SLA 3D 列印 - 像素尺寸如何影響精度、特徵尺寸、表面光潔度

3D 列印解析度是一個經常被討論但經常被誤解的話題。 3D 列印技術的多樣性和製造商數量的不斷增加使問題變得更加複雜。遮罩光固化 (MSLA) 3D 列印機的推出，使用 LCD 螢幕選擇性地遮蔽光線，以便僅固化未被遮蔽的液態樹脂的預期區域，這為解析度增添了新的一層爭論。 MSLA 3D 列印機因其快速列印高品質零件的能力而變得非常受歡迎。 

LCD 螢幕的解析度通常是透過其長軸上的像素數來衡量的，大眾透過手機、電視和平板電腦中數位螢幕的普遍使用而熟悉這一指標。他們將強調像素數和單個像素大小結合起來——像素越小，解析度越高。 

然而，儘管重點關注像素數或單一像素大小，但大多數 3D 列印使用者關心的是 3D 列印的有形結果：表面光潔度、尺寸精度和最小特徵尺寸。儘管像素大小是創造這些結果的一個因素，但它們取決於一系列因素，例如材料屬性、光學設定、機械一致性等。 

透過列印和分析來自 Form 4（桌面型 MSLA，50 µm 像素尺寸，10 吋 4K 螢幕）、Form 3+（雷射 SLA，85 µm 光斑尺寸）和列印機 C（桌面型 MSLA，28 µm 像素尺寸，9 吋 8K 螢幕），我們將證明這種常見的解析度指標不會對有形列印零件的結果產生直接影響。

儘管 Form 4 的單一像素尺寸比一些競爭對手更大，但測試結果表明，與像素尺寸較小的MSLA 3D 列印機相比，它的表面光潔度、尺寸精度和最小特徵尺寸即使不是更出色，也能達到相當的水平。找到正確的平衡點還使我們的團隊能夠針對客戶真正關心的其他指標優化 Form 4 — 更快的速度、更好的可靠性以及顯著更長的組件使用壽命。

輸出特性：對於 3D 列印零件真正重要的是什麼

列印機設計（包括作為輸入的像素大小）會影響列印零件的三個主要特性。這些特性——表面光潔度、最小特徵尺寸和尺寸精度——是可測量和標準化的，但由於它們受到製程和組件的複雜組合的影響，因此更難報告。稍大的像素尺寸並不重要，重要的是它所遮蔽或穿透的光的品質、一致性和均勻性。  

這些特性中的每一個都會受到系統、光學、材料、列印過程及其參數的幾乎每個關鍵方面的顯著影響。不可能將單一系統輸入參數直接與單一輸出相關聯，除非作為限制。  

例如，像素或光斑大小設定了水平面中正特徵大小的下限（即，不能有一個小於像素或光斑大小的正特徵）。然而，通常情況下，由於多種因素（例如剝離力），最小特徵尺寸最終會遠大於此限制（通常遠大於 100 µm）。 

解析度輸入

樹脂 3D 列印機配備雷射（雷射驅動的 SLA）、數位光投影機 (DLP) 或光處理單元（最常見的是 LCD 螢幕），可選擇性地遮蓋 LED 組 (MSLA) 等光源。

雷射驅動的 SLA 3D 列印機通常具有非常高的解析度，因為雷射可以在 XY 平面內精確控制，且光斑尺寸較小。然而，這些特性只是一個輸入 - 實際的最小特徵尺寸仍然受到多種因素的影響，因此測量結果與不使用雷射的專業 MSLA 列印機相當。此外，雷射驅動的 SLA 列印機通常列印時間較慢，因為需要在整個層上追蹤雷射點。 

在 DLP 3D 列印中，XY 解析度由像素大小定義 - 投影機可以在單層內再現的最小特徵。這取決於投影機的解析度（最常見的是全高清 (1080p)）及其與光學視窗的距離。因此，大多數桌上型 DLP 3D 列印機具有固定的 XY 分辨率，通常在 35 至 100 微米之間。

DLP 3D 列印機的解析度隨著成型體積的增加而降低，因為沒有可用的投影機具有更多的像素。因此，製造商必須在相同像素數的情況下增加與光源的距離，從而導致解析度和列印品質下降。

像素大小和點擴散函數 (PSF)

表面光潔度、特徵尺寸和精度受到 3D 列印機及其製程的每個部分的影響。像素大小等單一輸入可以設定在現實情況下看不到的理論下限。例如，雖然理論上 80 微米的像素或雷射光斑尺寸可能是固化單一正向特徵（如圓柱銷的直徑）的限制因素，但剝離力會拉扯零件並導致其失效，從而使這些銷釘的最小直徑約為500 微米。 

在使用 LCD 螢幕遮光的 MSLA 3D 列印機中，投影到樹脂上的實際影像通常比原始像素大得多且更加漫射。這種效果稱為點擴散函數 (PSF)：原始或理想化影像因投影過程而變得模糊的方式。因此，對於 MSLA 列印機來說，像素的大小並不重要，重要的是光線照射到樹脂上時的功率分佈和形狀。 

將 Form 4（透過由 50 µm 像素組成的 LCD 螢幕投射的光）與 Form 3+（來自光斑尺寸為 80 µm 的雷射器的光）的 PSF 進行比較時，PSF 影像顯示 Form 4 的光是集中且直接，最高能量緊密聚集在像素中間。 

▲將Form 4 的點擴散函數(PSF) 與Form 3 系列的點擴散函數(PSF) 進行比較時，可以看到這兩款列印機都產生高度集中的光，聚集在像素或雷射點的中心，從而直接轉化為高分辨率。 

