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Qu'est ce que la résolution en impression 3D ?

La “résolution” est un thème souvent abordé mais rarement vraiment compris dans le domaine de l'impression 3D. Comment les axes XY et Z et la résolution influencent-ils la qualité de vos impressions ? Quelle est la taille minimum des détails et quelle hauteur choisir pour les couches?
Dans ce guide exhaustif, vous apprendrez comment la résolution affecte vos impressions et comment elle diffère selon la technologie d'impression utilisée (SLA, FDM ou DLP).

  1. Résolution et taille minimum des détails
  2. Comprendre la résolution XY
  3. Comprendre la résolution sur l’axe Z

Résolution et taille minimum des détails

Les différentes technologies sont en guerre depuis des décennies pour augmenter la résolution. Les fabricants de téléviseurs ont récemment quadruplé le nombre de pixels de leurs produits en passant de la HD à la 4K, et bientôt à la 8K. La résolution sera la principale caractéristique dont les téléphones portables, les tablettes et tout dispositif muni d'un écran pourront se vanter. Mais ce n’est pas nouveau. Les guerres de résolution ont commencé depuis que la technologie est devenue populaire, et l’industrie de l’impression en fut l’un des principaux champs de bataille.

Les différentes technologies sont en guerre depuis des décennies pour augmenter la résolution. Les fabricants de téléviseurs ont récemment quadruplé le nombre de pixels de leurs produits en passant de la HD à la 4K, et bientôt à la 8K. La résolution sera la principale caractéristique dont les téléphones portables, les tablettes et tout dispositif muni d'un écran pourront se vanter. Mais ce n’est pas nouveau. Les guerres de résolution ont commencé depuis que la technologie est devenue populaire, et l’industrie de l’impression en fut l’un des principaux champs de bataille.

Résolution et impression 3D

Impression 3D haute résolution d'un cube étoile
Le niveau de détails d'une impression est défini par la résolution de ses trois dimensions.

Dans l’impression 3D, il faut tenir compte de trois dimensions : les deux dimensions planaires 2D (X et Y) et la dimension Z spécifique à l’impression 3D. Les dimensions planaires et Z étant généralement contrôlées à travers des mécanismes différents, leurs résolutions sont différentes et doivent être traitées séparément. Cela prête à confusion concernant la signification du terme « résolution » dans l’impression 3D et le niveau de qualité d’impression attendue.

L’impression de haute résolution

Form 2 imprimant un modèle de système nerveux
L'imprimante 3D SLA Form 2 dispose d'une haute résolution sur l'axe Z et uen taille minimum basse sur les axes XY, ce qui lui permet de produire des détails très fins.

Qu’est-ce que la résolution d'une imprimante 3D ? Il ne s’agit pas d'un seul nombre. L’impression se faisant sur trois dimensions, il faut tenir compte d’au moins deux nombres : le diamètre du laser sur le plan XY et la résolution sur l’axe Z (hauteur de couche). La résolution sur l’axe Z est facile à déterminer et est donc largement utilisée même si elle réfère moins à la qualité d’impression. La résolution la plus importante XY (qui correspond au diamètre du laser) est mesurée par imagerie microscopique et ne figure donc pas toujours sur les fiches techniques. En pratique, cela implique de choisir une imprimante avec de bonnes caractéristiques dans les deux catégories telle que la Form 2 does.

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SLA et FDM

Les imprimantes 3D de bureau ont considérablement changé le paysage dès leur arrivée sur le marché public. Aujourd’hui, les imprimantes 3D par stéréolithographie (SLA) telles que la Form 2 et les imprimantes FDM cherchent toutes à dominer l’univers de bureau. L’un des principaux avantages que les imprimantes SLA ont sur leurs concurrents utilisant le plastique en fusion est la qualité d’impression : les imprimantes SLA produisent des pièces beaucoup plus lisses et détaillées. Bien que les imprimantes SLA permettent également d’obtenir des hauteurs de couche significativement faibles, l’amélioration de la qualité d’impression est attribuée à leur résolution XY supérieure.

Les imprimantes SLA produisent des pièces beaucoup plus lisses et détaillées.

Contrairement aux imprimantes FDM, la taille minimale des points imprimés sur le plan XY en SLA ne dépend pas de la dynamique du flux de plastique en fusion, mais plutôt de l’optique et de la cinétique de polymérisation radicalaire. Les notions mathématiques derrière cela sont compliquées et dépassent les limites de cet article, mais gardez à l’esprit que les points des pièces imprimées par SLA peuvent être environ aussi petits que le diamètre de leurs points laser, et que les points laser peuvent être très petits, surtout par rapport aux buses d’extrusion.

