Що таке «роздільна здатність» в 3D-друці?

Обираємо 3D-принтер за його роздільною здатністю

Роздільна здатність у 3D-друці — що означає цей термін? Як роздільна здатність 3Д-принтера впливає на друк моделей і чим вона відрізняється у принтерів на основі технологій SLA, FDM та DLP? Як роздільна здатність по осях XY та Z впливає на якість моделей, виготовлених на 3D-принтері? Який мінімальний розмір елементів та яку товщину шару слід обрати?

Роздільна здатність у 3D-друці та мінімальний розмір елементів

Поняття «роздільна здатність» фігурує в конкурентній гонці виробників техніки вже кілька десятиліть. Для пристроїв із дисплеями, наприклад телевізорів, мобільних телефонів або планшетів, це одна з головних характеристик. Коли йдеться про цей параметр у поліграфії, то роздільна здатність 1200 на 1200 точок на дюйм у двох вимірах X та Y — досить зрозуміла для користувача і не потребує пояснень. Якщо ж додати до друку ще один вимір Z, то тут виникають нюанси, які ми розглянемо в цій статті.

Роздільна здатність 3D-друку

У 3D-друці та адитивному виробництві потрібно враховувати три виміри: два площинні двовимірні (X та Y) і третій вимір Z, за допомогою якого і здійснюється тривимірний друк. Оскільки точність друку по осях площини XY і по третій осі Z, як правило, контролюється різними механізмами, їхні роздільні здатності можуть відрізнятися. Тому їх потрібно розглядати окремо. У результаті інтерпретація терміна «роздільна здатність у 3D-друці» може призводити до різночитань та необґрунтованих очікувань від якості друку.

Роздільна здатність у 3D-друці: порівняння різних технологій 3D-друку

Стереолітографічні 3Д-принтери Formlabs із високою роздільною здатністю відрізняються високою роздільною здатністю осі Z і низьким мінімальним розміром елементів на площині XY, що дозволяє їм відтворювати найдрібніші деталі.

З факторів, що впливають на роздільну здатність 3Д-принтера, складно виділити якийсь один. Оскільки 3Д-принтери створюють деталі у трьох вимірах, доводиться брати до уваги мінімум два фактори: мінімальний розмір елементів площини XY та роздільну здатність осі Z (товщину або висоту шару). Завдяки тому, що роздільну здатність осі Z легко визначити, виробники частіше її вказують, незважаючи на те, що вона менше пов'язана з якістю друку та поверхні. Більш важлива роздільна здатність XY (мінімальний розмір елемента) вимірюється складніше, тому не завжди з'являється в технічних характеристиках.

На ділі це означає, що 3Д-принтер повинен відрізнятися високими характеристиками в обох категоріях, тобто у всіх трьох вимірах.

3Д-друк на основі технологій SLA та FDM

Технології не стоять на місці, і зараз 3Д-принтери на основі технології SLA, що використовують полімеризацію смол лазером, демонструють перевагу в якості друку перед принтерами FDM, які використовують «нашарування» розплавленим пластиком. SLA-принтери друкують моделі з більш гладкою поверхнею та вищим ступенем деталізації, але не завдяки тому, що можуть забезпечити набагато меншу товщину шару. Причина підвищення якості 3Д-друку — значно вища роздільна здатність по осях XY.

SLA-принтери (праворуч) мають більшу роздільну здатність і дозволяють отримати моделі з більш гладкою поверхнею та вищим ступенем деталізації, ніж FDM-принтери (ліворуч).

На відміну від 3D-принтерів на основі технології FDM, мінімальний розмір елементів у площині XY у стереолітографічних 3D-принтерах не обмежується динамікою потоку розплавленого пластику, а здебільшого визначається оптикою та кінетикою радикальної полімеризації. Якщо говорити простіше, то деталізація моделі по XY у принтерах SLA залежить від діаметра лазерної плями та приблизно відповідає її розміру. А лазерні плями можуть бути дуже маленькими, особливо порівняно із соплами на FDM-принтерах.

3D-друк на основі технологій SLA та DLP

Технології 3D-друку на основі полімерів, такі як SLA, LFS і DLP, забезпечують максимальну роздільну здатність з усіх процесів 3Д-друку, доступних для настільних принтерів. Основні одиниці виміру процесів SLA і DLP — це різні форми, що ускладнює порівняння принтерів лише за числовими характеристиками.

3D-принтери на основі технології DLP мають нерухому відносно робочої області матрицю пікселів, а SLA та LFS принтери, в яких використовується лазер, фокусують промінь лазера в будь-якій координаті площини XY. Отже, лазерні 3Д-принтери з високою якістю оптики можуть точніше відтворити поверхню моделі, навіть якщо розмір лазерної плями більший, ніж розмір пікселя в DLP-принтері.

SLA та LFS (ліворуч): лінії шарів практично не видно, шорсткість поверхні знижується, забезпечуючи більш гладку поверхню, а на прозорих матеріалах — моделі з більшою прозорістю. У DLP (праворуч) для побудови об'ємних фігур застосовуються прямокутні вокселі, що може призвести до появи вертикальних ліній.

