Toleranties — Waarom passend op het scherm niet passend uit de printer betekent

In het vorige hoofdstuk heb je ruimte gemaakt voor printplaten, sensoren en connectoren. Daarbij heb je waarschijnlijk vrij nauwkeurig gewerkt. Een printplaat van 26 millimeter breed kreeg bijvoorbeeld een ruimte van 26 millimeter. Een USB-connector van 9 millimeter hoog kreeg een uitsparing van ongeveer dezelfde maat.

Op het scherm ziet dat er logisch uit.

Toch kan zo’n ontwerp na het printen ineens niet passen.

De printplaat klemt. De connector schuift niet door het gat. Een deksel dat in Tinkercad perfect aansluit, wil in werkelijkheid niet dicht.

Dat betekent niet automatisch dat je verkeerd hebt gemeten of getekend. Je loopt tegen iets aan dat bij vrijwel ieder 3D-geprint ontwerp belangrijk wordt: tolerantie.

Tolerantie is de extra ruimte die je bewust in een ontwerp aanbrengt om rekening te houden met afwijkingen in maatvoering.

Bij een 3D-printer is een getekende millimeter namelijk niet altijd exact dezelfde millimeter als in het uiteindelijke onderdeel.

Dat klinkt misschien onhandig, maar zodra je weet waar die afwijkingen vandaan komen, kun je er heel voorspelbaar mee ontwerpen.

Een digitaal model heeft geen wrijving

Stel dat je een printplaat hebt die volgens je schuifmaat precies 25,0 millimeter breed is.

In Tinkercad maak je een uitsparing van eveneens 25,0 millimeter.

Op het scherm past dat perfect.

De randen kunnen zelfs exact tegen elkaar liggen zonder problemen.

In de echte wereld kan dat niet.

Twee onderdelen die allebei exact 25,0 millimeter breed zijn, hebben geen vrije ruimte tussen zich. Zodra er ook maar een kleine afwijking in de maat zit, ontstaat wrijving of past het onderdeel helemaal niet.

Een geprint onderdeel is bovendien nooit volledig glad. De printer bouwt het onderdeel laag voor laag op. Daardoor ontstaan kleine ribbels en oneffenheden.

Je hebt dus vrijwel altijd wat extra ruimte nodig.

Die extra ruimte noemen we speling.

Tolerantie en speling zijn niet precies hetzelfde

De woorden tolerantie en speling worden bij hobbyprojecten vaak door elkaar gebruikt, maar ze betekenen niet helemaal hetzelfde.

Tolerantie beschrijft hoeveel een echte maat mag afwijken van de bedoelde maat.

Je tekent bijvoorbeeld een gat van 10,0 millimeter, maar na het printen meet je 9,8 millimeter.

De printer heeft dan een maatverschil van 0,2 millimeter veroorzaakt.

Speling is de ruimte die je bewust tussen twee onderdelen laat.

Een pen van 10,0 millimeter kan bijvoorbeeld in een gat van 10,4 millimeter worden geplaatst. Je hebt dan 0,4 millimeter verschil tussen beide maten.

In deze gids werken we vooral met speling om toleranties van de printer op te vangen.

Je hoeft dus niet vooraf precies te weten hoeveel je printer afwijkt. Je bouwt voldoende marge in zodat het ontwerp ook in de echte wereld bruikbaar blijft.

Waarom een printer maten verandert

Een 3D-printer probeert jouw digitale model zo goed mogelijk na te maken, maar het proces is fysiek.

Gesmolten kunststof wordt door een opening in de nozzle gedrukt en vervolgens in dunne lijnen neergelegd.

Daarbij spelen meerdere factoren een rol.

Kunststof heeft een echte dikte

Een standaard nozzle heeft vaak een diameter van 0,4 millimeter.

De printer legt daarmee lijnen kunststof neer die ongeveer in die orde van grootte liggen.

Een scherpe binnenhoek uit Tinkercad bestaat in werkelijkheid dus uit verschillende lijnen kunststof.

Dat kan ervoor zorgen dat kleine gaten iets kleiner worden dan bedoeld.

Kunststof krimpt tijdens het afkoelen

Filament wordt warm geprint en koelt daarna af.

Tijdens dat afkoelen kan het materiaal een klein beetje krimpen.

Hoeveel dat gebeurt, verschilt per materiaal.

PLA gedraagt zich bijvoorbeeld anders dan PETG en ABS.

Voor de meeste eenvoudige behuizingen zijn die verschillen klein, maar bij onderdelen die precies in elkaar moeten passen worden ze ineens merkbaar.

