Comparison: SLA vs DLP

Οι τεχνολογίες 3D εκτύπωσης SLA (laser-based Stereolithography) και DLP (digital light processing DLP ) ακολουθούν παρόμοιες αρχές, αλλά μπορούν να παράγουν σημαντικά διαφορετικά αποτελέσματα στα εκτυπωμένα αντικείμενα και είναι πολύ ουσιώδες να ξεκαθαριστούν διότι πολλοί κατασκευαστές ή πωλητές, από άγνοια ή συνήθως από δόλο παραποιούν την πραγματικότητα για να προωθήσουν τον εκτυπωτή τους…

Η κατανόηση των διαφορών σε κάθε μία διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης βοηθά στην κατανόηση του τι μπορεί να περιμένει ένας χρήστης από τις τελικές εκτυπώσεις του και πώς μπορεί να μεγιστοποιήσει αποτελεσματικά τις δυνατότητες κάθε τύπου μηχανής.

Η λέξη » stereolithography » προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «stereo», που σημαίνει στερεά, και «(photo)lithography «, η οποία είναι μια μορφή γραφής με το φως. Στην 3D εκτύπωση, η στερεολιθογραφία κάνει ακριβώς αυτό: δημιουργεί στερεά μοντέλα με φως. Η τεχνολογία SLA χρησιμοποιεί φως για να μετατρέψει την υγρή ρητίνη σε ένα στερεό αντικείμενο, ένα στρώμα(layer) τη φορά.

Εξ ορισμού, τόσο το SLA όσο και το DLP είναι τύποι στερεολιθογραφίας, αλλά η σχεδίαση ενός στρώματος με λέιζερ μπορεί να είναι εντελώς διαφορετική από τις προβαλλόμενες στρώσεις ως εικόνα. Ας δούμε τι ακριβώς σημαίνει αυτό.

Laser-Based SLA και DLP

Η ορολογία της βιομηχανίας που αντικατοπτρίζει τον όρο laser-based SLA, είναι “SLA”. Και για το SLA και για το DLP, μια δεξαμενή με φωτοδραστική υγρή ρητίνη εκτίθεται εκλεκτικά στο φως ώστε να σχηματιστούν πολύ λεπτά στερεά στρώματα(layer) που στοιβάζονται το ένα πάνω από το άλλο για να δημιουργήσουν ένα στερεό αντικείμενο.

A graphic showing the process for SLA and DLP 3D printers. In SLA, parts are built through selective exposure of liquid resin to light by a laser, in dlp by a projector. Layers are accumulated through these processes to build a solid object.

Το SLA χρησιμοποιεί δύο μοτέρ, γνωστά ως γαλβανόμετρα ή galvos (ένα στον άξονα Χ και ένα στον άξονα Υ), για να κατευθύνουν με μικρούς καθρέπτες γρήγορα και με ακρίβεια μια δέσμη λέιζερ στην περιοχή εκτύπωσης, στερεοποιώντας τη ρητίνη καθώς προχωράει. Αυτή η διαδικασία διασπά το σχέδιο, στρώμα με στρώμα, σε μια σειρά σημείων και γραμμών που δίδονται στα γαλβανόμετρα ως σύνολο συντεταγμένων. Με απλούς όρους το laser «σαρώνει» τις περιοχές που πρέπει να στερεοποιηθεί η ρητίνη και σταδιακά χτίζεται το επιθυμητό μοντέλο.

