3D列印的尺寸一直不精準? 你該注意線材直徑公差的影響

 

　　在大多數FFF形式的3D印表機中，所使用的線材多半是直徑1.75mm的線材。許多人在列印自己的作品前或是剛獲得一台印表機時，往往會花費大量的時間去調整公差，印XYZ的測試方塊也好、調整印出來的線寬也好，不斷的調整不同的切片參數。就像下面的照片一樣，當時我不斷地在測試要讓印出來的尺寸跟繪製的一模一樣。但後來才發現，我花了大量的時間去調整機器，卻忘了我喂它吃的線材，到底品質好不好.....。

　　品質好不好? 反正不就能從噴頭擠出線出來就好嗎?其實事實上線材的品質對於作品的影響非同小可。(若是不重要的話，Prusa的創辦人沒必要花大把銀子去創建自己的線材製造工廠，只為了把直徑公差從常見的±0.05 mm降到±0.02 mm的精度)。而在Filament Tolerances對於這篇文章中，對於線徑的誤差有做一些探討，說明了線徑公差對於列印作品外觀的影響。

　　每一個Prusament在出廠的盒子上都會有一組QR code可以掃描，它會秀出如本文開頭的照片那樣的數據，顯示這個線材在製造的過程中的直徑測量曲線圖，不像有些廉價的線材用游標卡尺量出來1.75mm的照片，就號稱自己高精度(壞掉的時鐘，一天也會對兩次)。

　　Prusament在線材製造的過程中，每秒採樣4700次進行直徑的紀錄並出曲線紀錄圖，並且還有直徑的標準差可以依循，並將其標準控制在±0.02 mm以內，我認為這才是真正的線材品管，而不是拿個游標就說自己的線有多準，整卷都要這麼準才是真的。(最誇張的是±0.02mm是他們的品管"極限"，我拿到的這捲材料上下限是±0.009mm，相當於一條以內.....)

　　說了這麼多，線材的直徑到底對列印出來的東西有啥影響?在Does 0.02mm Tolerance Make a Difference?這部影片中透過簡單的計算，解釋了直徑造成的結果，而我這邊想透過自己用Google試算表所計算的差異來解釋。

　　首先我們知道從擠出機出多少線，勢必就會轉換為印出來的線(質量不滅)，在這裡的計算我忽略線材本身的收縮率、含水率、機器移動或擠出機的誤差，就把變因控制在材料的線徑公差對於線寬的影響就好。

　　而根據使用的線材=擠出到床台上的線材，我必須先計算擠出在床台上的截面理論面積，才能再繼續進行計算，理論面積的公式如下(A2):

　　透過這個公式，我去計算出當使用了1mm的線材時，以0.1mm層高及線寬0.45mm的情況下，會印出約56.13mm的線在床台上。

　　有了這些參數之後，我就可以推算出不同線徑下，所印出來的"理論線寬"為何(當然實際上影響線寬的因素還很多)。而從下面公式可以看到，層高是固定的，而出線長度換算列印長度也是在切片時，就被gcode計算好的，因此下面公式中線寬(W)的變因就是線直徑(D1)的影響。(出線長度L1/L2的比值在相同層高下是固定的)
(我數學不是很好，所以有計算錯誤可能還麻煩請指教一下)

　　透過上面的公式，我建立了下面這一張表格。可以看到在不同的線徑公差下所造成的線寬誤差。可以看到大致是呈現線性變化的，隨著公差越精準，誤差的寬度越小。

※補充：上述公式中，其實應該還要有一項擠出補償係數Extrusion multiplier(PrusaSlicer)或flow(Cura)，目的是在微調列印的線寬校準，這個之後再另闢文章講解。

　　不要小看那線寬0.0x的差異，我就曾經看過有人改裝線性滑軌、用千分錶調整床台，希望讓3D印表機調整到如CNC那般的精準(我個人是覺得矯枉過正了)，然而他卻用著不知名的PLA再進行機器的校準。在不精準的線材上印多少校準塊，永遠都會有著那樣的偏差。

　　而且你可能會認為我並非做工程零件，不需要很精準的尺度。但是線寬不一致的結果，也會導致你的外觀看起來層紋更加明顯(因為線寬不一致)。

　　品質不良的材料不只直徑公差不佳，就連內部的成分可能也有許多雜質。廉價的線材可能使用較差的原料進行抽線，在列印時間一長之後，線材內不可融或一些雜質會卡在整個喉管區域，導致列印越來越不順暢甚至導致堵頭，同時也會導致列印出來的作品可能一下冒泡、出現表面豆粒、焦痕等等問題。

　　最後大家不訪看看這則影片Prusa Factory Tour!，在4:00時介紹Prusa工廠的抽線部門，就可以看到其製造的嚴謹程度了。一分錢一分貨，別花了大把銀子購買機器，又花了許多時間調整機器，卻因為用了不好的線材讓自己的一切努力形同虛設。