高分辨率3D打印機（三）：最高分辨率樹脂3D打印機
魔猴君 知識堂 206天前
大尺寸打印品上的超精細細節(jié)-Sonic Mega 8K輕松實現(xiàn)
樹脂3D打印機有不同的技術子類型，但都是通過一次一層選擇性地固化紫外線敏感液體聚合物來工作的。由于樹脂是水平固化的，然后層切片垂直升高（或垂直降低，具體取決于打印機），因此該技術可以同時進行XY和Z測量。
您可能熟悉以像素形式表示的二維XY測量值，例如手機屏幕的像素分辨率。在3D打印中，具有高度的像素或3D像素被稱為體素。
體素分辨率測量對于3D打印機并不常見，因為樹脂3D打印機的水平分辨率可能小于垂直分辨率。因此，大多數(shù)樹脂3D打印機制造商都提倡水平（XY）作為其機器的分辨率基準，例如Elegoo Jupiter 6K上的“51微米XY分辨率”，有時也提供Z分辨率。
事實上，樹脂3D打印機的Z分辨率很難進行明確的測量。大多數(shù)樹脂3D打印機制造商在其規(guī)格表上標注的層高(Z)數(shù)值在1到10微米之間。這意味著他們的Z軸步進電機（控制打印平臺板的機械部件）可以實現(xiàn)這些尺寸步驟。在理論上和在專業(yè)機器的實踐中，樹脂機器都能夠制作這些小層。然而，對Z分辨率的最大影響實際上是機器的光源和設置如何協(xié)同工作。
為了制作這些精細的層細節(jié)，您的樹脂必須吸收和阻擋適量的光來固化一層，但不能固化太深，以免影響多層。如果它固化得太深，那么您可能會出現(xiàn)“徹底固化”或滲色，并且您當前的層仍將暴露并聚合前一層的部分。因此，要實現(xiàn)小而可靠的Z分辨率，需要良好的樹脂（最好是速度較慢的樹脂）、完美的撥入設置、尖端形狀的光源以及z軸步進電機精度。
最后，像素大小是一個更容易測量和交流的指標，因此它正在成為分辨率的默認值。
在這里，我們來看看三種最常見的樹脂或還原聚合技術：LCD、DLP和SLA。
使用像素尺寸為19微米的Anycubic Photon Mono M5在此模型上實現(xiàn)精細細節(jié)（來源：Anycubic）
6K、8K、12K分辨率之戰(zhàn)
購買液晶顯示器(LCD)樹脂3D打印機（也稱為掩模立體光刻或MSLA）時，您會看到6K分辨率或12K分辨率的廣告。但是，這是什么意思？
首先，我們來看看液晶打印機的工作原理。LCD使用一系列UV LED作為光源，閃爍到LCD屏幕上（如下圖所示），LCD屏幕充當掩模，只讓某些區(qū)域的光線通過。穿過的光線形狀像3D模型的水平切片，并以該形狀固化構建區(qū)域上的樹脂。然后將該構建區(qū)域移動一層，以停止聚合物的額外固化，然后再閃爍固化到第一層的下一個2D層。最終，經(jīng)過許多層之后，3D物體就形成了。
更換Zortrax Inkspire樹脂3D打印機上的LCD屏幕，建議在大約200個工作小時后更換（來源：Zortrax）
對于LCD，屏幕的像素密度（即一英寸屏幕上有多少個微小的像素方塊）是打印水平分辨率的最重要因素。LCD像素密度除以屏幕面積就是打印機分辨率，也可以稱為像素尺寸。與您在3D打印機營銷材料中看到的相反，分辨率不是以LCD屏幕上的像素數(shù)來衡量的，例如4K、6K或8K。
例如，Phrozen Sonic Mega 8K的LCD屏幕寬度為7,700像素，深度為4,300像素。（名稱中的8K源于LCD的寬度幾乎為8,000像素。）要確定像素分辨率，您需要知道實際LCD屏幕有多大，因為僅僅知道寬度有多少像素并不能告訴您關于分辨率。像素不是一致的測量單位。如果您在100毫米寬的屏幕上排列7,700個像素，那么與在200毫米寬的屏幕上排列7,700個像素相比，您的像素會更小。
這就是為什么買家對“令人驚嘆的11,520 x 5,120分辨率”的說法感到如此沮喪的原因。
Phrozen Sonic Mega 8K的像素尺寸為0.043毫米，也可以表示為0.043毫米或43微米(μm)的水平分辨率。相比之下，Anycubic的Photon Mono X 6K的LCD屏幕有5,700個像素，但它的屏幕較小，因此其像素尺寸為0.034毫米。這意味著水平分辨率為34微米，比Mega 8K的分辨率更高。大型LCD打印機（例如打印體積為330 x 185 x 400毫米的Mega 8K）的分辨率通常低于較小的LCD打印機（例如Mono X 6K(197 x 122 x 245毫米)）。
因此，4K、6K或8K并不表示分辨率。相反，請查看像素大小，它通常被列為分辨率并用數(shù)字表示，例如22微米。
