Что такое «разрешение» в 3D-печати?

Ищете 3D-принтер с высоким разрешением? «Разрешение» — это понятие из области 3D-печати и аддитивного производства, о котором часто говорят, редко при этом понимая его значение. Как разрешение XY и Z влияет на качество моделей, изготовленных на 3D-принтере? Какой минимальный размер элементов и какую толщину слоя следует выбрать?

В этом подробном руководстве рассказывается, как разрешающая способность 3D-принтера влияет на печать моделей и как она отличается у принтеров на основе технологий SLA, FDM и DLP.

Вот уже несколько десятилетий производители техники стремятся к большему, чем у конкурентов, разрешению. Телевизоры недавно увеличили количество пикселей вчетверо — с HD до 4K, но производители уже задумываются о том, чтобы повысить разрешение до 8K. Мобильные телефоны, планшеты и другие устройства с экранами демонстрируют разрешение в качестве одной из главных характеристик, если, конечно, им есть, чем похвастаться. Но в этом нет ничего нового. Войны за увеличение разрешения ведутся с тех времен, когда цифровые технологии стали популярными, а печатная промышленность стала одним из первых полей битвы.

Если вы жили в 80-е и 90-е годы, то помните, как компании Canon, Brother, HP, Epson и Lexmark (среди прочих) стремились повысить скорость печати и разрешение. 100 x 100 точек на дюйм быстро выросли до 300 x 300, затем до 600 x 600. И наконец, сейчас стандартная разрешающая способность составляет 1200 x 1200 точек на дюйм. Тогда эти значения были предельно понятны, а использование единиц измерения было вполне логичным. К сожалению, все становится гораздо сложнее, если добавить к печати еще одно измерение.

Уровень детализации модели зависит от разрешающей способности 3D-принтера во всех трех измерениях.

В 3D-печати и аддитивном производстве нужно учитывать три измерения: два плоскостных двумерных измерения (X и Y) и третье измерение Z, с помощью которого и осуществляется трехмерная печать. Так как плоскостные измерения и измерение Z, как правило, контролируются совершенно разными механизмами, их разрешающие способности будут отличаться. Поэтому их необходимо рассматривать отдельно. В результате возникает много путаницы по поводу трактовки термина «разрешающая способность 3D-печати» и ложных ожиданий от качества печати.

Стереолитографические 3D-принтеры Formlabs с высокой разрешающей способностью отличаются высоким разрешением оси Z и низким минимальным размером элементов на плоскости XY, что позволяет им передавать мелкие детали.

Что влияет на высокое разрешение 3D-принтера? Нельзя назвать какой-то один обособленный фактор. Так как 3D-принтеры изготавливают модели в 3 измерениях, нужно учитывать по крайне мере два фактора: минимальный размер элементов плоскости XY и разрешающую способность оси Z (толщину или высоту слоя). Разрешающая способность оси Z определяется легко, поэтому ее указывают чаще, хотя она в меньшей степени связана с качеством печати и поверхности. Более важная разрешающая способность XY (минимальный размер элемента) измеряется с помощью микроскопа и поэтому не всегда встречается в технических характеристиках.

На практике это означает, что 3D-принтер должен отличаться высокими характеристиками в обеих категориях (во всех 3 измерениях).

С тех пор как в продаже появились первые настольные 3D-принтеры, многое изменилось. Сейчас стереолитографические (SLA) 3D-принтеры, такие как Form 3, напрямую конкурируют за место на рабочем столе с 3D-принтерами на основе технологии моделирования методом наплавления (FDM). Одно из основных преимуществ стереолитографических 3D-принтеров, использующих в качестве расходных материалов полимеры, по сравнению с их сородичами, которые расплавляют пластик, — это качество печати: SLA-принтеры позволяют получить модели с более гладкой поверхностью и более высокой степенью детализации. Хотя стереолитографические принтеры, как правило, позволяют добиться значительно меньшей толщины слоя, причина улучшения качества печати заключается в гораздо более высокой разрешающей способности XY.

В отличие от 3D-принтеров на основе технологии FDM, минимальный размер элементов в плоскости XY в стереолитографических 3D-принтерах не ограничивается динамикой потока расплавленного пластика, а в большей степени определяется оптикой и кинетикой радикальной полимеризации. Хотя расчеты сложны (и выходят за рамки этой статьи), можно сказать, что детали на моделях, изготовленных на стереолитографических принтерах, имеют примерно такой же размер, как и диаметр соответствующих лазерных пятен. А лазерные пятна могут быть очень маленькими, особенно по сравнению с соплами на FDM-принтерах.

Ознакомьтесь с нашим подробным руководством, где сравниваются 3D-принтеры на основе технологий FDM и SLA, чтобы узнать их различия с точки зрения качества печати, материалов, применения, рабочего процесса, скорости, затрат и т. д.

Технологии 3D-печати на основе полимеров, такие как SLA, LFS и DLP, обеспечивают максимальную разрешающую способность всех процессов 3D-печати, доступных для настольных принтеров. Основные единицы измерения процессов SLA и DLP — различные формы, что затрудняет сравнение принтеров только по числовым характеристикам.

