Выбираем 3D принтер по его разрешающей способности
Разрешение в 3D-печати – что означает этот термин? Как разрешающая способность 3Д принтера влияет на печать моделей и как она отличается у принтеров на основе технологий SLA, FDM и DLP? Как разрешение по осям XY и Z влияет на качество моделей, изготовленных на 3D-принтере? Какой минимальный размер элементов и какую толщину слоя следует выбрать?
Разрешение в 3D-печати и минимальный размер элементов
Понятие “разрешение” фигурирует в конкурентной гонке производителей техники уже несколько десятилетий. Для устройств с дисплеями, например телевизоров, мобильных телефонов или планшетов, это одна из главных характеристик. Когда речь идет об этом параметре в типографии, то разрешение 1200 на 1200 точек на дюйм в двух измерениях X и Y – достаточно понятно для пользователя и не требует объяснений. Если же добавить к печати еще одно измерение Z, то здесь есть нюансы, которые мы рассмотрим в этой статье.
Разрешающая способность 3D-печати
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 точность печати по осям плоскости XY и по третьей оси Z, как правило, контролируются разными механизмами, их разрешающие способности могут отличаться. Поэтому их нужно рассматривать отдельно. В результате, интерпретация термина «разрешение в 3D-печати» может приводить разночтениям и необоснованным ожиданиям от качества печати.
Разрешение в 3D-печати: сравнение различных технологий 3D печати
Стереолитографические 3Д 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.
Из влияющих на разрешающую способность 3Д принтера факторов сложно выделить какой-либо один. Так как 3Д принтеры создают детали в трех измерениях, приходится брать во внимание минимум два фактора: минимальный размер элементов плоскости XY и разрешающую способность оси Z (толщину или высоту слоя). Благодаря тому, что разрешающую способность оси Z легко определить, производители чаще ее указывают, несмотря на то, что она меньше связана с качеством печати и поверхности. Более важная разрешающая способность XY (минимальный размер элемента) измеряется сложнее, поэтому не всегда появляется в технических характеристиках.
На деле это означает, что 3Д принтер должен отличаться высокими характеристиками в обеих категориях, т.е. во всех трех измерениях.
3Д печать на основе технологий SLA и FDM
Технологии не стоят на месте, и сейчас 3Д принтеры на основе технологии SLA, использующие полимеризацию смол лазером, демонстрируют преимущество в качестве печати перед принтерами FDM, которые используют “надстройку” расплавленным пластиком. SLA-принтеры печатают модели с более гладкой поверхностью и более высокой степенью детализации, но не благодаря тому, что могут обеспечить намного меньшую толщину слоя. Причина повышения качества 3Д-печати – значительно более высокая разрешающая способность по осям XY.
SLA-принтеры (справа) имеют большую разрешающую способность и позволяют получить модели с более гладкой поверхностью и более высокой степенью детализации, чем FDM-принтеры (слева).
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. Если говорить проще, то детализация модели по XY в принтерах SLA зависит от диаметра лазерного пятна и примерно соответствует его размеру. А лазерные пятна могут быть очень маленькими, особенно по сравнению с соплами на FDM-принтерах.
3D-печать на основе технологий SLA и DLP
Технологии 3D-печати на основе полимеров, такие как SLA, LFS и DLP, обеспечивают максимальную разрешающую способность всех процессов 3Д 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, фокусируют луч лазера в любой координате плоскости XY. Следовательно, лазерные 3Д принтеры с высоким качеством оптики могут точнее воспроизвести поверхность модели, даже если размер лазерного пятна больше, чем размер пикселя в DLP-принтере.
SLA и LFS (слева): линии слоев практически не видны, шероховатость поверхности снижается, обеспечивая более гладкую поверхность, а на прозрачных материалах – модели с большей прозрачностью. В DLP (справа) для постройки объемных фигур применяются прямоугольные воксели, что может привести к появлению вертикальных линий.
Разрешение в 3D-печати. Разрешающая способность XY
В мире 3D-печати наиболее влияющий на качество моделей фактор – это разрешающая способность XY. Понятие горизонтального разрешения XY различно в разных технологиях 3Д печати:
- 3Д принтеры SLA – сочетание размера лазерного пятна и величины шагов, с помощью которых можно управлять лучом;
- DLP принтеры – размер пикселя, самой маленькой 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.
Чтобы узнать, как горизонтальное разрешение XY влияет на качество модели, проведем тест на SLA принтере Form 2. Размер лазерного пятна в нем составляет 140 микрон, что должно позволять ему воспроизводить мелкие детали на плоскости XY. Проверим, соответствует ли эта идеальная разрешающая способность истине.
Проектирование модели для проверки разрешающей способности 3Д принтера
Для проверки минимального размера элемента на плоскости XY для Form 2, возьмем модель (слева) с линиями толщиной от 10 до 200 микрон и распечатаем ее фотополимером Clear Resin (справа).
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. Эту модель дважды промыли в изопропиловом спирте и подвергли финальной полимеризации в течение 30 минут.
Анализ модели
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.
Анализ результатов
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, измеряемые значения практически совпадают с идеальными, и находятся в пределах 95 % доверительного интервала. 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, что соответствует толщине человеческого волоса.
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.
Разрешение в 3D-печати. Разрешающая способность Z
Рассматривая технические характеристики 3D-принтеров, вы увидите, что такой параметр, как разрешающая способность оси Z, встречается чаще других. Толщина слоя, или вертикальная разрешающая способность, была первым основным числовым параметром, по которому различались ранние 3D-принтеры. Первые устройства характеризовались толщиной слоя в 1 мм. Теперь же этот параметр в 3D-принтерах 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 подобрать материал с идеальный балансом между скоростью и качеством печати. Но главный вопрос заключается в том, какая толщина слоя будет идеальной для вашей модели.
Всегда ли менее тонкие слои лучше?
Высокая разрешающая способность 3D-печати влияет на другие параметры. Чем тоньше слой, тем больше слоев нужно напечатать, в результате чего увеличивается время печати модели. Ведь, как правило, печать с разрешающей способностью в 25 мкм выполняется в четыре раза дольше, чем с разрешением в 100 мкм. Нужно помнить о том, что 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.
Когда тонкие слои не нужны
Более тонкие слои обычно ассоциируются с более плавными переходами по диагоналям. По этой причине чего многие пользователи доводят разрешающую способность 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. Это, например, 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.
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.
Полимер Grey Resin позволяет осуществлять печать с разрешением 160 мкм. Оцените разницу в скорости самостоятельно.
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. Это позволит инженерам переходить от проекта к готовой модели еще быстрее. А стоматологи могут изготавливать больше элайнеров за день без ущерба качеству.
Начните работу с 3D-принтером с высокой разрешающей способностью
Вы познакомились с понятием разрешающей способности и разобрались с различиями в технологиях и результатах 3D-печати. Надеемся, теперь 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.
Разрешение в 3D-печати. Читайте также другие материалы, которые помогают выбрать 3D принтер:
Как выбрать технологию для настольного 3D-печати FDM, SLA и SLS. скорость
Как выбрать технологию для настольного 3D-печати FDM, SLA и SLS. Цена