在Anycubic Photon上打印的相同曲面模型具有相同的層高和分辨率，但右側(cè)的模型已激活抗鋸齒功能，從而柔化了層線的外觀（來源：Anycubic）
了解3D打印中的抗鋸齒
透過LCD屏幕的光線呈正方形，再加上層高，形成立方體（或接近立方體）。實體模型上的效果是看起來像是用微型樂高積木制成的表面。然而大多數(shù)部分看起來比這要光滑得多，為什么呢？對于高分辨率3D打印機，立方體（也稱為體素）非常小，肉眼幾乎無法看到它們，但還有另一種技術在起作用，即抗鋸齒，這是打印機切片軟件的一項功能。
抗鋸齒用于數(shù)字攝影、計算機圖形和其他應用程序，以平滑由像素制成的任何媒體的邊緣。在3D打印中，問題在于控制照射到樹脂體素的光量或類型。如果光線小于全爆，則體素將不會變成完全固化的立方體，而是半圓形固化的橢圓形體素。如果完全固化體素的邊緣就像樓梯，那么抗鋸齒就像在每個樓梯上放置枕頭以呈現(xiàn)幻燈片的外觀。
在切片軟件中，您可以控制抗鋸齒量（也稱為灰度）和相關度量，例如模糊，即有多少外層將受到灰度的影響。太多的抗鋸齒和模糊，您的打印實際上會丟失細節(jié)。如果做得好，抗鋸齒和模糊（或像素處理工具）可以使您的打印件具有更好的整體視覺外觀，看起來分辨率更高。
抗鋸齒和模糊也與其他樹脂技術一起使用，例如DLP和SLA。
3D打印技術的內(nèi)部工作原理稱為數(shù)字光處理(DLP)，它使用投影儀將數(shù)字模型的橫截面照射到樹脂層上（來源：Asiga）
數(shù)字光處理(DLP)與LCD類似，但它不是使用光通過或阻擋的屏幕，而是使用高分辨率光投影儀（有時稱為“光引擎”）將光閃爍到一層樹脂。光引擎使用鏡子、透鏡，以及最重要的微芯片上的數(shù)字微鏡器件(DMD)，以3D模型的切片或橫截面的形狀投射UV光圖案。
您可能熟悉電影院或辦公室投影儀中使用的DLP投影技術。
3D打印中的DLP使用DMD，它由微小的鏡子制成，可以將光線引導到樹脂上，也可以將光線引導到側(cè)面并避開。每個方形鏡子代表投影圖像中的一個像素。
目前，在專業(yè)的DLP 3D打印機中，您會看到1920 x 1080像素的DMD芯片，也可以稱為全高清1080p或2K（因為像素數(shù)幾乎為2,000）。在一些消費級機器中，您會發(fā)現(xiàn)1280×720像素DMD芯片。順便說一句，您可能聽說DMD制造商德州儀器(Texas Instruments)計劃去年推出4K芯片。不幸的是，該公司不得不取消該DMD的預期批量生產(chǎn)，但預計將在2024年初推出新版本。這意味著我們可能會看到分辨率更高的DLP 3D打印機（或者更有可能是更大的DLP 3D打印機））將于2024年上市。
這些晶格結構3D打印自行車座墊是使用Carbon 3D打印機為自行車品牌Specialized生產(chǎn)的，是DLP樹脂技術的一個示例（來源：Carbon）
反射鏡陣列（或芯片）的密度是決定打印分辨率的主要因素，但還需要考慮投影儀到樹脂的距離。
大多數(shù)桌面DLP 3D打印機具有固定的XY分辨率（35至100微米之間），但有些允許您調(diào)整光引擎和樹脂層之間的投影距離。這個距離就像用手電筒在墻上制作皮影一樣，會影響可以實現(xiàn)的細節(jié)水平。
DMD上的鏡子反射的光穿過投影光學器件，幫助將光聚焦并形成光束。由于鏡子僅將光線引導到需要的地方，因此DLP可以產(chǎn)生比LCD更清晰的邊緣。對于LCD，微小的光線可能會在屏幕上被遮蔽的像素邊緣滲漏，而且屏幕永遠無法阻擋100%的光線。
DLP打印機還具有比大多數(shù)LCD打印機中的光源更高的光強度（高達16瓦），并且某些DLP打印機允許您調(diào)整光強度。
雖然高度精確，但方形像素中的光會產(chǎn)生鋸齒狀邊緣，而彎曲邊緣應該是所謂的階梯。LCD打印機中也存在這種情況。較小的物體在樓梯上的問題較少，但較大的零件可能具有明顯的體素邊緣。
邊緣越清晰，分辨率就越高嗎？不一定，但樓梯越清晰，您就越有機會使用抗鋸齒、模糊和另一種稱為像素移位的技術來操縱像素，以創(chuàng)建看似更高分辨率和更精細的特征和輪廓表示。事實上，一些打印機制造商聲稱打印分辨率為其像素大小的一半。
這怎么可能？什么是4K和8K DLP打印機？要回答這個問題，您必須了解像素移位。
Anycubic Photon D2 DLP 3D打印機光引擎內(nèi)的DMD芯片（來源：Zach Freedman，來自YouTube）
了解3D打印中的像素偏移