3D-принтеры на основе технологии DLP имеют неподвижную относительно рабочей области матрицу пикселей, а SLA- и LFS- принтеры, в которых используется лазер, могут фокусировать лазерный пучок на любой координате плоскости XY. Это означает, что лазерные 3D-принтеры с высоким качеством оптики могут точнее воспроизвести поверхность модели, даже если размер лазерного пятна больше, чем размер пикселя в DLP-принтере.

Какую бы технологию 3D-печати из полимеров вы ни выбрали, профессиональные 3D-принтеры должны передавать мельчайшие детали ваших творений, от фотореалистичных моделей до изысканных ювелирных украшений.

При печати на 3D-принтерах на основе технологий SLA и LFS (слева) линии слоев практически не видны. В результате шероховатость поверхности уменьшается, что позволяет получить гладкую поверхность, а при использовании прозрачных материалов — модели с большей прозрачностью. В DLP-принтерах для визуализации изображений применяются прямоугольные воксели, что может привести к появлению вертикальных линий (справа).

Узнайте больше о различиях в технологиях SLA и DLP в плане разрешающей способности, точности, четкости, объема печати, качества поверхности, скорости и принципов работы.

В мире 3D-печати никакой другой фактор не влияет на качество моделей больше, чем разрешающая способность XY. Ее часто упоминают, но редко понимают. Определение разрешающей способности XY (или горизонтального разрешения) различается в зависимости от технологии 3D-печати:

• стереолитографические 3D-принтеры - сочетание размера лазерного пятна и величины шагов, с помощью которых можно управлять лучом;
• DLP-принтеры - размер пикселя, наименьшей детали, которую проектор может воспроизвести в одном слое;
• FDM-принтеры - наименьшее расстояние, на которое может переместиться экструдер в пределах одного слоя.

Как правило, чем ниже это значение, тем выше детализация. Но это число не всегда указывается в технических характеристиках, а даже если указывается, то не всегда правильно. Чтобы получить представление об истинной разрешающей способности XY, важно понимать принцип работы принтера.

Как разрешающая способность XY влияет на качество ваших моделей? Чтобы узнать это, мы решили протестировать стереолитографический 3D-принтер Form 2.  Размер лазерного пятна в принтере Form 2 составляет 140 мкм (ПШПВ), что должно позволять ему воспроизводить мелкие детали на плоскости XY. Мы решили проверить, соответствует ли эта идеальная разрешающая способность истине.

Для проверки минимального размера элемента на плоскости XY для принтера Form 2 мы разработали модель (слева) с линиями толщиной от 10 до 200 мкм и распечатали ее, используя полимер Clear Resin (справа).

Сначала мы разработали и распечатали модель, чтобы проверить минимальный размер элемента на плоскости XY. Модель представляет собой прямоугольный блок с линиями различной ширины в горизонтальном, вертикальном и диагональном направлениях, которые нанесены для предотвращения смещения. Толщина линий составляет от 10 до 200 мкм, линии нанесены через 10 мкм и имеют высоту 200 мкм, что соответствует двум слоям при печати с разрешением 100 мкм для оси Z. Изготовленную из полимера Clear Resin модель дважды промыли в изопропиловом спирте и подвергли финальной полимеризации в течение 30 минут.

Модель сфотографировали и окрасили в зеленый цвет для улучшения восприятия. Вертикальная желтая линия с черными точками в правой стороне окна предназначена для измерения ширины сфотографированной линии.

После финальной полимеризации мы поместили модель под микроскоп и сделали фотографию в высоком разрешении для дальнейшего анализа. С помощью ImageJ, бесплатной программы для анализа изображений от Национальных институтов здравоохранения США (NIH) мы масштабировали пиксели изображений и измерили фактическую ширину напечатанных линий. Мы собрали более 50 точек данных на ширину линии, чтобы исключить ошибки измерения и вариабельность. Мы проанализировали три модели, изготовленные на двух принтерах.

Результаты показывают, что Form 2 имеет такую же идеальную и фактическую разрешающую способность XY для элементов моделей размером от 150 мкм.

По мере того как ширина линии уменьшается с 200 до 150 мкм, идеальные значения находятся в пределах 95 % доверительного интервала измеряемого значения. По мере того как предполагаемая ширина линии становится меньше 150 мкм, измеряемый интервал начинает значительно отклоняться от идеального. Это означает, что принтер может надежно воспроизводить на плоскости XY элементы размером до 150 мкм, толщиной в человеческий волос.

Минимальный размер элементов на плоскости XY у принтера Form 2 составляет около 150 мкм — всего на 10 мкм больше, чем размер пятна установленного в нем лазера (140 мкм). Минимальный размер элемента не может быть меньше, чем размер лазерного пятна. Существует множество факторов, влияющих на это значение: преломление лазера, микроскопические загрязнения, химические свойства полимера и т. д. Учитывая всю экосистему принтера, разница в 10 мкм является номинальной. Не у всех 3D-принтеров указанная разрешающая способность соответствует фактической, поэтому прежде чем выбрать подходящую для вашего проекта разрешающую способность, рекомендуется провести множество исследований.