De eerste laag wordt soms iets breder

Om een print goed aan het printbed te laten hechten, wordt de eerste laag vaak stevig tegen het bed gedrukt.

Daardoor kan de kunststof aan de onderzijde iets naar buiten worden gedrukt.

Dat effect wordt vaak elephant foot genoemd.

Een onderdeel dat aan de onderkant precies in een andere vorm moet schuiven, kan daardoor onverwacht klemmen.

Iedere printer is anders

Zelfs twee printers van hetzelfde model hoeven niet exact dezelfde afmetingen te produceren.

Instellingen zoals:

• flow;
• temperatuur;
• printsnelheid;
• riemspanning;
• filament;
• laaghoogte;

hebben allemaal invloed.

Daarom bestaat er geen universele tolerantiewaarde die voor iedere printer en ieder materiaal altijd goed is.

Er zijn wel handige uitgangspunten.

Begin niet met perfecte passing

Bij een eerste ontwerp is het verleidelijk om alle onderdelen exact op maat te tekenen.

Doe dat liever niet.

Geef onderdelen die ergens in moeten passen bewust extra ruimte.

Voor veel eenvoudige FDM-prints kun je als eerste proef ongeveer met de volgende waarden beginnen:

Zie deze waarden niet als wetten.

Ze zijn vooral bedoeld als eerste proef.

Daarna meet en test je wat jouw printer werkelijk doet.

Per zijde rekenen voorkomt verrassingen

Hier gaat het regelmatig mis.

Stel dat een printplaat 30 millimeter breed is.

Je wilt aan beide kanten 0,4 millimeter vrije ruimte.

Dan moet de binnenruimte niet 30,4 millimeter worden.

Je hebt immers aan twee kanten ruimte nodig.

De berekening wordt:

30,0 + 0,4 + 0,4 = 30,8 millimeter

De totale speling is dus 0,8 millimeter.

Bij connectoropeningen geldt hetzelfde.

Een USB-connector van 12 millimeter breed met 0,3 millimeter ruimte links en rechts vraagt om een gat van ongeveer:

12,0 + 0,3 + 0,3 = 12,6 millimeter

Dat lijkt een klein verschil.

Bij een printer kan dat precies het verschil zijn tussen soepel passen en vijlen.

Een praktisch voorbeeld uit De Werkplaats

Stel dat je een eenvoudige behuizing maakt voor een ESP32-printplaat.

Je meet de printplaat op:

• breedte: 28,0 mm;
• lengte: 52,0 mm;
• hoogte: 14,0 mm inclusief connectoren.

Je zou de binnenruimte exact 28 × 52 millimeter kunnen maken.

Maar dat geeft nauwelijks marge.

Maak hem voor een eerste test bijvoorbeeld:

• breedte: 28,8 mm;
• lengte: 52,8 mm.

Daarmee laat je rondom ongeveer 0,4 millimeter ruimte.

Voordat je verder leest, voorspel eens wat er gebeurt wanneer je slechts één van beide maten groter maakt.

Bijvoorbeeld 28,8 millimeter breed, maar nog steeds exact 52,0 millimeter lang.

Waarschijnlijk kan de printplaat dan zijwaarts bewegen, maar nog steeds in de lengterichting vastlopen.

Dat is precies waarom je bij toleranties altijd moet kijken naar alle oppervlakken die elkaar kunnen raken.

Ook gaten worden vaak te klein

Ronde gaten verdienen extra aandacht.

Je zou verwachten dat een getekend gat van 3 millimeter na het printen ook ongeveer 3 millimeter is.

In de praktijk is het regelmatig iets kleiner.

Dat komt onder andere doordat de lijnen kunststof aan de binnenkant van het gat enigszins naar binnen liggen.

Wil je bijvoorbeeld een M3-bout door een gat steken, dan is een gat van exact 3,0 millimeter meestal niet verstandig.

Een eerste proef kan bijvoorbeeld 3,3 of 3,4 millimeter zijn.

Moet de bout juist strak in het kunststof grijpen, dan gelden andere maten.

Dat behandelen we later wanneer bevestigingsmethoden aan bod komen.

Voor nu is vooral belangrijk:

een doorgangsgat moet meestal groter zijn dan het onderdeel dat erdoorheen moet.

Connectoren hebben meer nodig dan hun buitenmaat

Een connector meten lijkt eenvoudig.

Je meet de metalen USB- of voedingsconnector en maakt daar een gat voor.

Toch kan hij daarna nog steeds niet goed bereikbaar zijn.

