고해상도 3D 프린터를 찾고 계시나요? 3D 프린팅과 적층 제조 분야에서는 “해상도”를 자주 이야기하지만 해상도를 이해하는 사람은 거의 없습니다. XY 해상도와 Z 해상도는 어떤 방식으로 3D 프린트물의 품질에 영향을 미치나요? 최소 선폭과 레이어 두께는 어떻게 선택해야 하나요?
본 종합 가이드에서는 3D 프린터 해상도가 3D 프린트물에 미치는 영향과 SLA, FDM, DLP 3D 프린터의 해상도가 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.
해상도 vs. 최소 피처 크기
기술 분야에서는 수십 년간 해상도 전쟁을 이어 왔습니다. 최근에는 텔레비전 픽셀 수가 HD에서 4K로 4배 늘어났고 곧 다시 8K로 늘어날 태세를 갖추고 있습니다. 해상도를 자랑할 만한 제품이라면 휴대 전화와 태블릿뿐만 아니라 화면이 있는 제품이라면 어떤 것이라도 해상도를 사양 시트의 상단에 표기할 것입니다. 그렇지만 해상도는 새로운 개념이 아닙니다. 해상도 전쟁은 디지털 기술이 대중화되면서부터 벌어졌고 프린팅 업계는 그 첫 번째 전쟁터에 속합니다.
80~90년대를 기억하는 사람이라면 Canon, Brother, HP, Epson, Lexmark(외 다수)가 프린트 속도와 해상도 전쟁을 치렀던 모습을 기억하고 있을 것입니다. 시작할 때는 인치당 100x100 도트(DPI)였던 해상도는 300x300으로 급격하게 치솟았고, 다음에는 600x600으로, 그리고 마지막으로 현재 업계 표준은1200x1200 DPI입니다. 당시에는 이 숫자들의 의미를 명확하게 이해할 수 있었고 심지어 단위도 이해하기 쉬웠습니다. 안타깝지만 프린팅에 차원 하나를 추가하자 모든 것이 더 복잡해졌습니다.
3D 프린팅의 해상도
프린터의 디테일 수준에는 3D 프린터의 3차원 해상도 모두가 영향을 끼칩니다.
3D 프린팅과 적층 제조 분야에서는 3차원을 고민해야 합니다. 2개의 2D 평면 차원(X와 Y)와 3D 프린팅을 만드는 Z 차원입니다. 평면 및 Z 치수를 제어하는 메커니즘은 일반적으로 매우 다르므로 이들의 해상도 서로 다르며 별도로 처리해야 합니다. 그 결과 '3D 프린팅 해상도'라는 용어의 의미와 예상되는 프린팅 품질 수준에 대해 많은 혼란이 생겼습니다.
고해상도 3D 프린팅 - 다양한 3D 프린팅 프로세스 비교
Formlabs의 고해상도 SLA 3D 프린터는 Z축 해상도가 높고 XY 평면의 최소 선폭이 작아 미세한 디테일을 표현할 수 있습니다.
3D 프린터를 고해상도로 구현하는 데 필요한 요소는 무엇인가요? 문제는 그렇게 단순하지 않습니다. 3D 프린터는 파트를 3차원으로 생산하므로 XY 평면의 최소 선폭과 Z축 해상도(레이어 두께 또는 레이어 높이), 최소한 이 두 개의 수치를 고려해야 합니다. Z축 해상도는 프린팅 품질 및 표면 마감과 관련이 적음에도 불구하고 단지 쉽게 확인할 수 있다는 이유로 널리 알려져 있습니다. Z축 해상도보다 더 중요한 XY 해상도(최소 선폭)는 현미경 이미징을 통해 측정되므로 언제나 사양 시트에 표기되는 것이 아닙니다.
실질적으로는 두 범주(3차원 모두)에서 모두 우수한 성능을 발휘하는 3D 프린터를 선택해야 함을 의미합니다.
광경화성 수지 조형 방식(SLA) 데스크톱 3D 프린팅 소개
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SLA vs. FDM 3D 프린팅
최초의 데스크톱 3D 프린터가 대중에 보급된 이후 많은 것이 변했습니다. 이제 Form 3+같은 광경화수지조형방식(SLA) 3D 프린터가 데스크톱 위의 놓여져 용융적층모델링방식(FDM) 3D 프린터와 경쟁하고 있습니다. 레진 기반 SLA 3D 프린터가 그 사촌격인 플라스틱 용융 기반 프린터보다 우수한 점에는 프린트물의 품질이 한몫합니다. SLA 3D 프린터에서 제작한 프린트물이 훨씬 더 매끄럽고 디테일이 뛰어난 것입니다. SLA 프린터를 사용하면 일반적으로 레이어 두께가 엄청나게 얇은 프린트물을 얻을 수 있지만 프린트물의 품질이 우수한 이유는 XY 해상도가 훨씬 더 높은 데 있습니다.
