«رزولوشن پرینتر سه بعدی» دقیقاً چیست؟!

اغلب، صحبت‌های زیادی در مورد «رزولوشن پرینتر سه بعدی» می‌شود، ولی به ندرت درک درستی از آن در دنیای پرینت سه بعدی وجود دارد. رزولوشن XY و Z چه تاثیری بر کیفیت چاپ سه بعدی دارند؟ کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد چیست؟ شما باید چه ضخامت لایه‌ای را انتخاب کنید؟

در این راهنمای جامع، شما خواهید آموخت که رزولوشن چه تاثیری بر کیفیت چاپ سه بعدی می‌گذارد.

رزولوشن پرینتر سه بعدی چیست؟

سردرگمی زیادی پیرامون مفهوم عبارت «رزولوشن» و نقش آن در کیفیت چاپ سه بعدی وجود دارد. همچنین بسیاری «رزولوشن پرینتر سه بعدی» را با «دقت پرینتر سه بعدی» اشتباه می‌گیرند. پیشنهاد می‌کنم برای این‌ که این دو مفهوم به طور کامل برای ما روشن شود، ابتدا نوشته‌ی زیر و سپس مقاله‌ی «مفهوم دقت پرینتر سه بعدی به چه معناست؟ چه عواملی بر آن تاثیر می‌گذارد؟» را مطالعه بفرمایید.

مقایسه رزولوشن پرینتر سه بعدی و کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد

آیا درک مفهوم رزولوشن پرینتر سه بعدی به سادگی اجداد دو بعدی آن است؟

دهه‌ها است که در دنیای تکنولوژی، جنگ رزولوشن در گرفته است. اخیراً تعداد پیکسل‌های تلویزیون‌ها چهار برابر شده است و از HD به ۴K رسیده‌اند. تکنولوژی آمادگی دارد که به زودی رزولوشن را به ۸K هم برساند. کمپانی‌های تولیدکننده‌ی تلفن همراه، تبلت‌ و هر چیزی که صفحه‌ی نمایش دارد ‌سعی می‌کنند که مشخصات آن را به عنوان جزئی مهم به رخ بکشند. جنگ رزولوشن از زمانی که تکنولوژی‌های دیجیتال محبوب شدند آغاز شد و صنعت چاپ هم از اولین میدان‌های این نبرد بوده است.

اگر شما دهه‌های ۸۰ و ۹۰ میلادی را به خاطر بیاورید، کنن، بِرادر، اچ‌پی، اِپسن و لِکس‌مارک بر سر سرعت چاپ و رزولوشن رقابت داشتند. چیزی که از ۱۰۰×۱۰۰ نقطه در هر اینچ (DPI) شروع شد به زودی به ۳۰۰×۳۰۰ نقطه در اینچ رسید، سپس ۶۰۰×۶۰۰ و در نهایت امروزه استاندارد صنایع چاپ ۱۲۰۰×۱۲۰۰ نقطه در اینچ است. مفهوم این مقادیر به طور کامل قابل فهم و محسوس است. متاسفانه، از زمانی که یک بعد جدید اضافه شد، مسائل مربوط به درک مفهوم رزولوشن پیچیده‌تر از سابق شد.

رزولوشن و پرینت سه بعدی

سطح جزئیات پرینتر سه بعدی تحت تاثیر رزولوشن در هر سه بعد است.

در پرینت سه بعدی باید دو بعد صفحه‌ای (X و Y) و یک بعد Z را در نظر گرفت. در حالت کلی ابعاد XY و بعد Z با مکانیزم‌های متفاوتی کنترل می‌شوند، به همین دلیل رزولوشن آن‌ها متفاوت است و به طور مجزا بررسی می‌شود. در نتیجه، سردرگمی زیادی پیرامون مفهوم عبارت «رزولوشن» و نقش آن در کیفیت چاپ سه بعدی وجود دارد.

چاپ با رزولوشن بالا

پرینتر سه بعدی Form2 دارای رزولوشن بالا در محور Z و کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد کوچک در صفحه‌ی XY است که به آن اجازه می‌دهد جزئیات طرح را به خوبی چاپ کند.