Роздільна здатність у 3D-друці. Роздільна здатність XY

У світі 3D-друку фактор, що найбільше впливає на якість моделей — це роздільна здатність XY. Поняття горизонтальної роздільної здатності XY відрізняється в різних технологіях 3Д-друку:

• 3Д-принтери SLA — поєднання розміру лазерної плями та величини кроків, за допомогою яких можна керувати променем;
• DLP принтери — розмір пікселя, найдрібнішої деталі, яку проектор може відтворити в одному шарі;
• FDM принтери — найменша відстань, на яку може переміститися екструдер у межах одного шару.

Як правило, чим нижче це значення, тим вища деталізація. Але це число не завжди вказується в технічних характеристиках, а навіть якщо вказується, то не завжди коректно. Щоб отримати уявлення про справжню роздільну здатність XY, важливо розуміти принцип роботи принтера.

Щоб дізнатися, як горизонтальна роздільна здатність XY впливає на якість моделі, проведемо тест на SLA-принтері Form 2. Розмір лазерної плями в ньому становить 140 мікрон, що має дозволяти йому відтворювати дрібні деталі на площині XY. Перевіримо, чи відповідає ця ідеальна роздільна здатність дійсності.

Проєктування моделі для перевірки роздільної здатності 3Д-принтера

Для перевірки мінімального розміру елемента на площині XY для Form 2, візьмемо модель (ліворуч) із лініями товщиною від 10 до 200 мікрон і роздрукуємо її фотополімером Clear Resin (праворуч).

Модель являє собою прямокутний блок із лініями різної ширини в горизонтальному, вертикальному та діагональному напрямках, які нанесені для запобігання зміщенню. Товщина ліній становить від 10 до 200 мкм, лінії нанесені через 10 мкм і мають висоту 200 мкм, що відповідає двом шарам при друці з роздільною здатністю 100 мкм для осі Z. Цю модель двічі промивали в ізопропіловому спирті та піддали фінальній полімеризації протягом 30 хвилин.

Аналіз моделі

Модель сфотографували та пофарбували в зелений колір для поліпшення сприйняття. Вертикальна жовта лінія з чорними крапками в правій стороні вікна призначена для вимірювання ширини сфотографованої лінії.

Після фінальної полімеризації ми помістили модель під мікроскоп і зробили фотографію у високій роздільній здатності для подальшого аналізу. За допомогою ImageJ, безкоштовної програми для аналізу зображень від Національних інститутів охорони здоров'я США (NIH), ми масштабували пікселі зображень і виміряли фактичну ширину надрукованих ліній. Ми зібрали понад 50 точок даних на ширину лінії, щоб виключити помилки вимірювання та варіабельність. Ми проаналізували три моделі, виготовлені на двох принтерах.

Аналіз результатів

Результати показують, що Form 2 має таку ж ідеальну та фактичну роздільну здатність XY для елементів моделей розміром від 150 мкм.

У міру того як ширина лінії зменшується з 200 до 150 мкм, вимірювані значення практично збігаються з ідеальними, і знаходяться в межах 95 % довірчого інтервалу. По мірі того як передбачувана ширина лінії стає менше 150 мкм, вимірюваний інтервал починає значно відхилятися від ідеального. Це означає, що принтер може надійно відтворювати на площині XY елементи розміром до 150 мкм, що відповідає товщині людської волосини.

Мінімальний розмір елементів на площині XY у принтера Form 2 становить близько 150 мкм — лише на 10 мкм більше, ніж розмір плями встановленого в ньому лазера (140 мкм). Мінімальний розмір елемента не може бути меншим, ніж розмір лазерної плями. Існує безліч факторів, що впливають на це значення: заломлення лазера, мікроскопічні забруднення, хімічні властивості полімеру тощо. Враховуючи всю екосистему принтера, різниця в 10 мкм є номінальною. Не у всіх 3D-принтерів зазначена роздільна здатність відповідає фактичній, тому перш ніж вибрати відповідну для вашого проєкту роздільну здатність, рекомендується провести чимало досліджень.

Якщо вам потрібні моделі з дрібними деталями, шукайте принтер, для якого роздільна здатність XY не просто наводиться як число, а підкріплюється даними вимірювань.

Роздільна здатність у 3D-друці. Роздільна здатність Z

Розглядаючи технічні характеристики 3D-принтерів, ви побачите, що такий параметр, як роздільна здатність осі Z, зустрічається частіше за інші. Товщина шару, або вертикальна роздільна здатність, була першим основним числовим параметром, за яким розрізнялися ранні 3D-принтери. Перші пристрої характеризувалися товщиною шару в 1 мм. Тепер цей параметр у 3D-принтерах FDM може бути менше 0,1 мм, а в LFS- і SLA-принтерах — ще менше.

