在本綜合指南中，您將了解 3D 列印機解析度如何影響您的 3D 列印以及 SLA、FDM 和 DLP 3D 列印機之間的差異。

 

正在尋找高解析度 3D 列印機？在3D 列印和積層製造領域，「解析度」是一個經常被討論但很少被理解的價值。

XY和Z解析度如何影響3D列印的品質？應該選擇什麼最小特徵尺寸和層厚？

 

在本綜合指南中，您將了解 3D 列印機解析度如何影響3D 列印以及 SLA、FDM 和 DLP 3D列印機之間的差異。

 

解析度與最小特徵尺寸

 

幾十年來，科技一直處於一場分辨率之戰。

 

最近電視的像素數從高清增加到了 4K，並且很快就會增加到 8K。

手機、平板電腦和任何有螢幕的設備都將其解析度作為規格表中的領先指標，前提是它值得誇耀，但這並不是什麼新鮮事。

 

自從數位技術流行以來，分辨率之戰就一直發生，印刷業是最早的戰場之一。

 

如果您生活在 80 年代和 90 年代，

您一定記得佳能、兄弟、惠普、愛普生和利盟（以及其他公司）在列印速度和解析度方面展開了激烈的競爭。

最初的 100x100 點/英吋 (DPI) 很快就升級到 300x300，然後是 600x600，最後是目前的業界標準 1200x1200 DPI。

 

當時，這些價值觀的意義是顯而易見的。甚至單位也很有意義。

 

不幸的是，當您在列印中添加另一個維度時，事情會變得更加複雜。

 

3D列印分辨率

3D 列印高解析度 - 列印件的細節程度受到所有三個維度的解析度的影響。

 

在 3D 列印和積層製造中，需要考慮三個維度：兩個平面 2D 維度（X 和 Y）以及使其成為 3D 列印的 Z 維度。

 

由於平面和 Z 尺寸通常透過非常不同的機制進行控制，因此它們的解析度會有所不同，需要單獨處理。

因此，對於「3D 列印解析度」一詞的含義以及期望的列印品質水準存在著許多困惑。

 

高解析度 3D 列印 - 比較不同的 3D 列印工藝

 

Formlabs 的高解析度 SLA 3D 列印機具有較高的 Z 軸解析度和較低的 XY 平面最小特徵尺寸，使它們能夠產生精細的細節。

 

是什麼讓 3D 列印機具有高解析度？沒有一個數字的答案。

 

由於 3D 列印機生產 3 維零件，因此您必須考慮至少兩個數字：XY 平面的最小特徵尺寸和 Z 軸解析度（層厚度或層高度）。

Z 軸解析度很容易確定，因此被廣泛報導，儘管它與列印品質和表面光潔度關係不大。\

 

更重要的 XY 解析度（最小特徵尺寸）是透過顯微成像測量的，因此並非總是在規格表中找到。

 

 

實際上，這意味著您應該選擇在這兩個類別（所有 3 個維度）上都表現良好的 3D 列印機。

 

 

 

SLA 與 FDM 3D 列印

 

自從第一台桌上型 3D 列印機向公眾開放以來，發生了許多變化 。

 

立體光刻 (SLA) 3D 列印機（如Form 3+）正與熔融沈積成型 (FDM) 3D 列印機爭奪相同的桌面位置。

 

與塑膠熔化同類產品相比，

樹脂基 SLA 3D 列印機的主要優勢之一是列印品質：SLA 3D 列印機可列印出更平滑、更細緻的列印件。

 

雖然 SLA 印表機通常也可以實現顯著較小的層厚度，但列印品質提高的原因在於其更高的 XY 解析度。

 

SLA 3D 列印機（右）提供比 FDM 3D 列印機（左）更高的分辨率，並且可以列印出更平滑、更細緻的列印件。

 

與 FDM 3D 列印機不同，

SLA 3D 列印機 XY 平面上的最小特徵尺寸不受熔融塑膠流動動力學的限制，而是受光學和自由基聚合動力學的限制。

 

雖然數學很複雜（超出了本文的範圍），

但它表明：SLA 列印上的特徵可以大約與其雷射點的直徑一樣小。

而且雷射光斑可能非常小，特別是與 FDM 印表機擠出機的噴嘴尺寸相比。

 