رزولوشن پرینتر سه بعدی چیست؟ برای این سوال بیشتر از یک پاسخ وجود دارد. از آنجایی که چاپ در سه بعد انجام می‌شود، شما باید حداقل دو عدد را در نظر بگیرید: کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد در صفحه‌ی XY و رزولوشن در محور Z (ضخامت لایه Z). رزولوشن محور Z به سادگی مشخص می‌شود، به همین دلیل است که با وجود این که تاثیر کمتری بر کیفیت پرینتر دارد، در بیان مشخصات پرینترهای سه بعدی به این فاکتور اشاره‌ی بیشتری از بقیه می‌شود. رزولوشن XY (کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد)، با استفاده از تصویربرداری میکروسکوپیک اندازه‌گیری می‌شود. بنابراین همیشه نمی‌توان آن را در برگه‌ی مشخصات پرینتر سه بعدی پیدا کرد. در نتیجه شما باید پرینتری را برگزینید که در هر دو زمینه به خوبی عمل کند.

درک مفهوم رزولوشن پرینتر سه بعدی در XY

در دنیای پرینترهای سه بعدی، هیچ فاکتوری بیشتر از رزولوشن XY بر کیفیت پرینتر اثر نمی‌گذارد. اغلب عنوان می‌شود (البته به ندرت درک می‌شود) که رزولوشن XY (همچنین به آن رزولوشن افقی هم گفته می‌شود) کوچکترین میزان حرکتی است که نازل و یا لیزر یک پرینتر می‌تواند در یک لایه‌ی مشخص انجام دهد. هرچه این عدد کوچکتر باشد، پرینتر جزئیات بیشتری را می‌تواند چاپ کند. البته این عدد همیشه در برگه‌ی مشخصات پرینترهای سه بعدی نوشته نمی‌شود، اگر هم نوشته شود احتمال اینکه دقیق نباشد وجود دارد. برای دستیابی به شناختی درست از رزولوشن XY، باید دانش نهفته در پشت آن درک شود. در عمل، رزولوشن XY چه تاثیری بر کیفیت چاپ سه بعدی دارد؟ برای گرفتن پاسخ ما قصد داریم که پرینتر سه بعدی Form2 را آزمایش کنیم. این پرینتر از تکنولوژی SLA بهره می‌برد. Form2 دارای لیزری با اندازه‌ی نقطه‌ی (Laser Spot Size 140) میکرون است که باید به آن اجازه دهد صفحه‌ی XY کیفیت پرینت مطلوبی داشته باشد.

طراحی یک مدل برای آزمایش

برای آزمایش کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد پرینتر سه بعدی Form2 در صفحه‌ی XY، ما یک مدل(چپ) را با خطوطی با ابعاد ۱۰ تا ۲۰۰ میکرون بر روی آن طراحی و با رزین شفاف، پرینت سه بعدی (راست) کردیم.

ابتدا ما یک مدل سه بعدی را طراحی و چاپ کردیم تا به کمک آن اندازه‌ی کمینه‌ی ابعاد را در صفحه‌ی XY به دست آوریم. مدل مورد نظر یک مکعب مستطیل است که خطوط در دسته‌های مختلف به صورت افقی، عمودی و قطری در آن قرار دارند. به این دلیل از خطوط در جهات مختلف استفاده شده تا از تاثیرات جهتی بر رو نتیجه‌ی آزمایش جلوگیری شود. پهنای خطوط از ۱۰ تا ۲۰۰ میکرون تغییر می‌کند. فاصله‌ی همسایگی خطوط نسبت به هم ۱۰ میکرون و ارتفاع خطوط ۲۰۰ میکرون است. به همین دلیل وقتی رزولوشن محور Z، روی ۱۰۰ میکرون تنظیم می‌شود، باید هر خط را دوبار چاپ کرد تا به ارتفاع مطلوب رسید. قطعه با استفاده از رزین شفاف چاپ شد، سپس دو مرتبه در حمام IPA مورد شست و شو قرار گرفت و در نهایت به مدت ۳۰ دقیقه عملیات پساپخت (Post-Curing) روی آن انجام گرفت.

آنالیز مدل

از مدل عکس برداری و برای وضوح بیشتر به زنگ سبز در آورده شد. در سمت راست تصویر، خط عمودی زرد رنگ که نقاط مشکی بر روی آن قرار دارند پهنای خط تصویر برداری شده را اندازه‌گیری می‌کند.