Το DLP χρησιμοποιεί μια συσκευή ψηφιακού προβολέα (ή LCD οθόνες στις νέες φτηνότερες υλοποιήσεις) για να προβάλει ολόκληρη την εικόνα κάθε στρώματος (layer) σε ολόκληρη την πλατφόρμα. Επειδή ο προβολέας είναι ψηφιακή οθόνη, η εικόνα κάθε στρώματος αποτελείται από τετραγωνικά εικονοστοιχεία (pixel), με αποτέλεσμα ένα layer να σχηματίζεται από μικρά ορθογώνια “τούβλα”, που ονομάζονται voxels. Με πιο απλά λόγια οι DLP εκτυπωτές προβάλουν φως με τα πίξελ να δημιουργούν μια μάσκα, με λευκό όπου πρέπει να γίνει πολυμερισμός, μαύρο όπου δεν πρέπει και το τελικό μοντέλο χτίζεται σχετικά γρηγορότερα λόγω ταυτόχρονης προβολή όλου του layer αλλά με τετραγωνισμένα στοιχεία.

A graphic showing the minimum laser spot size and rounded lines drawn by laser-based SLA, and the minimum pixel size and layers of reactangular voxels projected by DLP.

Το γεγονός ότι οι βασικές μονάδες των δύο διαδικασιών παράγουν διαφορετικά σχήματα καθιστά δύσκολη τη σύγκριση των διαφορετικών εκτυπωτών μόνο με αριθμητικές προδιαγραφές καθώς αυτές δεν περιλαμβάνουν ποιοτικά χαρακτηριστικά ούτε λαμβάνουν υπόψην πχ ότι ένα pixel size στα 70microns στην πράξη έχει χειρότερη ακρίβεια από ένα laser spot size στα 140microns μόνο και μόνο από το σχήμα τους! Για αυτό σε πολύ ακριβές DLP υλοποιήσεις, οι κατασκευαστές προσπαθούν να υπερκεράσουν αυτό το πρόβλημα με διάφορες τεχνικές όπως τη χρήση ενδιάμεσης φωτεινότητας pixels (γκρι) στα όρια των γεωμετρικών μοντέλων, σαν έναν τρόπο εξομάλυνσης και βελτίσωσης του φινιρίσματος και της ακρίβειας ώστε να πλησιάσουν αυτή του SLA.

Μέγεθος εκτύπωσης vs. Ταχύτητα SLA και DLP

Το DLP μπορεί να επιτύχει ταχύτερους χρόνους εκτύπωσης για ορισμένα αντικείμενα, καθώς κάθε ολόκληρο layer εκτίθεται ταυτόχρονα.

Αυτός ο ταχύτερος χρόνος εκτύπωσης ισχύει σε δύο περιπτώσεις. Για μεγάλες, πυκνές εκτυπώσεις, όπου η εκτύπωση θα γεμίσει μεγάλο μέρος της πλατφόρμας, κάθε layer εκτίθεται γρηγορότερα από ό,τι θα ήταν εάν σχεδιαζόταν σειριακά με ένα λέιζερ. Για πολύ μικρές εκτυπώσεις με πολύ λεπτομέρεια, μπορείτε να αλλάξετε τον φακό του προβολέα ανάλογα με τον όγκο κατασκευής, περιορίζοντας το και συνεπώς να χρησιμοποιήσετε μια μικρή ποσότητα φωτός για να χτίσετε πιο γρήγορα μικρά layer.

Aν και ταχύτερη, η εκτύπωση πλήρους όγκου με το DLP, θα υστερεί στην ανάλυση και το φινίρισμα της επιφάνειας καθώς όπως είδαμε πιο πάνω, το μέσο πολυμερισμού αυτής της τεχνολογίας είναι τετράγωνο. Αυτό βελτιώνεται όσο μικρότερο είναι το τραπέζι εκτύπωσης, γι’αυτό και οι πολύ καλοί DLP υψηλής ανάλυσης έχουν πολύ μικρό τραπέζι, καθώς μικραίνοντας το κάδρο προβολής, μικραίνει και το μέγεθος των τετράγωνων pixel.  Η ανάλυση DLP εξαρτάται από τον προβολέα(projector), ο οποίος ορίζει πόσα pixel / voxels διαθέτει. Για παράδειγμα, το full HD είναι 1080p. Ο προβολέας σε έναν 3D εκτυπωτή DLP πρέπει να επικεντρώνεται σε ένα μέγεθος εικόνας προκειμένου να επιτευχθεί μια δεδομένη ανάλυση Χ-Υ. Όταν θέλουμε μικρά εικονοστοιχεία(pixel), αυτό περιορίζει τη συνολική περιοχή δημιουργίας συρρικνώνοντας ολόκληρη την εικόνα, ουσιαστικά προβάλουμε το κάδρο μας από πιο κοντά στο τραπέζι εκτύπωσης, δημιουργώντας μικρότερη προβολή μεγαλύτερης πυκνότητας και άρα μικρότερο build size. Δηλαδή, μια λεπτομερής εκτύπωση σε έναν εκτυπωτή DLP πρέπει να χρησιμοποιεί μόνο ένα κλάσμα της συνολικής επιφάνειας κατασκευής και τα μεγάλα μοντέλα μπορούν να εκτυπώνονται μόνο με μια χαμηλότερη ανάλυση.