SLA 3D 프린터(오른쪽)는 해상도가 더 높고 FDM 3D 프린터(왼쪽)보다 훨씬 더 매끄럽고 섬세한 프린트물을 얻을 수 있습니다.
FDM 3D 프린터와 달리 SLA 3D 프린터의 XY 평면에서 최소 선폭에 제작이 생기는 이유는 용융된 플라스틱 유체 역학이 아니라 광학 및 라디칼 중합 동역학 때문입니다. 계산은 복잡하지만(이 게시물의 범위를 벗어남) SLA 프린팅의 피처는 레이저 스폿의 직경만큼 작을 수 있습니다. 특히 FDM 프린터 압출기의 노즐 크기와 비교할 때 레이저 반점은 정말 작을 수 있습니다.
FDM vs. SLA 3D 프린터를 소개하는 상세 가이드를 읽고 프린팅 품질, 재료, 응용 방식, 워크플로, 속도, 비용 등의 측면에서 두 방식이 어떤 장단점을 갖는지 알아보세요.
레이저 SLA 프린터 vs. DLP 3D 프린터
SLA, LFS 및 DLP 기술같은 레진 3D 프린터를 이용하면 데스크톱에서 사용할 수 있는 모든 3D 프린팅 프로세스 중 최고의 해상도를 얻을 수 있습니다. 이러한 프로세스는 기본 단위의 형태가 다르기 때문에 수치 사양만으로 각기 다른 장비를 비교하기가 어렵습니다.
DLP 3D 프린터에는 빌드 영역에 상대적인 고정 픽셀 매트릭스가 있는 반면, 레이저 기반 SLA 프린터와 LFS 3D 프린터는 모든 XY 좌표에 레이저 빔의 초점을 맞출 수 있습니다. 즉, 고품질 광학 장치가 있는 레이저 기반 프린터는 레이저 스폿 크기가 DLP 픽셀 크기보다 크더라도 파트의 표면을 더 정확하게 표현할 수 있습니다.
어떤 레진 3D 프린팅 프로세스를 사용하더라도 전문 레진 3D 프린터라면 사실적인 모형에서 정교한 주얼리에 이르기까지 제작물의 가장 미세한 부분까지 재현해낼 수 있어야 합니다.
SLA 3D 프린팅과 LFS 3D 프린팅(외쪽)에서는 레이어 라인이 거의 보이지 않습니다. 결과적으로 표면 거칠기가 감소하여 표면 마감이 아주 매끄러워지고 투명한 소재를 사용하면 투과성이 더 좋은 파트를 얻을 수 있습니다. DLP 3D 프린터는 이미지를 사각 복셀로 렌더링하므로 수직으로 생기는 복셀 라인(오른쪽)의 영향도 받습니다.
SLA 3D 프린터와 DLP 3D 프린터
의 차이점을 자세히 알아보고 해상도, 정확도, 정밀도, 빌드 볼륨, 표면 마감, 속도, 작업 흐름 측면에서 두 프린터를 비교해 보세요.XY 해상도의 이해
3D 프린팅 세계에서 프린팅 품질에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 XY 해상도입니다. XY 해상도(수평 해상도라고도 부름)를 언급하는 사례는 많지만 XY 해상도의 정의는 3D 프린팅 기술에 따라 다릅니다.
- SLA 3D 프린터와 LFS 3D 프린터: 레이저 스팟 크기와 레이어 빔을 제어할 수 있는 증분의 조합
- DLP 3D 프린터: 픽셀 크기, 즉 프로젝터가 단일 레이어 안에서 재현할 수 있는 가장 작은 선폭
- FDM 3D 프린터: 압출기가 단일 레이어 안에서 만들 수 있는 가장 작은 움직임
일반적으로 숫자가 낮을수록 디테일 표현이 더 우수합니다. 그러나 이 수치가 사양 시트에 항상 포함되는 것은 아니며 포함된 경우 게시된 값이 항상 정확한 것도 아닙니다. 프린터의 XY 해상도를 진정으로 알기 위해서는 숫자 뒤에 숨은 과학을 이해하는 것이 중요합니다.
