Che cosa significa risoluzione nella stampa 3D?

La "risoluzione" è un valore spesso discusso, ma raramente compreso, nel mondo della stampa 3D. In che modo le risoluzioni XY e Z influiscono sulla qualità delle tue stampe 3D? Che cosa sono le dimensioni minime dei dettagli e quale spessore dello strato scegliere?

In questa guida completa scoprirai come la risoluzione della stampante 3D influisce sulle parti realizzate e come cambia a seconda della tecnologia utilizzata: stereolitografia, modellazione a deposizione fusa ed elaborazione digitale della luce.

  1. Risoluzione e dimensioni minime dei dettagli a confronto
  2. La risoluzione XY
  3. La risoluzione Z

Risoluzione e dimensioni minime dei dettagli a confronto

Nel settore della tecnologia è in corso da decenni una guerra per la risoluzione migliore. I televisori hanno recentemente quadruplicato il numero di pixel da HD a 4K, e sono pronti a superarsi nuovamente per passare a 8K. Telefoni cellulari, tablet e tutto ciò che ha uno schermo avrà la sua risoluzione come protagonista sulla scheda tecnica, a condizione che sia qualcosa di cui vantarsi. Niente di nuovo però: questa guerra per la risoluzione migliore esiste fin dalla diffusione delle tecnologie digitali, e il settore della stampa è stato uno dei primi campi di battaglia.

Negli anni '80 e '90, Canon, Brother, HP, Epson e Lexmark (tra gli altri) si scontrarono per offrire velocità di stampa e risoluzione. Tutto era cominciato con 100x100 punti per pollice (DPI), per poi passare rapidamente a 300x300, 600x600 e infine all'attuale standard del settore di 1200x1200 DPI. All'epoca, il significato di questi valori era chiaramente comprensibile; anche le unità di misura avevano senso. Purtroppo le cose si complicano quando si aggiunge un'altra dimensione alla stampa.

Risoluzione e stampa 3D

Il livello di dettaglio di una stampa è influenzato dalla risoluzione in tutte e tre le dimensioni.

Il livello di dettaglio di una stampa è influenzato dalla risoluzione in tutte e tre le dimensioni.

Nella stampa 3D ci sono tre dimensioni da considerare: le due dimensioni planari 2D (X e Y) e la dimensione Z, che rende la stampa 3D. Siccome le dimensioni planari e Z di solito sono controllate tramite meccanismi molto diversi, le loro risoluzioni saranno differenti e dovranno essere trattate separatamente. Di conseguenza, c'è molta confusione sul significato del termine "risoluzione" nella stampa 3D e sul livello di qualità di stampa da aspettarsi.

Stampa in alta risoluzione

La stampante 3D SLA Form 2 ha un'alta risoluzione per l'asse Z e delle dimensioni minime dei dettagli ridotte sul piano XY, consentendo quindi di realizzare particolari precisi.

La stampante 3D SLA ha un'alta risoluzione per l'asse Z e delle dimensioni minime dei dettagli ridotte sul piano XY, consentendo quindi di realizzare particolari precisi.

Qual è la risoluzione di una stampante 3D? Non c'è una sola risposta. Poiché la stampa avviene in tre dimensioni, dovrai considerare almeno due numeri: le dimensioni minime dei dettagli del piano XY e la risoluzione dell'asse Z (spessore dello strato). La risoluzione dell'asse Z può essere determinata facilmente e quindi viene ampiamente indicata, anche se è meno legata alla qualità di stampa. La risoluzione XY è più importante (dimensioni minime dei dettagli) e viene misurata al microscopio, quindi non sempre è presente nelle schede tecniche. In pratica, significa che dovresti scegliere una stampante con buoni valori in entrambe le categorie, come la Form 2.


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Stereolitografia e modellazione a deposizione fusa a confronto

Da quando sono state rese disponibili le prime stampanti 3D desktop, molto è cambiato. Ora le stampanti 3D stereolitografiche (SLA), come la Form 2, sono in competizione con quelle a modellazione a deposizione fusa (ingl. "fused deposition modeling", FDM) nel settore desktop. Uno dei vantaggi principali delle stampanti SLA rispetto alle loro controparti FDM è la qualità di stampa: sono in grado di produrre parti molto più lisce e dettagliate. Anche se le stampanti SLA possono di solito raggiungere spessori degli strati decisamente inferiori, il motivo per cui la qualità di stampa è migliore risiede nella risoluzione XY molto più elevata.

Le stampanti SLA sono in grado di produrre parti molto più lisce e dettagliate.

A differenza delle stampanti FDM, le dimensioni minime dei dettagli nel piano XY sulle stampanti SLA non sono limitate dalle dinamiche del flusso di plastica fusa, ma piuttosto dall'ottica e dalla cinetica di polimerizzazione radicale. Anche se i calcoli matematici sono complicati (ed esulano dall'argomento di questo post), il risultato è che le caratteristiche delle stampe SLA possono essere all'incirca piccole quanto il diametro dei loro punti laser, che possono essere di dimensioni decisamente ridotte, soprattutto se paragonati agli ugelli di estrusione.