Αντίθετα, ένας laser εκτυπωτής μπορεί να έχει μεγαλύτερο τραπέζι εκτύπωσης, χωρίς να θυσιάζει ανάλυση.

A photo of a bed of 3D printed rings on a build platform.

 

Διαστατική ακρίβεια στο σύνολο της επιφάνειας

Οι βιντεοπροβολείς των DLP εκτυπωτών χρησιμοποιούν φακούς για να εστιάσουν το κάδρο πάνω στην επιφάνεια εκτύπωσης. Τα οπτικά αυτά έχουν διαφορετική συμπεριφορά ανάλογα με το αν μιλάμε με το κέντρο ή τα άκρα της επιφάνειας εκτύπωσης καθώς συνήθως υποφέρουν από βαρελοειδή παραμόρφωση στα άκρα του κάδρου. Αυτό μεταφράζεται σε μείωση της ακρίβειας στην περίμετρο του τραπεζιού ενός DLP εκτυπωτή σε σχέση με το κέντρο. Αυτό για να λυθεί απαιτεί πολύ ακριβούς φακούς ή αντιστάθμιση μέσω περίπλοκων υπολογισμών στο λογισμικό. Επιπρόσθετα εαν το τραπέζι εκτύπωσης είναι μεγάλο, ενδέχεται να υπάρχει και ανομοιογένεια στην κατανομή του φωτός, με τα άκρα να δέχονται λιγότερο (κάτι πολύ πιο εμφανές στους LCD εκτυπωτές, το φθηνότερο παρακλάδι των DLP όπου η φωτιστική πηγή είναι συνήθως μικρότερη σε εμβαδόν από την LCD, με αποτέλεσμα τα άκρα να έχουν χαμηλότερη φωτεινότητα.

Οι SLA εκτυπωτές έχουν καλύτερη συμπεριφορά στα άκρα, η απόκλισή τους από την γωνιακή προβολή της δέσμης laser είναι υπαρκτή αλλά πολύ μικρότερη και εύκολα αντισταθμίσιμη.

 

Φινίρισμα επιφάνειας: Voxels και Layer γραμμές

Επειδή τα αντικείμενα στην 3D εκτύπωση είναι κατασκευασμένα από στρώματα, οι 3D εκτυπώσεις έχουν συχνά ορατές, οριζόντιες γραμμές του στρώματος καθώς αυτές αποτελούν τον τρόπο κατασκευής του μοντέλου. Ωστόσο, επειδή το DLP παράγει εικόνες χρησιμοποιώντας ορθογώνια voxels, υπάρχουν επίσης ορατές και κάθετες γραμμές.

Παρατηρήστε αυτές τις γραμμές στην παρακάτω φωτογραφία. Αναζητήστε κάθετες γραμμές στην επιφάνεια των εκτυπώσεων DLP και θυμηθείτε πως κάτω από το μοντέλο υπήρχε ένα πλέγμα από pixels που προέβαλαν κάθετα την πληροφορία εκτύπωσης..