測試結果與結論

表面處理

表面光潔度很重要 - 它不僅影響零件的外觀和感覺，還影響該零件如何適合現有組件或作為模具執行。表面光潔度可以透過肉眼測量－零件的光滑程度，也可以透過表面輪廓儀 (Ra) 測量來測量。除了像素或雷射光斑尺寸之外，影響表面光潔度的驅動輸入還包括 Z 軸層高、樹脂的光學特性以及中間層（剝離和擠壓）製程的一致性。 

肉眼看來，它們的表面光潔度幾乎無法區分。曲面顯得光滑，邊緣銳利，正反面或雕刻特徵輪廓清晰。浮雕文字細節豐富，易於閱讀，表面上均勻凸起。

	列印機 A：Form 4 MSLA 50 微米像素尺寸
	列印機 B：Form 3+ 85 µm 光斑尺寸
	列印機 C：MSLA 28 微米像素尺寸 9吋8K螢幕

尺寸精度

尺寸精度，或零件與原始文件測量值的匹配程度，對於可重複性和零件成功非常重要。如果列印機無法產生預期的幾何形狀，則零件將無法在其預期的設定中發揮作用。尺寸精度在某些應用中非常重要，例如牙科或正畸模型，其中掃描文件的完美再現以及患者的解剖結構對於手術的成功至關重要。 

精度透過卡尺、座標測量機 (CMM)、3D 掃描儀、塞規或其他配合測試來測量。除了像素或雷射光斑尺寸之外，影響尺寸精度的驅動因素還包括列印溫度、機械重複性和光學一致性。

如掃描結果所示，較小的像素或雷射光斑尺寸並不能直接轉換為更好的尺寸精度。對於具有「較大」單光點的列印機來說，牙科模型的尺寸幾乎完全準確：儘管列印機 C 的像素尺寸較小，但 Form 4 的牙科模型比列印機 C 的更準確。 

作為性能指標的特徵尺寸是指最小特徵尺寸，或 3D 列印機可以產生的最小尺寸特徵。此特徵尺寸將根據它是雕刻特徵、壓花特徵、正極線或負極孔或通道而變化。這些功能可以透過簡單的通過/失敗測試或使用卡尺、CMM 或 3D 掃描儀來測量。 

如上所述，像素尺寸或雷射光斑尺寸似乎是單一正片特徵的簡單衡量標準，但列印製程的現實意味著沒有列印機能夠生產單一像素大小的單一正片特徵 — 20 µm、30 µm、50 µm 或80 µm。相反，影響最小特徵尺寸的因素是溫度、機械重複性和光學一致性。

列印機 A：Form 4 MSLA 50 微米像素尺寸
	▲關鍵尺寸測量與理想值的絕對誤差 (mm)：長度 (0.72)、寬度 (0.22)、凸起特徵寬度 (0.12)、凸起特徵最小長度 (0.06)	▲與理想值相差 50 μm 以內的表面百分比：95.5%
列印機 B：Form 3+ 85 µm 光斑尺寸
	▲關鍵尺寸測量與理想值的絕對誤差 (mm)：長度 (0.44)、寬度 (0.42)、凸起特徵寬度 (0.16)、凸起特徵最小長度 (0.09)	▲與理想值相差 50 µm 以內的表面百分比：82.1%
列印機 C：MSLA 28 微米像素尺寸 9吋8K螢幕
	▲關鍵尺寸測量與理想值的絕對誤差 (mm)：長度 (0.38)、寬度 (0.30)、凸起特徵寬度 (0.07)、凸起特徵最小長度 (-0.05)	▲與理想值相差 50 µm 以內的表面百分比：53.9%

如照片所示，Form 4 提供了一些最佳的最低功能。每台列印機都很難完成全套負通道，但 Form 4 清楚地輸出了五個通道中的四個，而 Form 3+ 和列印機C 只輸出了五個通道中的三個。 

無支撐的牆壁對於每台列印機來說都是困難的，因為牆壁的直立程度各不相同。每台列印機都以最厚的厚度創建了完美的無支撐牆，而 Form 4 則繼續創建了以下相對直立的四面牆。列印機C 的無支撐牆壁隨著變薄而完全倒塌。儘管這些列印機在測試模型的不同位置出現問題，但故障與較小或較大的像素或雷射點尺寸無關。可以推斷，最小特徵尺寸是多種因素的函數，包括印刷製程機制和樹脂特性。

	列印機 A：Form 4 MSLA 50 微米像素尺寸
	列印機 B：Form 3+ 85 µm 光斑尺寸
	列印機 C：MSLA 28 微米像素尺寸 9吋8K螢幕

簡化 SLA 3D 列印中的解決方案爭論

儘管製造商很容易將像素尺寸吹捧為 3D 列印解析度的最終目標，但事實（以及現實世界的影響）更為複雜。 

解析度不僅取決於光線穿過 LCD 螢幕或從雷射或光投影機發出時的大小和形狀。它還取決於光的 PSF、印刷製程、機械一致性和樹脂的光學特性。在談論表面光潔度、特徵尺寸和尺寸精度的結果時，應將解析度視為一個輸入。借助這些資訊和觀點，3D 列印使用者可以評估哪種列印機最適合他們的特定需求。 

在設計 Form 4 光處理單元時，Formlabs 仔細評估了像素尺寸、速度、可靠性和組件壽命的權衡。不意味著妥協－這是對力量和速度的投資。 

若要了解更多關於 Form 4 的資訊，歡迎聯繫台灣天馬科技，由專人為您服務。