3D-принтери Formlabs підтримують товщину шару від 25 до 300 мкм, залежно від матеріалу. Такий діапазон значень дозволяє підібрати матеріал з ідеальним балансом між швидкістю та якістю друку. Але головне питання полягає в тому, яка товщина шару буде ідеальною для вашої моделі.

Чи завжди менш тонкі шари кращі?

Висока роздільна здатність 3D-друку впливає на інші параметри. Чим тонший шар, тим більше шарів потрібно надрукувати, у результаті чого збільшується час друку моделі. Адже, як правило, друк із роздільною здатністю 25 мкм виконується в чотири рази довше, ніж із роздільною здатністю 100 мкм. Потрібно пам'ятати про те, що чим більше шарів, тим вища ймовірність виникнення помилок. Наприклад, навіть при коефіцієнті успішного друку шарів у 99,99 % чотириразове збільшення роздільної здатності знижує шанси на успішний друк моделі з 90 % до 67 %, за умови, що шар із помилкою призводить до браку.

Чим менша товщина шару, тим довше виконується друк і тим вища ймовірність виникнення помилок та спотворень.

Чи правда, що чим вища роздільна здатність (чим тонші шари), тим вища якість готових моделей? Не завжди. Це залежить від моделі та роздільної здатності XY 3D-принтера. Як правило, чим менша товщина шару, тим довше виконується друк і тим вища ймовірність виникнення спотворень та помилок. У деяких випадках друк моделей із нижчою роздільною здатністю (тобто з товстішими шарами) може навіть призвести до підвищення якості.

Коли тонкі шари не потрібні

Більш тонкі шари зазвичай асоціюються з більш плавними переходами по діагоналях. З цієї причини багато користувачів доводять роздільну здатність Z до межі. Але що якщо модель складається переважно з вертикальних і горизонтальних граней, з прямими кутами та невеликою кількістю діагональних поверхонь? У таких випадках збільшення кількості шарів не призведе до підвищення якості друку.

Проблема посилюється, якщо роздільна здатність XY даного принтера не ідеальна і він «виходить за межі» при формуванні зовнішніх граней. Чим більше шарів, тим більше невідповідних виступів буде на поверхні. У цьому випадку готова модель виглядатиме набагато гірше, навіть якщо роздільна здатність Z буде вищою.

Коли потрібно збільшувати роздільну здатність Z

Бувають випадки, коли потрібно збільшити роздільну здатність. За наявності принтера з хорошою роздільною здатністю XY та моделі зі складними елементами і безліччю діагональних граней зменшення товщини шарів дозволить отримати фізичну модель значно кращої якості. Крім того, якщо ця модель маленька (не більше 200 шарів), то збільшення роздільної здатності осі Z призведе до реального поліпшення якості.

Деякі дизайнерські рішення виграють від вищої роздільної здатності Z. Це, наприклад, органічні форми, закруглені арки, дрібне тиснення і хитромудре гравіювання.

Для крихітної моделі з великою кількістю деталей та арочними елементами потрібна вища роздільна здатність Z. Цей собор був надрукований на принтері Form 2 із роздільною здатністю 25 мкм.

Друкуйте товстіші шари та підвищуйте роздільну здатність Z лише тоді, коли це дійсно необхідно. При правильному поєднанні принтера та типу моделі вища роздільна здатність Z дозволить відтворити хитромудрі деталі вашої конструкції.

Полімер Grey Resin дозволяє здійснювати друк із роздільною здатністю 160 мкм. Оцініть різницю у швидкості самостійно.

Програмне забезпечення PreForm компанії Formlabs дозволяє вибирати товщину шару. Починаючи з версії PreForm 3.0.3, з полімеру Grey Resin можна друкувати моделі з висотою шару 160, 100, 50 та 25 мкм. Друк із роздільною здатністю 160 мкм прискорить процес ітерації. Це дозволить інженерам переходити від проєкту до готової моделі ще швидше. А стоматологи можуть виготовляти більше елайнерів за день без шкоди для якості.

Почніть роботу з 3D-принтером із високою роздільною здатністю

Ви познайомилися з поняттям роздільної здатності та розібралися з відмінностями у технологіях і результатах 3D-друку. Сподіваємося, тепер вам буде набагато простіше вибрати 3D-принтер, що оптимально відповідає вашим потребам і робочому процесу.

Щоб дізнатися більше про стереолітографічні 3D-принтери нового покоління, ознайомтеся з інформацією про пристрої Form 4 та Form 4L.

Бажаєте на власні очі побачити, як виглядають моделі, надруковані з високою роздільною здатністю? Замовте зразок друку, який доставлять прямо у ваш офіс.

Читайте також інші матеріали, які допомагають вибрати 3D-принтер:

Яквибрати технологію для настільного 3D-друку FDM, SLA і SLS. Швидкість

Яквибрати технологію для настільного 3D-друку FDM, SLA і SLS. Функціональні та візуальніхарактеристики

Яквибрати технологію для настільного 3D-друку FDM, SLA і SLS. Ціна