寻找高分辨率3D打印机?在3D打印和增材制造领域,分辨率是一个经常被讨论但很少被理解的价值。XY和Z分辨率如何影响3D打印的质量?你应该选择什么最小特征尺寸和什么层厚度?

在本文中,您将了解3D打印机分辨率如何影响您的3D打印以及其在立体刻度(SLA),融合沉积建模(FDM)和数字光处理(DLP)打印机之间的不同之处。

分辨率与最小特征大小

几十年来,技术一直处于解决问题的战争中。最近,电视的像素数从高清增加到4K,增加了四倍,并有望很快再次达到8K。手机、平板电脑以及任何带有屏幕的产品,只要是值得夸耀的东西,其分辨率都将在规格表上占据主导地位。但这并不是什么新鲜事。自数字技术流行以来,解决方案之战就一直在进行,而印刷业是最早的战场之一。

如果您在20世纪80年代和20世纪90年代,您还记得佳能,兄弟,惠普,爱普生和Lexmark(其中)对印刷速度和分辨率进行争取。以100×100点开始/英寸(DPI)开始升级为300×300,然后600×600,最后的行业标准为1200×1200 dpi。然后,这些值的含义明显可理解;即使是单位也完美无缺。不幸的是,在添加另一个维度到打印时,事情会变得更加复杂。

Formlabs高分辨率SLA 3D打印机具有高z轴分辨率和XY平面上的最小特征尺寸,允许它们生成精细的细节。

3 d打印分辨率

在3D打印和添加剂制造中,有三个维度考虑:两个平面2D尺寸(X和Y)和使其3D打印的Z维度。由于平面和Z尺寸通常通过非常不同的机制控制,因此它们的分辨率将是不同的并且需要单独处理。结果,关于术语“3D打印分辨率”方式以及预期的印刷质量水平的速度存在很大的困惑。

比较不同的3D打印过程

是什么使3D打印机具有高分辨率?没有一个数字的答案。由于3D打印机在三个维度上生成零件,所以您必须考虑至少两个数字:XY平面的最小特征尺寸和Z轴分辨率(层厚度或层高度)。Z轴分辨率很容易确定,因此被广泛报道,即使它与打印质量和表面光洁度关系不大。更重要的XY分辨率(最小特征尺寸)是通过显微成像测量的,因此并不总是在规格表中找到。

DLP 3D打印机具有相对于构建区域的固定像素矩阵,而基于激光的SLA和LFS 3D打印机可以将激光束聚焦在任何XY坐标上。这意味着,即使激光光斑尺寸大于DLP像素尺寸,基于激光的机器(采用高质量光学元件)也可以更精确地再现零件表面。

实际上,这意味着您应该选择在两个类别中执行良好的3D打印机(在所有三个维度中)。

SLA vs FDM 3D打印

自从第一台桌面3D打印机向公众开放以来,情况发生了很大变化。现在,SLA 3D打印机正在与FDM 3D打印机争夺相同的桌面位置。基于树脂的SLA 3D打印机与塑料熔化的同类打印机相比的一个主要优势是打印质量:SLA 3D打印机可以生成更平滑、更详细的打印。虽然SLA打印机通常也可以实现明显更小的层厚度,但提高打印质量的原因在于其更高的XY分辨率。

与FDM 3D打印机不同,SLA 3D打印机XY平面的最小特征尺寸不受熔融塑性流动动力学的限制,而是受光学和自由基聚合动力学的限制。虽然数学计算很复杂(超出了本文的范围),但它得出的结论是:SLA打印的特性可以近似地与激光光斑的直径一样小。激光光斑可以非常小,特别是与FDM打印机挤出机的喷嘴尺寸相比。

激光SLA与DLP 3D打印机

为了在XY平面上测试表格2的最小特征尺寸,模型(左)设计,线路范围为10至200微米,并在透明树脂(右)中印刷。

树脂3D打印机 - 类似SLA,低强立体刻度法(LFS)和DLP技术 - 提供桌面上可用的所有3D打印过程的最高分辨率。这些过程的基本单元是不同的形状,使得难以单独通过数值规格比较不同的机器。

DLP 3D打印机具有相对于构建区域的固定像素矩阵,而基于激光的SLA和LFS 3D打印机可以将激光束聚焦在任何XY坐标上。这意味着,即使激光光斑尺寸大于DLP像素尺寸,基于激光的机器(采用高质量光学元件)也可以更精确地再现零件表面。然而,无论您选择哪种树脂3D打印工艺,专业树脂3D打印机都应该能够捕捉您作品的最佳细节。

在SLA和LFS 3D打印中,层线靠近不可见。结果,降低了表面粗糙度,这最终导致光滑的表面和更明亮的件用于透明材料。DLP 3D打印机使用矩形体素呈现图像,这会导致垂直体素线的效果。

了解XY解决方案

在3D打印的世界中,没有因素影响印刷质量超过XY分辨率。经常讨论但很少了解,XY分辨率的定义(也称为水平分辨率)因3D打印技术而异:

  • SLA和LFS 3D打印机:激光光斑尺寸的组合和可以控制激光束的增量

  • DLP 3D打印机:像素大小,投影机的最小特征可以在单层中重现

  • FDM 3D打印机:挤出机的最小运动可以在单层内制作

作为一项经验法则,数量越低,细节越好。然而,此数字并不总是包含在规范表中,并且当它是,发布的值并不总是准确。真正知道打印机的XY解决方案,了解数字背后的科学是很重要的。

结果表明,对于150微米或更大的特征,表单2具有理想和实际的XY分辨率。

实际上,XY分辨率如何影响你的3D打印?为了找到答案,我们决定测试表单2 SLA 3D打印机。表单2的激光光斑尺寸为140微米(FWHM),这应该允许它在XY平面上打印细节。我们对它进行了测试,看看这个理想的分辨率是否成立。

首先,我们设计并打印了一个模型,以测试XY平面上的最小特征大小。该模型是矩形块,其水平,垂直和对角线方向具有不同的宽度,以避免方向偏置。线宽在10至200微米的10至200微米中,高200微米,其在100微米Z分辨率下印刷时等于两层。该模型在透明树脂中印刷,在IPA浴中洗涤两次,并后固化30分钟。

固化后,我们将模型放在显微镜下,拍摄高分辨率照片进行分析。利用美国国立卫生研究院(NIH)的免费图像分析软件ImageJ,我们首先缩放图像的像素,然后测量打印出来的线条的实际宽度。我们收集了每条线宽50多个数据点,以消除测量误差和变异性。总的来说,我们在两个不同的打印机上打印并分析了三个模型。

由于印刷的线宽从200到150微米减小,因此理想值在测量值的95%置信区间内。随着预期的线宽得出小于150微米,测量的间隔开始显着偏离理想。这意味着打印机可以可靠地产生小于150微米的XY特征,关于人类头发的大小。

XY平面上Form 2的最小特征尺寸约为150微米-仅比其140微米激光器大10微米。最小特征尺寸不能小于激光光斑尺寸,影响该值的因素有很多:激光折射、微观污染物、树脂化学等。考虑到打印机的整个生态系统,10微米的差异是正常的。并非所有3D打印机公布的分辨率都是正确的,因此在选择适合您的项目的打印机之前进行大量研究是一个好主意。如果您的工作要求打印复杂的细节,请寻找XY分辨率的打印机,该打印机由可测量的数据支持,而不仅仅是数字。

了解Z分辨率

在Formlabs PreForm软件中,用户可以选择不同的层厚度。灰色树脂零件现在可以按以下层高打印:160、100、50和25微米。对于工程师来说,160微米的印刷将加速迭代过程,用更少的时间从设计到印刷零件。

当你阅读3D打印机规格表时,你会看到一个值比其他值显示得更多:Z分辨率。也被称为层厚度或层高度,垂直分辨率是早期3D打印机之间的第一个主要数字差异。早期的机器很难突破1毫米的障碍,但现在FDM 3D打印机的层厚度可以低于0.1毫米,而LFS和SLA 3D打印机甚至更精确。

Formlabs 3D打印机支持25至300微米的层厚,具体取决于材料。层高度的选择为您提供了速度和分辨率的理想平衡。主要问题是:打印的最佳层厚是多少?

厚度越小越好吗?

高分辨率3D打印需要权衡。更薄的层意味着更多的重复,反过来也意味着更长的时间;打印在25微米比100微米通常会增加四倍的打印时间。更多的重复也意味着出错的机会更多。例如,即使每层的成功率是99.99%,如果假设失败的层导致全部打印失败,那么四倍的分辨率也会将打印成功的几率从90%降低到67%。

更高的分辨率(更薄的层)会导致更好的打印吗?不总是。这取决于要打印的模型和3D打印机的XY分辨率。通常,更薄的层相同的时间,伪像和错误。在某些情况下,在较低分辨率(即较厚的层)处的印刷模型实际上可以导致更高质量的印刷品。

当较薄的层没有帮助

较薄的层通常与对角线上更平滑的过渡相关联,这导致许多用户将Z分辨率推广到极限。但是,如果模型主要由垂直和水平边缘组成,有90度角和很少的对角线怎么办?在这些情况下,附加层不会提高模型的质量。

如果有问题的打印机的XY分辨率并不完美,并且在绘制外部边缘时的打印机的XY分辨率并不完美“颜色”,则该问题复杂。更多层意味着表面上更具不匹配的脊。虽然Z分辨率较高,但模型看起来像在这种情况下的质量明显较低。

何时选择更高的Z分辨率

有时您需要更高的分辨率。如果打印机具有良好的XY分辨率,并且模型具有复杂的特征和许多对角边,则向下调整层的厚度将产生更好的模型。此外,如果该模型较短(200层或更少),则提高Z轴分辨率可以真正提高质量。某些设计得益于更高的Z分辨率:有机形式、圆形拱门、小浮雕和复杂的雕刻。

作为一个一般的指导方针,宁可选择较厚的图层,只在完全必要的时候提高Z分辨率。有了正确的打印机和特定类型的模型,更高的Z分辨率将捕获您设计的复杂细节。

本文由马萨诸塞州萨默维尔的Formlabs提供。有关更多信息,请访问这里


yabovip16.com科技简报》杂志

本文首先出现在7月,2021年问题yabovip16.com杂志。

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