雷射 SLA 與 DLP 3D 列印機

 

SLA、LFS 和 DLP 技術等樹脂 3D 列印機可提供桌面上所有 3D 列印製程中最高解析度。

這些過程的基本單元是不同的形狀，

因此很難僅透過數字規格來比較不同的機器。

 

 

DLP 3D 列印機具有相對於構建區域固定的像素矩陣，而基於雷射的 SLA 和 LFS 3D 列印機可以將雷射光束聚焦在任何 XY 座標上。

 

這意味著即使雷射光斑尺寸大於 DLP 像素尺寸，具有高品質光學元件的雷射機器也可以更準確地再現零件的表面。

 

然而，無論您選擇哪種樹脂 3D 列印工藝，專業樹脂 3D 列印機都應該能夠捕捉您創作的最精細細節，從逼真的模型到複雜的珠寶。

 

在 SLA 和 LFS 3D 列印（左）中，層線幾乎看不見。結果，表面粗糙度降低，最終導致表面光滑，對於透明材料來說，零件更半透明。

DLP 3D 列印機使用矩形體素渲染影像，這會產生垂直體素線的效果（右）。

 

 

了解 XY 分辨率

 

 

在 3D 列印領域，沒有任何因素比 XY 解析度更能影響列印品質。

 

XY 解析度（也稱為水平解析度）的定義經常被討論但很少被理解。

 

它的定義因 3D 列印技術而異：

•     SLA 和 LFS 3D 列印機：雷射光斑尺寸和可控雷射光束增量的組合

•     DLP 3D 列印機：像素大小，投影機可以在單層內複製的最小特徵

•     FDM 3D 列印機：擠出機在單層內可以進行的最小移動

 

根據經驗，數字越低，細節越好。

然而，這個數字並不總是包含在規格表中，即使包含在規格表中，發布的值也並不總是準確的。

 

要真正了解印表機的 XY 分辨率，了解該數字背後的科學原理非常重要。

 

實際上，XY 解析度如何影響您的 3D 列印？

為了找到答案，我們決定測試 Form 2  SLA 3D 列印機。

Form 2 的雷射光點尺寸為 140 微米 ( FWHM )，這使其能夠在 XY 平面上列印精細的細節。

我們對其進行測試，看看這個理想的解決方案是否成立。

 

設計模型來測試 3D 列印機分辨率

 

為了測試 Form 2 在 XY 平面上的最小特徵尺寸，我們設計了一個模型（左），其線條範圍為 10 至 200 微米，並以透明樹脂列印（右）。

 

首先，我們設計並列印了一個模型來測試 XY 平面上的最小特徵尺寸。

該模型是一個矩形塊，在水平、垂直和對角線方向上具有不同寬度的線條，以避免方向偏差。

線寬範圍為 10 至 200 微米，步長為 10 微米，線高為 200 微米，相當於以 100 微米 Z 解析度列印時的兩層。

模型採用 Clear Resin 列印，在 IPA 浴中清洗兩次，然後 後固化 30 分鐘。

 

分析模型

 

該模型被拍照並染成綠色以提高可見度。在視窗的右側，帶有黑點的垂直黃線測量了拍攝線的寬度。

 

 

後固化後，我們將模型放在顯微鏡下並拍攝高解析度照片進行分析。

使用 NIH 的免費圖像分析軟體ImageJ，我們首先縮放圖像的像素，然後測量列印線條的實際寬度。

收集了每個線寬 50 多個數據點，以消除測量誤差和變異性。

 

總的來說，我們在兩台不同的印表機上列印並分析了三個模型。

 

了解結果

 

結果表明，對於 150 微米及更大的特徵，Form 2 具有相同的理想和實際 XY 解析度。

 

隨著列印線寬從 200 微米減小到 150 微米，理想值在測量值的 95% 置信區間內。

當預期線寬小於 150 微米時，測量的間隔開始與理想間隔顯著偏離。

 

這意味著印表機可以可靠地產生小至 150 微米的 XY 特徵，大約相當於人類頭髮的大小。

 

Form 2 在 XY 平面上的最小特徵尺寸約為 150 微米，僅比其 140 微米雷射大 10 微米。

 

最小特徵尺寸永遠不能小於雷射光斑尺寸，影響該值的因素有很多：雷射折射、微觀污染物、樹脂化學等等。

 

