寻找高分辨率3D打印机?在3D打印和增材制造领域,分辨率是一个经常被讨论但很少被理解的价值。XY和Z分辨率如何影响3D打印的质量?你应该选择什么最小特征尺寸和什么层厚度?

在本文中,您将了解3D打印机分辨率如何影响3D打印,以及它在立体光刻(SLA)、熔融沉积建模(FDM)和数字光处理(DLP)打印机之间的差异。

分辨率vs.最小特征尺寸

几十年来,技术一直处于解决问题的战争中。最近,电视的像素数从高清增加到4K,增加了四倍,并有望很快再次达到8K。手机、平板电脑以及任何带有屏幕的产品,只要是值得夸耀的东西,其分辨率都将在规格表上占据主导地位。但这并不是什么新鲜事。自数字技术流行以来,解决方案之战就一直在进行,而印刷业是最早的战场之一。

如果你生活在上世纪八九十年代,你肯定还记得佳能(Canon)、兄弟(Brother)、惠普(HP)、爱普生(Epson)和利盟(Lexmark)等公司在打印速度和分辨率方面的竞争。从100 × 100点/英寸(DPI)迅速升级到300 × 300,然后是600 × 600,最后是目前的行业标准1200 × 1200 DPI。当时,这些价值观的意义是显而易见的;甚至连单位都很合理。不幸的是,当您向打印添加另一个维度时,事情会变得更加复杂。

与FDM 3D打印机(左)相比,SLA 3D打印机提供了更高的分辨率,可以产生更平滑和更详细的打印(右)。

3 d打印分辨率

在3D打印和增材制造中,有三个维度需要考虑:两个平面的2D维度(X和Y)和使其成为3D打印的Z维度。由于平面和Z维度通常通过非常不同的机制控制,它们的分辨率将会不同,需要分别处理。因此,对于“3D打印分辨率”这个术语的含义以及打印质量的预期水平,存在很多困惑。

比较不同的3D打印过程

是什么让3D打印机具有高分辨率?答案不是一个数字。由于3D打印机生产的零件是三维的,你必须考虑至少两个数字:XY平面的最小特征尺寸和z轴分辨率(层厚或层高)。z轴分辨率很容易确定,因此被广泛报道,尽管它与打印质量和表面光洁度的关系不大。更重要的XY分辨率(最小特征尺寸)是通过显微成像测量的,因此并不总是在规格表中找到。

DLP 3D打印机相对于构建区域有一个固定的像素矩阵,而基于激光的SLA和LFS 3D打印机可以将激光束聚焦在任意XY坐标上。这意味着,即使激光光斑大小大于DLP像素大小,基于激光的机器,提供高质量的光学,也能更准确地再现零件的表面。

实际上,这意味着你应该选择一台在这两方面都表现良好的3D打印机(在所有三个维度上)。

SLA vs FDM 3D打印

自从第一台桌面3D打印机向公众开放以来,发生了很多变化。现在,SLA 3D打印机正在与FDM 3D打印机争夺相同的桌面位置。基于树脂的SLA 3D打印机相对于塑料熔化打印机的主要优势之一是打印质量:SLA 3D打印机打印出明显更平滑和更详细的打印。虽然SLA打印机通常也可以实现明显更小的层厚度,但提高打印质量的原因在于其高得多的XY分辨率。

与FDM 3D打印机不同,SLA 3D打印机XY平面的最小特征尺寸不受熔融塑性流动动力学的限制,而是受光学和自由基聚合动力学的限制。虽然数学计算很复杂(超出了本文的范围),但它得出的结论是:SLA打印的特性可以近似地与激光光斑的直径一样小。激光光斑可以非常小,特别是与FDM打印机挤出机的喷嘴尺寸相比。

激光SLA vs DLP 3D打印机

为了测试表单2在XY平面上的最小特征尺寸,设计了一个模型(左),线条范围从10到200微米,并用透明树脂打印(右)。

树脂3D打印机——如SLA、低强度立体光刻(LFS)和DLP技术——提供了桌面可用的所有3D打印过程的最高分辨率。这些加工的基本单元是不同形状的,因此很难仅通过数字规格来比较不同的机器。

DLP 3D打印机相对于构建区域有一个固定的像素矩阵,而基于激光的SLA和LFS 3D打印机可以将激光束聚焦在任意XY坐标上。这意味着,即使激光光斑大小大于DLP像素大小,基于激光的机器,提供高质量的光学,也能更准确地再现零件的表面。无论你选择哪种树脂3D打印工艺,专业的树脂3D打印机都应该能够捕捉到你创作的最好的细节。

在SLA和LFS 3D打印中,层线几乎是不可见的。因此,表面粗糙度降低,最终导致光滑的表面和更透明的材料部分。DLP 3D打印机使用矩形体素渲染图像,这会产生垂直体素线的效果。

理解XY决议

在3D打印的世界里,没有什么因素比XY分辨率更能影响打印质量。XY分辨率(也称为水平分辨率)的定义因3D打印技术的不同而不同,虽然经常被讨论,但很少被理解:

  • SLA和LFS 3D打印机:激光光斑大小和激光光束可控制增量的组合

  • DLP 3D打印机:像素大小,投影机可以在一层内复制的最小功能

  • FDM 3D打印机:挤出机可以在单层内做出的最小运动

根据经验,数字越低,细节越好。然而,这个数字并不总是包含在规格表中,当它包含时,发布的价值并不总是准确的。要真正了解打印机的XY分辨率,了解这个数字背后的科学原理是很重要的。

结果表明,对于150微米或更大的特征,表单2具有理想和实际的XY分辨率。

实际上,XY分辨率如何影响你的3D打印?为了找到答案,我们决定测试表单2 SLA 3D打印机。表单2的激光光斑尺寸为140微米(FWHM),这应该允许它在XY平面上打印细节。我们对它进行了测试,看看这个理想的分辨率是否成立。

首先,我们设计并打印了一个模型来测试XY平面上的最小特征尺寸。该模型是一个矩形块,在水平、垂直和对角方向上有不同宽度的线条,以避免方向偏差。线宽在10微米的步骤中从10到200微米不等,高200微米,相当于在100微米的Z分辨率下打印两个层。模型用Clear Resin打印,IPA浴洗两次,后固化30分钟。

固化后,我们将模型放在显微镜下,拍摄高分辨率照片进行分析。利用美国国立卫生研究院(NIH)的免费图像分析软件ImageJ,我们首先缩放图像的像素,然后测量打印出来的线条的实际宽度。我们收集了每条线宽50多个数据点,以消除测量误差和变异性。总的来说,我们在两个不同的打印机上打印并分析了三个模型。

当打印的线宽从200微米减少到150微米时,理想值在测量值的95%置信区间内。当预期线宽小于150微米时,测量间隔开始明显偏离理想。这意味着该打印机可以可靠地生成小至150微米的XY特征,大约是一根头发的大小。

Form 2在XY平面上的最小特征尺寸约为150微米——只比它的140微米激光器大10微米。最小特征尺寸永远不能小于激光光斑尺寸,有很多因素会影响这个值:激光折射,微观污染物,树脂化学,等等。考虑到打印机的整个生态系统,10微米的差异是微不足道的。并不是每个3D打印机公布的分辨率都是正确的,所以在选择适合你的项目的打印机之前做大量的研究是一个好主意。如果你的工作要求打印复杂的细节,找一台XY分辨率的打印机,它有可测量的数据支持,而不仅仅是数字。

理解Z决议

在Formlabs PreForm软件中,用户可以选择不同的层厚。零件在灰色树脂现在可以打印在以下层的高度:160,100,50,和25微米。对于工程师来说,160微米的打印将加速迭代过程,从设计到打印部分将在更短的时间内完成。

当你阅读3D打印机规格表时,你会看到一个值比其他值显示得更多:Z分辨率。也被称为层厚度或层高度,垂直分辨率是早期3D打印机之间的第一个主要数字差异。早期的机器很难突破1毫米的障碍,但现在FDM 3D打印机的层厚度可以低于0.1毫米,而LFS和SLA 3D打印机甚至更精确。

Formlabs 3D打印机支持25到300微米的层厚,这取决于材料。这种层高度的选择给了你理想的速度和分辨率的平衡。主要的问题是:什么是你的打印最好的层厚度?

厚度越小越好吗?

高分辨率3D打印需要权衡。更薄的层意味着更多的重复,反过来也意味着更长的时间;打印在25微米比100微米通常会增加四倍的打印时间。更多的重复也意味着出错的机会更多。例如,即使每层的成功率是99.99%,如果假设失败的层导致全部打印失败,那么四倍的分辨率也会将打印成功的几率从90%降低到67%。

更高的分辨率(更薄的层)会带来更好的打印效果吗?不总是正确的。这取决于要打印的模型和3D打印机的XY分辨率。一般来说,更薄的层意味着更多的时间、工件和错误。在某些情况下,低分辨率(即较厚的层)打印模型实际上可以产生更高质量的打印。

当薄层不起作用时

更薄的层通常与对角线上的平滑过渡相关联,这导致许多用户普遍化并将Z分辨率推向极限。但如果模型主要由垂直和水平的边组成,有90度角和很少对角线呢?在这些情况下,额外的层并不能提高模型的质量。

如果打印机的XY分辨率不是完美的,并且在绘制外部边缘时“颜色在线外”,这个问题就变得复杂了。更多的层意味着表面有更多不匹配的脊。虽然Z分辨率更高,但在这种情况下,模型看起来质量明显较低。

何时选择更高的Z分辨率

有时候你需要更高的分辨率。如果有一台XY分辨率高的打印机,一个具有复杂功能和许多对角边的模型,降低层的厚度将产生一个更好的模型。此外,如果模型很短(200层或更少),提高z轴分辨率确实可以提高质量。某些设计受益于更高的Z分辨率:有机形式,圆形拱门,小型浮雕和复杂的雕刻。

作为一个一般的指导方针,宁可选择较厚的图层,只在完全必要的时候提高Z分辨率。有了正确的打印机和特定类型的模型,更高的Z分辨率将捕获您设计的复杂细节。

本文由Formlabs, Somerville, MA贡献。欲了解更多信息,请访问在这里


金宝搏官网科技简报》杂志

本文首次发表于2021年7月号金宝搏官网杂志。

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