Laser ed elaborazione digitale della luce a confronto

All'interno della stereolitografia, ci sono due tipi principali di sistemi di imaging: stereolitografia basata su laser ed elaborazione digitale della luce (ingl. "digital light processing", DLP). A differenza delle stampanti DLP, che hanno una matrice fissa di pixel rispetto all'area di stampa, i dispositivi basati su laser possono concentrare il fascio laser su qualsiasi coordinata XY. Ciò significa che le macchine basate su laser, grazie a un'ottica di alta qualità, possono riprodurre con maggiore precisione la superficie di una parte, anche quando la dimensione del punto laser è maggiore rispetto a quella del pixel DLP. Non importa quale stampante sceglierai, l'importante è che sia in grado di realizzare i più piccoli dettagli delle tue creazioni, dai modelli per i test alle sollecitazioni ai busti realistici di personaggi famosi. La stampante 3D ad alta risoluzione giusta darà vita ai tuoi progetti.

La risoluzione XY

Nel mondo della stampa 3D, nessun fattore influenza la qualità di stampa tanto quanto la risoluzione XY. Spesso discussa ma raramente compresa, la risoluzione XY (detta anche risoluzione orizzontale) è il movimento minimo che il laser o l'estrusore di una stampante può compiere all'interno di un singolo strato. Più basso è il numero, maggiore sarà la precisione dei dettagli. Tuttavia, questo dato non sempre viene incluso nelle schede tecniche, mentre altre volte il valore pubblicato non è accurato. Per conoscere davvero la risoluzione XY di una stampante, è importante capire la scienza che sta dietro al numero.

In pratica, la risoluzione XY come influenza le tue stampe 3D? Per scoprirlo, abbiamo deciso di testare la stampante 3D SLA Form 2. La Form 2 ha un punto laser di 140 micron (FWHM), che dovrebbe consentirle di stampare dettagli precisi sul piano XY. L'abbiamo messa alla prova per vedere se questa risoluzione ideale corrisponde alla realtà.

Progettazione di un modello da testare

Per testare le dimensioni minime dei dettagli della Form 2 sul piano XY, abbiamo progettato un modello (a sinistra) con linee che vanno da 10 a 200 micron e l'abbiamo stampato in Clear Resin (a destra).

Per testare le dimensioni minime dei dettagli della Form 2 sul piano XY, abbiamo progettato un modello (a sinistra) con linee che vanno da 10 a 200 micron e l'abbiamo stampato in Clear Resin (a destra).

Innanzitutto, abbiamo progettato e stampato un modello per testare le dimensioni minime dei dettagli sul piano XY. Il modello è un blocco rettangolare con linee di larghezza variabile in orizzontale, verticale e diagonale, per assicurarci di testare tutte le direzioni. Le larghezze di linea variano da 10 a 200 micron in scatti di 10 micron e sono alte 200 micron, che equivalgono a due strati se stampate con risoluzione Z di 100 micron. Il modello è stato stampato in Clear Resin, lavato due volte in alcool isopropilico e sottoposto a polimerizzazione post-stampa per 30 minuti.

Analisi del modello

Il modello è stato fotografato e colorato di verde per migliorarne la visibilità. Sul lato destro della finestra, la linea verticale gialla con punti neri misura la larghezza di una linea fotografata.

Il modello è stato fotografato e colorato di verde per migliorarne la visibilità. Sul lato destro della finestra, la linea verticale gialla con punti neri misura la larghezza di una linea fotografata.

Dopo la polimerizzazione post-stampa abbiamo osservato il modello al microscopio e abbiamo scattato foto ad alta risoluzione per eseguirne l'analisi. Utilizzando ImageJ, il software gratuito di analisi delle immagini del National Institutes of Health, abbiamo prima adattato in scala i pixel delle immagini e poi misurato le larghezze effettive delle linee stampate. Abbiamo raccolto oltre 50 punti dati per la larghezza di ogni linea, in modo da eliminare gli errori di misurazione e la variabilità. In totale, abbiamo stampato e analizzato tre modelli su due diverse stampanti.

Analisi dei risultati

I risultati indicano che la Form 2 ha la stessa risoluzione XY ideale e reale per caratteristiche di 150 micron o più.

I risultati indicano che la Form 2 ha la stessa risoluzione XY ideale e reale per caratteristiche di 150 micron o più.

Poiché la larghezza della linea della stampa diminuisce da 200 a 150 micron, i valori ideali rientrano nell'intervallo di confidenza del 95% del valore misurato. A mano a mano che le larghezze di linea previste diventano inferiori ai 150 micron, l'intervallo misurato inizia a discostarsi significativamente dal valore ideale. Ciò significa che la stampante è in grado di produrre in modo affidabile caratteristiche XY fino a 150 micron, all'incirca le dimensioni di un capello umano.

Le dimensioni minime dei dettagli della Form 2 sul piano XY sono di circa 150 micron: solo 10 micron più grandi del suo laser da 140 micron.

