Impression 3D SLA - Comment la taille des pixels affecte la précision, la taille des caractéristiques et la qualité de la surface

La résolution de l'impression 3D est un sujet souvent discuté mais mal compris. La diversité des technologies d'impression 3D et le nombre croissant de fabricants ont encore compliqué la situation. L'introduction des imprimantes 3D à stéréolithographie masquée (MSLA), qui utilisent un écran LCD pour masquer sélectivement la lumière afin de ne polymériser que les zones prévues de la résine liquide exposée, donne une nouvelle dimension au débat sur la résolution. Les imprimantes 3D MSLA sont de plus en plus populaires en raison de leur capacité à imprimer rapidement des pièces de haute qualité. 

La résolution des écrans LCD est généralement mesurée en fonction du nombre de pixels qu'ils comportent sur leur axe longitudinal : une mesure que le public connaît bien en raison de l'utilisation courante d'écrans numériques dans les téléphones, les téléviseurs et les tablettes. Dans ce cas, ce n'est pas seulement le nombre de pixels qui est mis en évidence, mais aussi la taille de chaque pixel. L'argument est le suivant : plus les pixels sont petits, plus la résolution est élevée.

Cependant, malgré l'importance accordée au nombre de pixels ou à la taille de chaque pixel, la plupart des utilisateurs de l'impression 3D s'intéressent aux résultats tangibles de l'impression 3D : finition de surface, précision des dimensions et taille minimale des caractéristiques. Bien que la taille des pixels soit l'un des éléments permettant d'obtenir ces résultats, ceux-ci dépendent de toute une série de facteurs tels que les propriétés des matériaux, les réglages optiques, la consistance mécanique, etc.

En imprimant et en analysant plusieurs pièces imprimées avec la Form 4 (MSLA de bureau, taille de pixel de 50 µm, écran 10" 4K), la Form 3+ (SLA laser avec une taille de faisceau de 85 µm), l'imprimante C (MSLA de bureau, taille de pixel de 28 µm, écran 9" 8K), et l'imprimante D (MSLA de bureau, taille de pixel de 19 x 24 µm, écran 9" 12K), nous démontrerons que l'indicateur courant de la résolution n'a aucun effet direct sur le résultat de l'impression.

Bien que la Form 4 ait une taille de pixel individuelle supérieure à celle de certains concurrents, les résultats des essais montrent qu'elle permet d'obtenir une finition de surface, une précision dimensionnelle et une taille minimale des caractéristiques comparables, voire supérieures, à celles des imprimantes 3D MSLA ayant des tailles de pixel plus petites. Trouver le bon équilibre a également permis à notre équipe d'optimiser la Form 4 pour d'autres paramètres auxquels les clients sont vraiment attachés : une vitesse plus rapide, une meilleure fiabilité et une durée de vie des composants nettement plus longue.

La conception de l'imprimante, y compris la taille des pixels, a un impact sur trois caractéristiques majeures des pièces imprimées. Ces caractéristiques (finition de surface, taille minimale des caractéristiques et précision dimensionnelle) sont mesurables et normalisées, mais comme elles sont influencées par une combinaison complexe de processus et de composants, il est difficile d'identifier leur véritable importance. Une taille de pixel légèrement supérieure n'a pas autant d'importance que la qualité, la cohérence et l'uniformité de la lumière qu'elle masque ou laisse passer.

Chacune de ces caractéristiques peut être influencée de manière significative par presque tous les aspects clés du système, de l'optique, des matériaux, du processus d'impression et de ses paramètres. Il n'est pas possible d'assimiler directement certains paramètres d'entrée à certains résultats, sauf comme valeur limite.  

Par exemple, la taille du pixel ou du faisceau laser représente une limite inférieure pour la taille des caractéristiques positives dans le plan horizontal (c'est-à-dire qu'il ne peut pas y avoir de caractéristique positive plus petite que la taille du pixel ou du faisceau). Toutefois, la taille minimale des caractéristiques finit généralement par être bien supérieure à cette limite (souvent beaucoup plus que 100 µm) en raison de multiples facteurs, tels que les forces de décollement. 

Les imprimantes 3D résine sont équipées d'un laser (SLA laser), d'un projecteur de lumière numérique (DLP) ou d'une unité de traitement de la lumière (le plus souvent un écran LCD) qui masque sélectivement une source de lumière telle qu'une rangée de LED (MSLA).