Если вам нужны модели с мелкими деталями, ищите принтер, для которого разрешающая способность XY не просто приводится как число, а подкрепляется данными измерений.

Знакомясь с техническими характеристиками 3D-принтеров, вы обнаружите, что один параметр встречается чаще, чем какие-либо другие. Это разрешающая способность оси Z. Также известная как толщина или высота слоя, вертикальная разрешающая способность была первым основным числовым параметром, по которому различались ранние 3D-принтеры. Первые подобные устройства с трудом преодолевали барьер в 1 мм, но теперь толщина слоев в 3D-принтерах на основе технологии FDM может быть меньше 0,1 мм, а в LFS- и SLA-принтерах — еще меньше.

3D-принтеры Formlabs поддерживают толщину слоя от 25 до 300 мкм, в зависимости от материала. Такой диапазон значений позволяет найти идеальный баланс между скоростью и качеством печати. Но главный вопрос заключается в том, какая толщина слоя будет идеальной для вашей модели.

Высокая разрешающая способность 3D-печати влияет на другие параметры. Чем тоньше слой, тем больше слоев нужно напечатать, в результате чего увеличивается время изготовления модели: как правило, печать с разрешающей способностью в 25 мкм выполняется в четыре раза дольше, чем с разрешением в 100 мкм. Кроме того, чем больше слоев, тем выше вероятность возникновения ошибок. Например, даже при коэффициенте успешной печати слоев в 99,99 % четырехкратное увеличение разрешающей способности снижает шансы на успешную печать модели с 90 % до 67 %, при условии, что слой с ошибкой приводит к браку.

Чем меньше толщина слоя, тем дольше выполняется печать и тем выше вероятность возникновения ошибок и искажений.

Правда ли, что чем выше разрешающая способность (чем тоньше слои), тем выше качество готовых моделей? Не всегда. Это зависит от модели и разрешающей способности XY 3D-принтера. Как правило, чем меньше толщина слоя, тем дольше выполняется печать и тем выше вероятность возникновения искажений и ошибок. В некоторых случаях печать моделей с более низким разрешением (т. е. с более толстыми слоями) может даже привести к повышению качества.

Более тонкие слои обычно ассоциируются с более плавными переходами по диагоналям, из-за чего многие пользователи доводят разрешающую споосбность Z до предела. Но что если модель состоит в основном из вертикальных и горизонтальных граней, с прямыми углами и небольшим количеством диагональных поверхностей? В таких случаях увеличение количества слоев не приведет к повышению качества печати.

Проблема усугубляется, если разрешающая способность XY данного принтера не идеальна и он «выходит за рамки» при формировании внешних граней. Чем больше слоев, тем больше несоответствующих выступов будет на поверхности. В этом случае готовая модель будет выглядеть гораздо хуже, даже если разрешающая способность Z будет выше.

Бывают случаи, когда нужно увеличить разрешающую способность. При наличии принтера с хорошей разрешающей способностью XY и модели со сложными элементами и множеством диагональных граней уменьшение толщины слоев позволит получить физическую модель значительно лучшего качества. Кроме того, если эта модель маленькая (не более 200 слоев), то увеличение разрешающей способности оси Z приведет к реальному улучшению качества.

Некоторые дизайнерские решения выигрывают от более высокой разрешающей способности Z: органические формы, закругленные арки, мелкое тиснение и замысловатая гравировка.

Для крошечной модели с большим количеством деталей и арочными элементами нужна более высокая разрешающая способность Z. Этот собор был напечатан на принтере Form 2 с разрешением в 25 мкм.

Старайтесь придерживаться такого общего правила: печатайте более толстые слои и повышайте разрешающую способность Z только тогда, когда это действительно необходимо. При правильном сочетании принтера и типа модели более высокая разрешающая способность Z позволит запечатлеть замысловатые детали вашей конструкции.

Программное обеспечение PreForm компании Formlabs позволяет выбирать толщину слоя. Начиная с версии PreForm 3.0.3, из полимера Grey Resin можно печатать модели с высотой слоя 160, 100, 50 и 25 мкм. Печать с разрешением 160 мкм ускорит процесс итерации и позволит инженерам переходить от проекта к готовой модели еще быстрее. А стоматологи могут изготавливать больше элайнеров за день без ущерба качеству. 

Надеемся, что после того, как вы познакомились с понятием разрешающей способности и разобрались с различиями в технологиях и результатах 3D-печати, вам будет гораздо проще выбрать 3D-принтер, оптимально соответствующий вашим потребностям и рабочему процессу.

Чтобы узнать больше о стереолитографических 3D-принтерах нового поколения, ознакомьтесь с информацией об устройствах Form 3 и Form 3L на основе технологии LFS. 

Хотите собственными глазами увидеть, как выглядят модели, напечатанные с высокой разрешающей способностью? Закажите образец печати, который доставят прямо в ваш офис.