Dat komt doordat je niet alleen rekening moet houden met de connector zelf.

Ook de stekker die erin wordt gestoken heeft ruimte nodig.

Neem bijvoorbeeld een USB-C-aansluiting.

De opening in de behuizing moet voldoende groot zijn voor:

• de connector op de printplaat;
• de metalen stekker;
• de kunststof behuizing rond de kabel;
• een beetje beweging tijdens het insteken.

Een opening die precies rond de connector op de printplaat past, kan daardoor in werkelijkheid onbruikbaar zijn.

Kijk daarom naar het complete gebruiksscenario.

Niet alleen:

Past de connector?

Maar ook:

Kan ik de kabel er normaal in steken en weer verwijderen?

Eerst voorspellen, dan meten

Toleranties leer je het snelst door kleine proefstukken te printen.

Je hoeft niet iedere keer een complete behuizing van drie uur te printen om te ontdekken dat een opening 0,3 millimeter te klein is.

Maak in Tinkercad bijvoorbeeld een klein blokje met verschillende sleuven:

• 10,0 mm;
• 10,2 mm;
• 10,4 mm;
• 10,6 mm;
• 10,8 mm.

Gebruik vervolgens een onderdeel dat ongeveer 10 millimeter breed is.

Voordat je test, voorspel je welke opening volgens jou het prettigst zal passen.

Daarna probeer je ze één voor één.

Schrijf op wat je merkt.

Bijvoorbeeld:

• 10,0 mm: past niet;
• 10,2 mm: klemt sterk;
• 10,4 mm: schuift met lichte weerstand;
• 10,6 mm: past prettig;
• 10,8 mm: duidelijk los.

Nu weet je veel meer dan wanneer je alleen een theoretische tabel had gevolgd.

Je hebt namelijk een bruikbare waarde voor jouw printer, materiaal en instellingen gevonden.

Verander steeds één maat tegelijk

Stel dat een printplaat niet in je behuizing past.

Maak dan niet meteen de complete binnenruimte 2 millimeter groter.

Daarmee verlies je informatie.

Meet eerst waar hij klemt.

Is de breedte verkeerd?

De lengte?

Een hoek?

Een steunpunt?

Een soldeerverbinding?

Pas vervolgens alleen dat onderdeel aan.

Print opnieuw.

Zo ontdek je wat werkelijk het probleem was.

Dat lijkt misschien langzamer, maar bij ontwerpen bespaart deze manier van werken uiteindelijk juist veel tijd.

Controleer met een schuifmaat

Een gewone liniaal is voor globaal werk prima.

Voor toleranties is een schuifmaat veel bruikbaarder.

Je kunt daarmee bijvoorbeeld controleren:

• hoe breed een printplaat werkelijk is;
• hoe dik een wand uit de printer komt;
• hoe groot een geprint gat werkelijk is;
• hoeveel een binnenmaat afwijkt van het ontwerp.

Stel dat je in Tinkercad een binnenmaat van 30,8 millimeter hebt gemaakt.

Na het printen meet je 30,5 millimeter.

Dan weet je dat jouw combinatie van printer en instellingen in deze situatie ongeveer 0,3 millimeter kleiner uitvalt.

Dat is nuttige informatie.

Je ontwerp is niet mislukt.

Je hebt je printer beter leren kennen.

Meet niet alleen het geprinte onderdeel

Soms ligt de fout helemaal niet bij de printer.

Elektronische onderdelen hebben namelijk zelf ook toleranties.

Twee printplaten van hetzelfde type kunnen een fractie van een millimeter verschillen.

Soldeerverbindingen steken niet altijd even ver uit.

Connectoren kunnen iets scheef gemonteerd zijn.

Een kabel kan een dikkere trekontlasting hebben dan verwacht.

Daarom is het verstandig om het echte onderdeel te meten dat uiteindelijk in de behuizing komt.

Ontwerp niet uitsluitend op basis van een technische tekening of maat die je op internet hebt gevonden.

Gebruik die gegevens als uitgangspunt en controleer ze daarna op het onderdeel zelf.

Houd rekening met de printoriëntatie

Ook de richting waarin je een onderdeel print kan invloed hebben op hoe goed iets past.

Een opening die horizontaal wordt geprint kan er anders uitkomen dan dezelfde opening in een verticale wand.

Bij horizontale ronde gaten moet de printer bovendien laag voor laag een boog opbouwen.

De bovenkant van het gat kan daardoor iets afvlakken.

Bij kritische onderdelen kan de printoriëntatie dus deel worden van je ontwerp.