Les imprimantes 3D SLA utilisant un laser ont généralement des résolutions très élevées, parce que le laser peut être contrôlé avec précision dans le plan XY et possède un faisceau de petite taille. Cependant, ces attributs ne sont qu'un élément d'entrée : la taille minimale réelle des caractéristiques est toujours affectée par de multiples facteurs, et les mesures sont donc comparables à celles des imprimantes MSLA professionnelles qui n'utilisent pas de laser. De plus, les imprimantes SLA laser ont souvent des temps d'impression plus longs, car le laser doit parcourir chaque couche en entier.

Avec l'impression 3D DLP, la résolution XY est définie par la taille des pixels, la plus petite caractéristique que le projecteur peut reproduire dans une couche unique. Ceci dépend de la résolution du projecteur, la plus courante étant full HD (1080 p), et sa distance par rapport à la vitre optique. Il en résulte que la plupart des imprimantes 3D DLP de bureau ont une résolution XY fixe, généralement entre 35 et 100 microns.

La résolution des imprimantes 3D DLP diminue à mesure que le volume de production augmente, car il n'existe pas de projecteurs avec un nombre de pixels significativement plus élevé. Ainsi, les fabricants doivent augmenter la distance par rapport à la source lumineuse tout en conservant le même nombre de pixels, ce qui entraîne une diminution de la résolution et de la qualité d'impression.

La finition de surface, la taille des caractéristiques et la précision sont influencés par chaque élément de l'imprimante 3D et de son processus. Certains facteurs, comme la taille des pixels, peuvent définir des limites inférieures théoriques, mais qui ne se produisent pas dans des situations réalistes. Par exemple, une taille de pixel ou de faisceau laser de 80 microns pourrait théoriquement être le facteur limitant pour le durcissement d'une caractéristique positive unique (comme le diamètre d'une broche cylindrique), mais les forces de décollement exercées sur la pièce seraient trop importantes et entraîneraient une erreur d'impression. C'est pourquoi le diamètre minimum réel pour de telles broches est d'environ 500 microns.

Avec les imprimantes 3D MSLA qui utilisent des écrans LCD pour masquer la lumière, l'image réelle projetée sur la résine est généralement beaucoup plus grande et plus diffuse que le pixel d'origine. Cet effet est connu sous le nom de fonction d'étalement du point (PSF) : la façon dont une image originale ou idéalisée est brouillée par le processus de projection. Ainsi, pour les imprimantes MSLA, la taille du pixel importe moins que la distribution de la puissance et la forme de la lumière lorsqu'elle atteint la résine. 

En comparant la PSF de la Form 4 (avec de la lumière projetée à travers un écran LCD composé de pixels de 50 µm) à celle de la Form 3+ (avec de la lumière provenant d'un laser dont la taille du spot est de 80 µm), les images de la PSF montrent que la lumière de la Form 4 est concentrée et directe, l'énergie la plus élevée étant étroitement regroupée au milieu du pixel.

Malgré la facilité avec laquelle les fabricants vantent la taille des pixels comme étant la règle absolue en matière de résolution d'impression 3D, la vérité (et l'impact dans le monde réel) est plus complexe.

La résolution ne dépend pas uniquement de la taille et de la forme de la lumière lorsqu'elle traverse un écran LCD ou est émise par un laser ou un projecteur de lumière. Elle dépend également de la PSF de cette lumière, des procédés d'impression, de la consistance mécanique et des propriétés optiques de la résine. La résolution ne doit être considérée que comme un facteur parmi d'autres lorsqu'il s'agit de la qualité de surface, de la taille des caractéristiques et de la précision dimensionnelle pouvant être obtenues. Grâce à ces informations et à ce point de vue, les utilisateurs de l'impression 3D peuvent évaluer quelle est l'imprimante la mieux adaptée à leurs besoins spécifiques. 

Formlabs a soigneusement évalué les compromis entre la taille des pixels, la vitesse, la fiabilité et la durée de vie des composants lors de la création de la Light Processing Unit de la Form 4. La taille des pixels des écrans LCD n'ayant aucun impact tangible sur les trois principaux résultats de la résolution, une plus grande taille de pixel n'est pas un compromis : c'est un investissement dans la puissance et la vitesse.

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