In base alle nostre misurazioni, le dimensioni minime dei dettagli della Form 2 sul piano XY sono di circa 150 micron, ossia solo 10 micron più grandi del suo laser da 140 micron. Le dimensioni minime dei dettagli non possono mai essere inferiori a quelle del punto laser, e ci sono diversi fattori che influenzano questo valore: rifrazione laser, contaminanti microscopici, chimica delle resine e molto altro ancora. Prendendo in considerazione l'intero ecosistema della stampante, una differenza di 10 micron è nominale. Non tutte le risoluzioni pubblicate delle stampanti 3D sono vere, quindi vale la pena di fare molte ricerche prima di scegliere la macchina giusta per il tuo progetto.

Se il tuo lavoro richiede stampe con dettagli complessi, cerca una stampante con una risoluzione XY supportata da dati misurabili, non solo da un numero di riferimento.

La risoluzione Z

Nelle schede tecniche delle stampanti 3D ci sarà un valore che vedrai più spesso di ogni altro: la risoluzione Z. Nota anche come spessore dello strato, la risoluzione Z è stata la prima grande differenziazione numerica tra le stampanti 3D. Le prime macchine hanno faticato a rompere la barriera di 1 mm, ma ora gli spessori degli strati sulle stampanti FDM possono essere inferiori a 0,1 mm, mentre gli apparecchi SLA sono ancora più precisi.

Al momento, la stampante 3D SLA Form 2 supporta spessori degli strati di 100 e 50 micron in tutte le resine. Clear Resin, White Resin e Castable Resin permettono di ottenere risoluzioni Z fino a 25 micron. Questa selezione di spessori degli strati offre un equilibrio ideale tra velocità e risoluzione. La domanda principale, però, è la seguente: qual è lo spessore dello strato più adatto per la tua stampa?

Gli spessori degli strati sottili sono sempre i migliori?

L'alta risoluzione ha un prezzo. Strati più sottili vuol dire un numero maggiore di ripetizioni, che a sua volta significa tempi più lunghi: stampare a 25 micron rispetto a 100 di solito aumenta di quattro volte il tempo di stampa. Un numero maggiore di ripetizioni comporta anche più opportunità di errore. Ad esempio, anche con una percentuale di successo del 99,99% per strato, quadruplicare la risoluzione riduce le probabilità di successo della stampa dal 90% al 67%, se si suppone che uno strato non riuscito causi un fallimento totale della stampa.

Uno spessore inferiore dello strato equivale a più tempo, artefatti ed errori.

Gli strati più sottili portano a stampe migliori? Non sempre: dipende dal modello da stampare e dalla risoluzione XY della stampante. In generale, spessori inferiori dello strato equivalgono a più tempo, artefatti ed errori. In alcuni casi, la stampa di modelli a risoluzioni più basse (cioè con strati più spessi) può effettivamente portare a stampe di qualità superiore.

Quando gli strati sottili non sono utili

Gli strati sottili di solito sono associati a transizioni più fluide sulle diagonali, per cui molti utenti tendono a generalizzare e spingere la risoluzione Z fino ai suoi limiti. Ma cosa succede se il modello consiste principalmente di bordi verticali e orizzontali, con angoli di 90 gradi e poche diagonali? In questi casi, gli strati aggiuntivi non migliorano la qualità del modello.

Il problema si aggrava se la risoluzione XY della stampante in questione non è perfetta e "colora fuori dalle righe" durante la realizzazione dei bordi esterni. Un numero maggiore di strati comporta più increspature sulla superficie della parte. Anche se la risoluzione Z è superiore, il modello sembrerà di qualità decisamente inferiore in questo caso.

Quando scegliere una risoluzione Z più elevata

Detto questo, a volte conviene avere una risoluzione più elevata. Data una stampante con una buona risoluzione XY e un modello con caratteristiche intricate e molti bordi diagonali, ridurre lo spessore degli strati contribuirà a produrre un modello sicuramente migliore. Inoltre, se il modello è corto (200 strati o meno), aumentando la risoluzione dell'asse Z è davvero possibile migliorare la qualità di stampa.

Per alcuni design conviene avere una risoluzione Z più elevata: forme organiche, archi a tutto sesto, piccoli rilievi e incisioni complesse.

Un modello piccolo e complesso con archi a tutto sesto richiede una risoluzione Z più elevata. Questa cattedrale è stata stampata in 25 micron sulla Form 2.

Un modello piccolo e complesso con archi a tutto sesto richiede una risoluzione Z più elevata. Questa cattedrale è stata stampata in 25 micron sulla Form 2.

Per alcuni design conviene avere una risoluzione Z più elevata: forme organiche, archi a tutto sesto, piccoli rilievi e incisioni complesse. In linea generale, consigliamo di utilizzare strati più spessi e aumentare la risoluzione Z solo quando è davvero necessario. Con la stampante giusta e un certo tipo di modello, una risoluzione Z più elevata permetterà di realizzare i dettagli complessi del tuo progetto.

Scopri come funziona la stampa 3D SLA