Laser et DLP

En SLA, il existe deux principaux types de systèmes d'imagerie : par laser et par DLP (Digital Light Processing). Contrairement aux imprimantes DLP ayant une matrice de pixels fixe par rapport à la zone de construction, les appareils laser peuvent diriger le faisceau laser sur n’importe quelle coordonnée XY. Cela signifie que les machines laser, tenant compte de l’optique de haute qualité, peuvent reproduire la surface d’une pièce avec plus d’exactitude même lorsque le point laser est plus grand que le pixel DLP. Quelle que soit l'imprimante que vous choisissez, elle devrait être capable de capturer les moindres détails de vos créations, des modèles de test aux bustes photoréalistes de célèbres dirigeants. Choisissez donc la bonne imprimante 3D haute résolution pour donner vie à vos créations.

Comprendre la résolution XY

Dans le monde de l'impression 3D, la résolution XY est le facteur qui influence le plus la qualité de l’impression. Souvent discutée mais rarement comprise, la résolution XY (également appelée résolution horizontale) fait référence au déplacement le plus petit que peut faire le laser ou l’extrudeuse d’une imprimante à l'intérieur d’une même couche. Plus ce nombre est petit, meilleure est la qualité d'impression. Cependant, ce nombre ne figure pas toujours dans les fiches techniques, et lorsque c’est le cas, la valeur publiée n’est pas toujours exacte. Pour connaître la véritable résolution XY d’une imprimante, il faut comprendre la signification scientifique de ce nombre.

En pratique, quel est l’impact de la résolution XY vos impressions 3D ? Pour répondre à cette question, nous avons décidé de tester l’imprimante 3D SLA Form 2. La Form 2 a un point laser de 140 microns (FWHM), qui lui permettrait d'imprimer des détails fins dans le plan XY. Nous l’avons testée pour savoir si cette résolution de consigne reste vraie dans la réalité.

Conception d'un modèle de test

modèle de test XY
Pour tester la taille minimum sur l'axe XY, nous avons conçu un modèle (à gauche) comprenant des lignes allant de 10 à 200 microns, puis l'avons imprimé en résine Claire (droite).

D’abord, nous avons conçu et imprimé un modèle pour tester le plus petit point imprimable dans le plan XY. Il s’agit d’un modèle rectangulaire avec des lignes de largeur variable horizontalement, verticalement et sur la diagonale pour éliminer le biais directionnel. Les largeurs de ligne varient entre 10 et 200 microns avec un pas de 10 microns et sont d’une hauteur de 200 microns, ce qui est l'équivalent de deux couches imprimées avec une résolution de 100 microns sur l’axe Z. Le modèle a été imprimé avec une résine transparente, lavé deux fois dans un bain d’alcool isopropylique (IPA), et post-traité pendant 30 minutes.

Analyse du modèle

Analyse XY du modèle imprimé en 3D
The model was photographed and tinted green to improve visibility. On the right side of the window, the vertical yellow line with black points measures the width of a photographed line.

Après le post-traitement, nous avons placé le modèle sous un microscope et pris des photos haute résolution pour l’analyse. En utilisant ImageJ, le logiciel d’analyse d’image gratuit de NIH, nous avons d’abord mis les pixels de l’image à l'échelle puis mesuré les largeurs réelles des lignes imprimées. Nous avons rassemblé plus de 50 points de données par largeur de ligne afin d’éliminer les erreurs et la variabilité de mesure. Au total, nous avons imprimé et analysé trois modèles sur deux différentes imprimantes.

Interpretation des résultats

Graphique de comparaison de la résolution XY attendue et effective
Les résultats indiquent que la Form 2 dispose des mêmes résultats attendus et effectifs pour des détails de 150 microns et plus.

Lorsque la largeur de ligne de l’impression passe de 200 à 150 microns, les valeurs de consigne appartiennent à l'intervalle de confiance de 95 % pour la valeur mesurée. Lorsque les largeurs de ligne attendues sont inférieures à 150 microns, l’intervalle mesuré commence à dévier significativement de la valeur de consigne. Cela signifie que l’imprimante peut produire fidèlement des impressions XY de la taille de 150 microns, c’est-à-dire aussi fines qu’un cheveu humain.

Le plus petit point imprimable de la Form 2 sur le plan XY est d’environ 150 microns, qui est supérieur à son laser de 140 microns de seulement 10 microns.

Sur la base de nos mesures, le plus petit point imprimable de la Form 2 dans le plan XY est d’environ 150 microns, qui est supérieur à son laser de 140 microns de seulement 10 microns. Le plus petit point imprimable ne peut jamais être inférieur à la taille du point laser, et plusieurs facteurs influencent sa valeur, à savoir : la réfraction du laser, la contamination microscopique, la composition chimique de la résine, et de nombreux autres facteurs. Compte tenu de l’ensemble de l’écosystème de l’imprimante, un écart de 10 microns est nominal. Les résolutions publiées des imprimantes 3D n’étant pas toujours vraies, il serait judicieux de faire de nombreuses recherches pour choisir l’imprimante qui répond le mieux à vos besoins.

