沉积的挤出材料宽度有限。材料一旦放置在构建平台上就会立即开始冷却，从而导致收缩。工业级和桌面级热塑性材料熔融沉积成型（FDM）打印机之间的公差也会有所不同。
| 参数 | 数值 |
| 公差 | ±0.3% (100毫米以内为±0.3毫米) |
| 构建体积 | 最大尺寸为914 x 610 x 914毫米 （不同材料的最大尺寸也不一样） |
| 层厚 | 约为0.05至0.3毫米 |
| 最小特征尺寸 | 0.4毫米，推荐0.8毫米 |
点击访问 FDM 3D 打印设计指南
金属激光烧结成型 (SLM)
金属激光烧结成型（SLM）过程产生大量热量，会导致收缩和翘曲。金属的收缩率和导热性质与塑料不同。部件几乎无孔，表面粗糙度较小（约20微米）。
| 参数 | 数值 |
| 公差 | ±0.2% (100毫米以内为±0.1 – 0.2 毫米) |
| 构建体积 | 最大尺寸为276 x 276 x 350 毫米 |
| 层厚 | 根据材料的不同，约为0.02至0.08毫米 |
| 最小特征尺寸 | 用于外观特征的推荐最小值为0.75毫米，结构特征为1.5毫米 |
后处理
大多数技术都会生成支撑结构。去除支撑不仅影响表面处理，有时还会导致该处材料的去除，从而造成尺寸的不准确性。
像打磨这样的精加工工艺可以去除额外的尺寸，而涂层和喷漆等技术则可能会增加尺寸。在直接金属激光熔融（DMLS）中，有时会在重要表面上添加1至2毫米的额外材料，并在打印后进行加工。这是一种修正尺寸、实现严格公差的方法。
结语
下表总结了择幂科技的3D打印工艺的公差：
| 3D打印技术 | 公差 |
| MJF | ±0.3% (± 0.2 毫米) |
| SLS | ±0.3% (± 0.3 毫米) |
| SLA | ±0.2% (± 0.2 毫米) |
| FDM | ±0.3% (± 0.3 毫米) |
| SLM | ±0.2% (±0.1 – 0.2 毫米) |
| Polyjet | ±0.05-0.1毫米 |
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