Voor eenvoudige behuizingen hoef je daar niet voortdurend mee bezig te zijn, maar het is goed om te weten dat een maat niet volledig losstaat van de manier waarop hij wordt geprint.

Pas op met extreem krappe toleranties

Je kunt proberen een ontwerp steeds nauwkeuriger te maken.

Bijvoorbeeld door slechts 0,1 millimeter speling te gebruiken.

Soms werkt dat.

Maar daarmee wordt je ontwerp ook gevoeliger voor kleine veranderingen.

Een ander merk filament kan al voldoende zijn om de passing te veranderen.

Een iets andere printtemperatuur misschien ook.

Voor een behuizing is een iets ruimere passing daarom vaak betrouwbaarder dan een theoretisch perfecte passing.

Vraag jezelf steeds af:

Moet dit onderdeel nauwkeurig zitten, of moet het vooral betrouwbaar passen?

Dat zijn niet altijd dezelfde dingen.

Speling is geen slordigheid

Bij beginnende ontwerpen voelt extra ruimte soms alsof je onnauwkeurig werkt.

Het tegenovergestelde is waar.

Speling toevoegen is een bewuste ontwerpkeuze.

Een professionele ontwerper probeert niet alle onderdelen exact tegen elkaar te tekenen.

Hij probeert te voorspellen hoeveel variatie in de echte wereld kan ontstaan.

Een goed ontworpen behuizing houdt rekening met:

• de printer;
• het materiaal;
• de elektronica;
• montage;
• beweging;
• slijtage;
• toekomstige demontage.

Dat is veel realistischer dan een digitaal model waarin iedere maat exact tegen de volgende maat ligt.

Maak je eigen tolerantietest

Een klein teststuk is een van de handigste dingen die je voor toekomstige projecten kunt bewaren.

Je kunt bijvoorbeeld een plaatje maken met:

• ronde gaten van verschillende diameters;
• vierkante openingen;
• sleuven;
• pennetjes;
• schuifverbindingen.

Print dat met het filament en de instellingen die je normaal gebruikt.

Schrijf de echte resultaten erbij.

Bijvoorbeeld:

PETG – 0,2 mm laaghoogte – 0,4 mm nozzle

• 0,2 mm speling: klemt;
• 0,3 mm: strak;
• 0,4 mm: goed;
• 0,5 mm: soepel.

De volgende keer dat je een behuizing ontwerpt, hoef je dan niet opnieuw vanaf nul te gokken.

Je bouwt langzaam een eigen verzameling praktijkwaarden op.

Een foutieve passing is meetinformatie

Stel dat je na twee uur printen ontdekt dat je printplaat nét niet past.

Dat is vervelend.

Maar probeer niet meteen naar een vijl te grijpen.

Kijk eerst waarom hij niet past.

Meet de printplaat.

Meet de opening.

Vergelijk die maten met je Tinkercad-model.

Misschien ontdek je bijvoorbeeld:

• ontworpen opening: 42,8 mm;
• geprinte opening: 42,5 mm;
• echte printplaat: 42,6 mm.

Nu weet je precies waarom hij klemt.

Je volgende versie kan bijvoorbeeld 43,1 millimeter worden.

Die werkwijze — voorspellen, printen, meten en aanpassen — is een belangrijk onderdeel van ontwerpen voor een 3D-printer.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een ontwerp dat op het scherm perfect past, hoeft na het printen niet te passen.

Dat komt doordat een 3D-printer met echt materiaal werkt en daardoor kleine maatverschillen ontstaan.

Daarom:

• ontwerp onderdelen niet exact tegen elkaar;
• voeg bewust speling toe;
• reken speling aan beide zijden mee;
• maak gaten en connectoropeningen iets groter dan het onderdeel;
• houd rekening met stekkers en kabels, niet alleen met connectoren;
• meet zowel het geprinte onderdeel als de elektronica;
• test kritische maten met kleine proefstukken;
• verander bij problemen steeds één maat tegelijk;
• gebruik een mislukte passing als informatie over je printer.

Tot nu toe hebben we vooral gekeken naar de ruimte in de behuizing: voor elektronica, connectoren en onderdelen die in elkaar moeten passen.

Maar een behuizing moet uiteindelijk ook dicht kunnen.

Daarbij worden toleranties opnieuw belangrijk. Een deksel dat moet schuiven heeft andere ruimte nodig dan een klikverbinding, en een geschroefd deksel stelt weer andere eisen aan de constructie.

In het volgende hoofdstuk gaan we daarom kijken naar deksels ontwerpen — klikken, schuiven of schroeven.