실제적으로 XY 해상도는 3D 프린트에 어떤 영향을 미치나요? 이를 알아보기 위해 Form 2 SLA 3D 프린터를 테스트해 보기로 했습니다. Form 2의 레이저 스폿 크기는 140μm(FWHM)이므로 XY 평면에 미세한 디테일을 프린팅할 수 있습니다. 우리는 이 이상적인 해상도가 사실인지 확인하기 위해 테스트했습니다.
3D 프린터 해상도 테스트용 모델 설계
XY 평면에서 Form 2의 최소 피처 크기를 테스트하기 위해 10~200μm 범위의 선으로 모델(왼쪽)을 설계하고 Clear Resin(오른쪽)으로 프린팅했습니다.
먼저 XY 평면에서 최소 피처 크기를 테스트하기 위해 모델을 설계하고 프린팅했습니다. 이 모델은 방향 편향을 피하기 위해 가로, 세로 및 대각선 방향으로 다양한 너비의 선을 구현한 직사각형 블록입니다. 선 폭은 10μm 단계에서 10에서 200μm 범위이며 높이는 200μm이며 100μm Z 해상도로 프린팅하면 두 겹의 레이어에 해당합니다. 이 모형은 Clear Resin으로 프린팅되었고 IPA 수조에서 두 번 세척되었으며 30분 동안 후경화했습니다.
모델 분석
가시성을 향상시키기 위해 모델을 촬영하고 녹색으로 착색했습니다. 창 오른쪽에 검정색 점이 있는 세로 노란색 선으로 촬영된 선의 너비를 측정합니다.
후경화 후 모델을 현미경 아래에 놓고 분석을 위해 고해상도 사진을 찍었습니다 NIH의 무료 이미지 분석 소프트웨어인 ImageJ를 사용하여 먼저 이미지의 픽셀 크기를 조정한 다음 프린팅된 선의 실제 너비를 측정했습니다. 측정 오류와 가변성을 제거하기 위해 선 너비당 50개 이상의 데이터 포인트를 수집했습니다. 전체적으로 두 대의 프린터에서 세 가지 모델을 프린팅하고 분석했습니다.
결과 해석
결과에 따르면 Form 2는 150μm 이상의 피처를 구현할 때 적합하고 실제 XY 해상도도 동일합니다.
프린트물의 선폭이 200에서 150μm으로 감소함에 따라 이상적인 값은 측정된 값의 95% 신뢰 구간 안에 있습니다. 의도한 선 너비가 150μm보다 작아지면 측정된 간격이 이상에서 크게 벗어나기 시작합니다. 이는 프린터가 사람 머리카락 크기 정도인 150μm만큼 작은 XY 형상을 안정적으로 생성할 수 있음을 의미합니다.
XY 평면에서 Form 2의 최소 기능 크기는 약 150μm으로 140μm 레이저보다 10μm 더 큽니다. 최소 기능 크기는 레이저 스폿 크기보다 작을 수 없습니다. 그리고 이 값에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다. 레이저 굴절, 미세 오염물, 수지 화학 등의 영향을 받습니다. 프린터의 전체 에코시스템을 고려할 때 10μm의 차이는 명목상의 차이입니다. 모든 3D 프린터의 설명에 게시된 해상도가 현실적인 것은 아니므로 프로젝트에 적합한 것을 선택하기 전에 조사를 많이 하는 편이 좋습니다.
복잡한 세부 사항이 포함된 프린팅물이 필요한 경우 단순한 숫자가 아닌 측정 가능한 데이터로 뒷받침되는 XY 해상도의 프린터를 찾으십시오.
Z 해상도의 이해
3D 프린터 사양 시트를 읽을 때 다른 어떤 값보다 z해상도가 더 많이 표시되는 모습을 볼 수 있습니다. 레이어 두께 또는 레이어 높이라고도 하는 수직 해상도는 초기 3D 프린터 간의 첫 번째 주요 수치 차별화 요소였습니다. 초기 장비는 1mm의 장벽을 깨는 데 어려움을 겪었지만 이제 FDM 3D 프린터의 층 두께는 0.1mm 미만으로 얇아지고 LFS 및 SLA 3D 프린터는 훨씬 더 정확합니다.
Formlabs 3D 프린터 support 재료에 따라 25~300μm의 층 두께를 지원합니다. 이러한 레이어 높이를 선택하면 속도와 해상도 사이에서 이상적인 균형을 얻을 수 있습니다. 주요 질문은 프린트물에 가장 적합한 레이어 두께는 무엇인가 입니다.