Si votre application requiert d’imprimer des détails complexes, choisissez une imprimante dont la résolution XY est appuyée par des données mesurables, pas seulement un nombre.

Comprendre la résolution sur l’axe Z

Dans la fiche technique d’une imprimante 3D, une valeur se répète souvent plus que toutes les autres : la résolution sur l’axe Z. Appelée également hauteur de couche, la résolution sur l’axe Z a été la première principale différenciation numérique entre les premières imprimantes 3D. Les anciennes machines luttaient pour franchir la barrière de 1 mm, mais aujourd'hui, les hauteurs de couche sur les imprimantes FDM sont devenues inférieures à 0,1 mm, tandis que les machines SLA sont encore plus précises.

Actuellement, l’imprimante 3D SLA Form 2 offre des hauteurs de couche de 100 et de 50 microns pour toutes les résines.Les résines Claire, Blanche et Calcinable permettent d’obtenir des résolutions allant jusqu’à 25 microns. Cette sélection de hauteurs de couche vous offre le meilleur compromis entre vitesse et résolution. Une question se pose alors : quelle est la meilleure hauteur de couche pour votre application ?

Une hauteur de couche plus petite est-elle toujours préférable ?

Pour obtenir une haute résolution, il faut faire un compromis. Des couches plus fines requièrent plus de répétitions, et donc plus de temps : le temps nécessaire pour imprimer à 25 microns est 4 fois plus important que le temps nécessaire pour imprimer à 100 microns. En outre, un nombre élevé de répétitions augmente le risque de problèmes pendant l’impression. Par exemple, même à un taux de succès de 99,99 % par couche, la multiplication de la résolution par quatre réduit les chances de succès de l’impression de 90 % à 67 % si l’on part du principe que l’échec de l’impression d’une couche entraîne l'échec total de l’impression.

Une hauteur de couche plus faible signifie un délai plus long, plus de distorsions et de risques d’erreur.

Des couches plus fines donnent-elles un meilleur résultat ? Pas forcément — cela dépend en fait du modèle à imprimer et de la résolution XY de l’imprimante. En général, des couches plus fines signifient un délai plus long, plus d’artefacts et de risques d’erreur. Dans certains cas, l’impression de modèles à de faibles résolutions (c’est-à-dire des couches plus épaisses) peut donner une meilleure qualité d’impression.

Quand des couches plus fines n'apportent rien

Les couches plus fines sont généralement associées à des transitions plus fluides sur les diagonales, ce qui incite beaucoup d’utilisateurs à pousser la résolution sur l’axe Z jusqu’à ses limites. Mais qu’en est-il pour un modèle composé principalement de bordures horizontales et verticales, avec des angles droits et peu de diagonales ? Dans de tels cas, les couches additionnelles n’améliorent pas la qualité du modèle.

Comapraison des hauteurs de couches en impression 3D

Le problème est aggravé si la résolution XY de l’imprimante en question est médiocre et que celle-ci dépasse littéralement les bornes en imprimant hors des bordures extérieures. Plus de couches signifie plus d’arêtes afférentes sur la surface. Dans ce cas, bien que la résolution sur l’axe Z soit élevée, la qualité d’impression du modèle est inférieure.

Comparaison des hauteurs de couches en FDM et SLA

Quand choisir une résolution élevée sur l’axe Z

Ceci dit, il y a des cas où vous aurez besoin d’une résolution plus élevée. Dans le cas d’une imprimante avec une bonne résolution XY devant imprimer un modèle avec des caractéristiques complexes et plusieurs bordures diagonales, des couches plus fines donneront des résultats nettement meilleurs. En outre, si ce modèle est court (moins de 200 couches), l’augmentation de la résolution sur l’axe Z peut considérablement améliorer la qualité.

Une résolution plus élevée sur l’axe Z peut être très intéressante pour certaines conceptions, par exemple les formes organiques, les arcs arrondis, les petites pièces et les gravures complexes.

Modèle détaillé sur l'axe Z
Un modèle complexe de petite taille avec des arcs arrondis requiert une résolution sur l’axe Z plus élevée. Cette cathédrale a été imprimée sur la Form 2 à 25 microns.

Une résolution plus élevée sur l’axe Z peut être très intéressante pour certaines conceptions, par exemple les formes organiques, les arcs arrondis, les petites pièces et les gravures complexes. En règle générale, penchez du côté des couches épaisses et n’augmentez la résolution que si c’est vraiment nécessaire. Avec la bonne imprimante et un certain type de modèle, la résolution sur l’axe Z capturera les détails complexes de votre conception.

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