بعد از پساپخت، ما مدل را زیر میکروسکوپ قرار دادیم و از آن عکس‌هایی با رزولوشن بالا گرفتیم. با استفاده از ImageJ، نرم‌افزار رایگان تحلیل عکس NIH، ما ابتدا پیکسل‌های عکس‌ها رو بزرگنمایی کردیم و سپس پهنای واقعی خطوط را اندازه‌گیری کردیم. ما در خط، بیش از ۵۰ نقطه را در نظر گرفتیم تا خطاهای اندازه‌گیری را از بین ببریم. ما در مجموع سه مدل را با دو پرینتر سه بعدی متفاوت پرینت سه بعدی کردیم و ساختیم.

فهم نتایج

نتایج نشان می‌دهد پرینتر سه بعدی Form2 برای اندازه‌های زیر ۱۵۰ میکرون دارای رزولوشن ایده‌آل و واقعی برابر است.

وقتی پهنای خط پرینت شده از ۲۰۰ میکرون به ۱۵۰ میکرون کاهش پیدا می‌کند، مقادیر اندازه‌گیری شده ۹۵ درصد با مقادیر ایده‌آل مطابقت دارند. وقتی پهنای خطوط مورد نظر به کمتر از ۱۵۰ میکرون می‌رسد، فاصله‌ی اندازه‌گیری شده به طور قابل ملاحظه‌ای شروع به منحرف شدن از مقدار ایده‌آل می‌کند. نتایج به این معناست که این پرینتر می‌تواند به طور قابل اطمینانی جزئیاتی به کوچکی ۱۵۰ میکرون را در صفحه‌ی XY تولید کند. قطر موی انسان تقریباً به همین اندازه است. بر اساس اندازه‌گیری‌ها، کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد Form2 در صفحه‌ی XY حدود ۱۵۰ میکرون است که تنها ۱۰ میکرون از اندازه‌ی لیزر ۱۴۰ میکرونی‌اش بیشتر است. کمینه‌ی اندازه‌ی ابعاد نمی‌تواند هیچگاه از اندازه نقطه‌ی لیزر (Laser Spot) کوچکتر باشد.
فاکتورهایی زیادی همچون انعکاس لیزر، آلاینده‌های میکروسکوپی و ترکیب شیمیایی رزین بر اندازه‌ی کمینه‌ی ابعاد تاثیر می‌گذارد. با در نظر گرفتن کلیت اکوسیستم پرینترهای سه بعدی، ۱۰ میکرون یک خطای ناچیز است.

قابل ذکر است که اعدادی که تولیدکننده‌های پرینترهای سه بعدی به عنوان رزولوشن محصولشان ذکر می‌کنند لزوماً درست نیست. به همین دلیل بهتر است که هنگام انتخاب پرینتر مناسب برای هدف مورد نظرمان تحقیق کافی نماییم.

درک مفهوم رزولوشن پرینتر سه بعدی در محور Z

وقتی شما برگه‌ی مشخصات پرینتر سه بعدی را می‌خوانید، یک عدد است که بیشتر از بقیه به چشم می‌خورد؛ رزولوشن Z. این مقدار همچنین به عنوان ضخامت لایه‌ها هم شناخته می‌شود. رزولوشن راستای Z اولین وجه تمایز اساسی بین پرینترهای سه بعدی اولیه بود. پرینترهای سه بعدی اولیه تلاش می‌کردند تا سد ۱ میلی متر را از پیش بردارند، اما امروزه پرینترهای سه بعدی FDM به دقت‌های زیر ۰٫۱ میلی‌متر هم رسیده‌اند. البته پرینترهای سه بعدی SLA از این مقدار هم دقیقتر هستند. اخیراً پرینتر سه بعدی Form2 ضخامت لایه‌های ۱۰۰ و ۵۰ میکرون را برای همه‌ی رزین‌ها ساپورت می‌کند. همچنین است که رزین‌های سفید و ریخته‌گری (Castable) می‌توانند به رزولوشن ۲۵ میکرون در راستای Z هم برسند. انتخاب درست ضخامت لایه‌ها به شما ترکیبی متعادل از سرعت و دقت چاپ را می‌دهد. حال سوال اصلی این است: بهترین ضخامت لایه‌گذاری برای پرینت سه بعدی شما چیست؟