레이어 두께가 작을수록 항상 더 좋은가요?
고해상도 3D 프린팅에는 장단점이 있습니다. 얇은 레이어는 더 많이 반복해야 함을 의미하며, 이는 다시 시간이 더 오래 걸린다는 의미입니다. 25μm에서 프린팅하는 것과 100에서 프린팅하는 것은 일반적으로 프린팅 시간이 4배 차이납니다. 또한, 반복은 많이 할 수록 무언가 잘못될 가능성이 더 많다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 실패한 레이어로 인해 전체 프린팅 실패가 발생한다고 가정할 경우 레이어당 99.99%의 성공률에서도 해상도를 4배로 높이면 프린팅 성공 가능성이 90%에서 67%로 낮아집니다.
레이어 두께가 낮을수록 시간, 결함 및 오류가 더 많이 발생합니다.
해상도가 높을수록(레이어가 얇을수록) 더 나은 프린트물이 나오나요? 항상 그런 것은 아닙니다. 프린팅할 모델과 3D 프린터의 XY 해상도에 따라 다릅니다. 일반적으로 레이어가 얇을수록 더 많은 시간, 결함 및 오류가 발생합니다. 경우에 따라 더 낮은 해상도(즉, 더 두꺼운 층)로 모델을 조형하면 실제로 더 높은 품질의 조형물이 나올 수 있습니다.
더 얇은 층이 도움이 되지 않는 경우
얇은 레이어는 일반적으로 대각선에서 더 부드러운 전환과 연관되어 많은 사용자가 Z 해상도를 일반화하고 한계까지 밀어붙입니다. 그러나 모델이 90도 각도와 대각선이 거의 없는 수직 및 수평 가장자리로 대부분 구성되어 있다면 어떻게 될까요? 그러나 모델이 90도 각도와 대각선이 거의 없는 수직 및 수평 가장자리로 대부분 구성되어 있다면 어떻게 될까요?
해당 프린터의 XY 해상도가 완벽하지 않고 외부 가장자리를 그릴 때 "선 외부에 색상"이 있으면 문제가 복잡해집니다. 레이어가 많을수록 표면에 일치하지 않는 능선이 더 많이 나타납니다. Z 해상도는 더 높지만 이 경우 모델의 품질이 상당히 낮아 보입니다.
Z 해상도가 더 높은 것은 선택해야 하는 경우
즉, 더 높은 해상도를 원할 때가 있습니다. XY 해상도가 좋은 프린터와 복잡한 기능과 대각선 가장자리가 많은 모델이 있는 경우 레이어의 두께를 줄이면 훨씬 더 나은 모델이 생성됩니다. 또한 해당 모델이 짧은 경우(200개 이하의 레이어) Z축 해상도를 높이면 품질이 실제로 향상될 수 있습니다.
Z 해상도가 높을수록 유기적 형태, 둥근 아치 , 작은 엠보싱 및 복잡한 조각 같은 특정 디자인을 잘 표현할 수 있습니다.
정교한 디테일이 있는 복잡한 모델을 프린팅하려면 Z 해상도가 더 커야 합니다. SLA 3D 프린팅 파트는 날카로운 모서리와 매끈한 표면, 눈에 보이는 레이어 라인은 최소한으로 보입니다. 예시로 든 이 파트는 Formlabs Form 3 데스크톱 SLA 3D 프린터로 프린트했습니다.
일반적인 지침으로 레이어가 두꺼우면 오류가 생기므로 정말 필요할 때만 Z 해상도를 높이세요. 올바른 프린터와 특정 유형의 모델을 사용하면 Z 해상도가 높을수록 디자인의 복잡한 세부 사항을 재현할 수 있습니다.
Formlabs SLA 프린터에서 가장 빠르게 프린팅할 수 있는 3D 프린팅 레진인 Draft Resin은 매끄러운 표면 마감을 유지하면서 200μm 및 100μm으로 프린팅합니다.
Formlabs은 PreForm 사용자가 다양한 레이어 두께를 선택할 수 있는 기능을 제공합니다. 응용 분야의 재료 및 요구 사항에 따라 파트를 200, 160, 100, 50, and 25 μm 높이로 프린팅할 수 있습니다.
고해상도 3D 프린팅 시작하기
데스크톱 Form 3+및 대형 Form 3L SLA 프린터는 고해상도 3D 프린트물을 제작할 때 가장 적절한 장비입니다.