與抗鋸齒不同，像素移位（也稱為像素調(diào)整、擴展像素分辨率和擴展像素分辨率或XPR）并不純粹是一項軟件功能，它也是一項機械功能。這就是配備2K DMD芯片的DLP打印機可以聲稱具有4K或6K分辨率的原因。它也用于您可能知道的其他媒體，例如數(shù)碼相機，它提供比相機分辨率更高的高分辨率模式。
通過在每層之間稍微移動DMD的位置，單層會逐漸受到多次光曝光。這使得光能夠完全固化暴露于長時間光照（例如8秒）的像素區(qū)域，并部分固化接收較少光的像素區(qū)域。
您會看到這通常稱為子像素分辨率，而實際的像素分辨率稱為本機分辨率。某些打印機允許您為每個打印作業(yè)選擇本機或子像素分辨率。該技術通過在每個像素內(nèi)創(chuàng)建額外的數(shù)據(jù)點，有效地提高了投影圖像的表觀分辨率。
DLP 3D打印技術經(jīng)常被需要高分辨率和準確性的牙科專業(yè)人士使用（來源：Asiga）
通過使用這種雙向像素移位，具有2K DMD的DPL打印機可以聲稱具有4K分辨率。3D打印市場上還沒有真正的4K DMD芯片組，因此實現(xiàn)4K或更高圖像的唯一方法是通過像素移位。
例如，ETEC的Extreme 8K DLP機器采用機電系統(tǒng)，允許在其兩個2K DMD芯片（是的，該3D打印機中有兩個DMD）中的亞像素距離內(nèi)進行少量嚴格控制的運動，從而使其8K分辨率聲稱。Extreme 8K的XY像素尺寸（經(jīng)過像素調(diào)整）為100微米，高于某些LCD，但它具有更大的構建體積（450 x 371 x 399毫米），因此它可以產(chǎn)生非常大、非常高分辨率的圖像部分。
光引擎制造商In-Vision開發(fā)了這種3D打印機概念，在龍門系統(tǒng)上使用兩個或四個DLP投影儀，理論上可以生產(chǎn)巨大的樹脂部件（來源：In-Vision）
光引擎制造商In-Vision于2021年推出了一款DLP投影儀，據(jù)稱該投影儀可以生成8K圖像，因為它可以水平和垂直像素移動，但尚未將其集成到任何商用3D打印機中。
其他專業(yè)和工業(yè)DLP打印機擁有各種像素調(diào)整技術，例如Prodways的Movinglight或In-Vision的動態(tài)曝光，其中投影儀頭在建筑區(qū)域上移動，同時曝光樹脂。
Formlabs正在運行的SLA 3D打印機（來源：Formlabs）
立體光刻(SLA)是下一代樹脂3D打印機。它使用激光在樹脂桶表面追蹤零件的每一層。將激光視為手電筒，其中光束的寬度決定零件的細節(jié)。在激光技術中，這稱為激光點尺寸，它是決定SLA水平分辨率的因素之一。
另一個因素與控制引導激光的鏡子的機制有關。這些鏡面檢流計將激光引導到正確的坐標，將光線向上聚焦穿過槽底部并固化一層樹脂。您可以想象，一臺200美元的SLA 3D打印機比一臺100,000美元的SLA 3D打印機擁有更經(jīng)濟的檢流計設置。激光指向的準確程度對分辨率起著很大的作用。
XY分辨率再次成為SLA 3D打印機的基準。該分辨率是激光光斑尺寸和可控制激光束的增量的組合。例如，F(xiàn)ormlabs Form 3 3D打印機具有85微米光斑尺寸的激光器，但由于恒定的線掃描過程，激光器可以以更小的增量移動，并且打印機可以一致地打印具有25微米XY分辨率的零件。
這意味著即使激光光斑尺寸大于DLP像素尺寸，具有高質(zhì)量光學器件的激光機器也可以更準確地再現(xiàn)零件的表面。
大多數(shù)SLA 3D打印機都具有固定激光器，但有些打印機（例如3D Systems雙激光器SLA 750和Stratasys Neo系列）具有可變激光焦點，例如150至600微米，這使您能夠控制精細細節(jié)的放置位置那個部分。
大型樹脂3D打印機（例如Stratasys Neo 450）傾向于使用SLA技術，因為分辨率不太依賴于距光源的距離（來源：Stratasys）
那么，哪種樹脂技術的分辨率最高呢？
純粹的數(shù)字并不能說明全部情況，而且很難對樹脂3D打印機進行直線技術比較。在我們剛剛探討的三種樹脂技術中，相同分辨率的價格水平差異很大，這強調(diào)了這樣一個事實：打印質(zhì)量比分辨率更重要。
在選擇高分辨率樹脂打印機時，不同制造商（消費者、專業(yè)和工業(yè)）之間的差異比技術之間的差異更為顯著。購買樹脂3D打印機會考慮分辨率以及精度、速度、成本、材料選擇等。
編譯整理：ALL3DP