آیا همیشه لایه‌‌های ضخیم‌ بد است؟

تعیین ضخامت لایه‌ها با ارزیابی مجموعه‌ای از معیارها امکان‌پذیر است. لایه‌های نازکتر به معنی تکرارهای بیشتر و در نتیجه زمان چاپ طولانی‌تر است. پرینت با ضخامت لایه‌های ۲۵ میکرون ۴ برابر زمان بیشتری از پرینت با ضخامت لایه‌های ۱۰۰ میکرون نیاز دارد. تکرارهای بیشتر (تعداد لایه‌های بیشتر) به معنای فرصت بیشتر برای خلق یک نقص و مشکل در روند چاپ هم هست. به عنوان مثال، حتی با احتمال موفقیت ۹۹٫۹۹ درصد در چاپ بی‌نقص هر لایه، چهار برابر کردن رزولوشن شانس موفقیت چاپ را از ۹۰ درصد به ۶۷ درصد کاهش می‌دهد (با این فرض که نقص در یک لایه قطعه نهایی را هم ناقص می‌کند).
ضخامت لایه‌های کمتر به معنای زمان چاپ طولانی‌تر و شانس کمتر برای چاپ موفق است.

آیا لایه‌های نازکتر همیشه موجب کیفیت پرینت سه بعدی بهتر می‌شوند؟

نه همیشه! این موضوع وابسته به مدلی که چاپ می‌شود و همچنین رزولوشن XY پرینتر است. در حالت کلی لایه‌های نازکتر به معنای زمان طولانی‌تر و شانس خطای بیشتر است. در بعضی موارد چاپ قطعات با رزولوشن پایین‌تر(به عنوان نمونه لایه‌های ضخیم‌تر) می‌تواند کیفیت نهایی چاپ بهتری را نتیجه دهد.

چه مواقعی لایه‌های نازکتر کمکی نمی‌کند؟

لایه‌های نازکتر معمولاً همراه با گذار روان‌تر در قطرها هستند که همین بسیاری از مصرف‌کننده‌ها را ترغیب به تنظیم پرینتر بر روی بیشترین حد رزولوشن در راستای Z می‌کند. ولی چه می‌شود اگر قطعه غالباً از لبه‌های عمودی و افقی تشکیل شده باشد، با زوایای ۹۰ درجه و قطرهای اندک؟ در آن موارد لایه‌های اضافی سبب افزایش کیفیت قطعه نمی‌شود.

از آنجایی که رزولوشن XY پرینتر ایده‌آل نیست و در هنگام روی هم قرار دادن لایه‌ها دچار خطا می‌شود، با افزایش تعداد لایه‌ها احتمال ایجاد خطا هم در قطعه نهایی هم افزایش می‌یابد. لایه‌های بیشتر به معنای لبه‌های غیرهم‌تراز بیشتر در هر صفحه است.

چه زمانی رزولوشن Z بالاتر را برگزینیم؟

در مواقع در اختیار داشتن یک پرینتر سه بعدی با رزولوشن XY خوب و یک مدل پیچیده و لبه‌های قطری زیاد، کاهش ضخامت لایه‌ها می‌تواند موجب ساخت قطعه‌ی با کیفیت‌تر شود. علاوه بر این اگر قطعه کوچک باشد(۲۰۰ لایه یا کمتر)، افزایش رزولوشن محور Z می‌تواند کیفیت چاپ را افزایش دهد.
از مزایای افزایش رزولوشن پرینتر سه بعدی در راستای Z برای طرح‌های خاص می‌توان به شکل‌های ارگانیک، انحناهای صیقلی، برجسته‌سازی‌های کوچک و حکاکی‌های پیچیده اشاره کرد.

ماکت کوچک کلیسا به عنوان یک مدل قطعه‌ی پیچیده که دارای انحناهای زیاد است و برای پرینت سه بعدی با رزولوشن Z بالا مناسب است.

از مزایای افزایش رزولوشن در راستای Z برای طرح‌های خاص می‌توان به شکل‌های ارگانیک، انحناهای صیقلی، برجسته‌ سازی‌های کوچک (Small Embossing) و حکاکی‌های پیچیده (Itricate Engraving) اشاره کرد. به عنوان یک دستورالعمل کلی هرچه تعداد لایه‌ها افزایش یابد شانس بروز خطا هم به تبعیت از آن افزایش می‌باید و فقط در مواردی که کاملاً ضروری است باید رزولوشن Z را افزایش داد. برای پرینتر مناسب و انواع خاص قطعات، با بالا بردن رزولوشن راستای Z می‌توان جزئیات ساخت جزئیات پیچیده‌تر را توسط پرینتر سه بعدی امکان‌پذیر کرد.