考慮到印表機的整個生態系統，10 微米的差異是正常的。

並非所有 3D 列印機公佈的解析度都適用，因此在選擇適合您專案的印表機之前，最好進行大量研究。

 

如果您的工作需要列印具有複雜細節的列印件，請尋找具有 XY 解析度且由可測量資料（而不僅僅是數位）支援的印表機。

了解 Z 分辨率

 

當您閱讀 3D 列印機規格表時，您會看到一個值出現得最多：Z 解析度。

 

垂直解析度也稱為層厚度或層高度，是早期 3D 列印機之間第一個主要的數值差異。

早期的機器難以突破 1 毫米的障礙，但現在 FDM 3D 列印機的層厚度可以薄至 0.1 毫米以下，

而 LFS 和 SLA 3D 列印機的精度更高。

 

Formlabs 3D 列印機支援 25 至 300 微米之間的層厚度，具體取決於材料。這種層高選擇可為您提供速度和解析度的理想平衡。

 

主要問題是：列印的最佳層厚度是多少？

 

層厚度越小越好嗎？

 

高解析度 3D 列印需要權衡。

 

更薄的層意味著更多的重複次數，這反過來又意味著更長的時間：

 

以 25 微米列印與 100 微米列印通常會使列印時間增加四倍。

 

更多的重複也意味著更多出錯的機會。

例如，即使每層的成功率達到 99.99%，如果假設失敗的層會導致完全列印失敗，則將解析度提高四倍會將列印成功的機會從 90% 降低到 67%。

 

較低的層厚度意味著更多的時間、偽影和錯誤。

 

更高的解析度（更薄的層）是否會帶來更好的列印效果？並非總是如此，

 

這取決於要列印的模型和 3D 列印機的 XY 解析度。

一般來說，較薄的層意味著更多的時間、偽影和錯誤。在某些情況下，以較低解析度（即較厚的層）列印模型實際上可以產生更高品質的列印件。

 

當較薄的層沒有幫助時

 

較薄的層通常與對角線上更平滑的過渡相關，這導致許多用戶概括並將 Z 解析度推向極限。

但是，

如果模型主要由垂直和水平邊緣組成，具有 90 度角和少量對角線，該怎麼辦？

在這些情況下，附加層不會提高模型的品質。

 

如果相關印表機的 XY 解析度不完美且在繪製外緣時“顏色超出線條”，則問題會變得更加複雜。

更多層意味著表面上有更多不匹配的脊。

雖然 Z 解析度較高，但在這種情況下車型看起來品質明顯較低。

 

 

何時選擇更高的 Z 分辨率

 

話雖如此，有時您需要更高的解析度。

 

如果印表機具有良好的 XY 分辨率，且模型具有複雜的特徵和許多對角線邊緣，則減小層的厚度將產生更好的模型。

此外，如果模型很短（200 層或更少），則提高 Z 軸解析度確實可以提高品質。

 

某些設計受益於更高的 Z 解析度：有機形狀、圓拱、小浮雕和複雜的雕刻。

 

具有精細細節的複雜模型需要更高的 Z 解析度。SLA 3D 列印零件具有鋒利的邊緣、光滑的表面和最小的可見層線。此範例零件是在 Formlabs Form 3 桌上型 SLA 3D 列印機上列印的。

 

作為一般準則，應選擇較厚的層，並且僅在完全必要時才提高 Z 解析度。使用合適的印表機和特定類型的模型，更高的 Z 解析度將捕捉設計的複雜細節。

 

Draft Resin 是 Formlabs SLA 印表機可用的速度最快的 3D 列印樹脂，可列印 200 微米和 100 微米，同時保持光滑的表面光潔度。

 

在PreForm中，Formlabs為使用者提供了不同層厚度的選擇。根據材料和應用要求， 可以按以下層高列印零件：200、160、100、50 和 25 微米。

 

 

開始使用高解析度 3D 列印

 

桌上型 Form 3+ 和大幅面 Form 3L SLA 印表機非常適合高解析度 3D 列印。

 

在了解 3D 列印解析度並整理出技術和結果的差異後，我們希望能夠更輕鬆地選擇最適合您的工作流程和輸出需求的 3D 列印機。

 

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