An image of a DLP part that shows voxel lines.

Οι DLP 3D εκτυπωτές παράγουν τις εικόνες χρησιμοποιώντας ορθογώνια voxels, τα οποία προκαλούν ένα εφέ με κάθετες γραμμές. Σε αυτήν την εικόνα, δείτε τις κατακόρυφες γραμμές καθώς εμφανίζονται στα αριστερά και στη δεξιά εικόνα εμφανίζονται στο πλάι.

Επειδή η μονάδα είναι ορθογώνια, τα voxels έχουν επίσης επίδραση στις καμπυλωτές άκρες. Σκεφτείτε να φτιάξετε ένα στρογγυλό σχήμα από τούβλα Lego – οι άκρες θα εμφανιστούν τμηματικά σαν “σκαλί” και στον άξονα Z και στο επίπεδο X-Y.

A graphic illustrating the stepped voxel effect from above and the side.

Το ορθογώνιο σχήμα των voxels κάνει τα καμπυλωτά σχήματα να εμφανίζονται τμηματικά. Η αφαίρεση της εμφάνισης γραμμών στα layers απαιτεί μετα-επεξεργασία, όπως λείανση.

Αντίθετα, η χρήση Laser SLA επιτυγχάνει πολύ πιο ομαλές και καθαρές επιφάνειες καθώς η ακμή του laser είναι στρογγυλή. Και η κίνηση των γαλβανόμετρων είναι τόσο ακριβείας που οδηγεί το laser στο να επιτύχει πολύ μεγάλη ακρίβεια παρόλο που πολλές εταιρείες δείχνουν απλά σε πινακάκια τη σύγκριση μεταξύ του μεγαλύτερου laser spot size σε σχέση με το μέγεθος ενός pixel. Αυτό κρύβει την αλήθεια που είναι ότι σπάνια χρησιμοποιείται ένα μονό pixel σαν ελάχιστο φωτεινό σημείο, αλλά συστοιχία με pixel, άρα η σύγκριση δεν είναι σωστή και επιπλέον ποιοτικά υπάρχει τεράστια διαφορά μεταξύ στρογγυλού και τετράγωνου pixel.

 

Αφού διαχωρίσετε τις διαφορές στην τεχνολογία και στα αποτέλεσμα που θα πάρετε από την κάθε μία, είναι πολύ πιο εύκολο να επιλέξετε μια λύση 3D εκτύπωσης που ταιριάζει καλύτερα στις ανάγκες σας σε σχέση με το αποτέλεσμα που θέλετε να έχετε. Σε αυτή την περίπτωση, είναι σημαντικό να καταλάβετε τι φινίρισμα χρειάζεστε από τις τελικές εκτυπώσεις, καθώς και το μέγεθος και την πολυπλοκότητα των αντικειμένων σας. Εδώ είναι μερικές γενικές οδηγίες για ποιοι τύποι αντικειμένων είναι καλύτεροι για DLP και SLA:

 

DLP

SLA

Σε υλοποιήσεις με μικρό τραπέζι παρέχουν μέγιστη
ανάλυση ακόμα και σε πολύ μικρά και πολύπλοκα
σχέδια με λεπτές δομές.
Δυνατότητα για μεγαλύτερο τραπέζι εκτύπωσης χωρίς υποχωρήσεις στην ανάλυση αλλά με λίγο μεγαλύτερο χρόνο εκτύπωσης όταν έχουμε πολλά μοντέλα ταυτόχρονα.
Γρήγορες εκτυπώσεις μεγάλων τμημάτων αλλά με
υποχωρήσεις στο φινίρισμα.

Μεγαλύτερο κόστος κτήσης για
μεγαλο τραπέζι εκτύπωσης

Μείωση ακρίβειας στα άκρα του τραπεζιού

Μεγάλη ποικιλία ρητινών, πιο εύκολη χρήση ρητινών
άλλων κατασκευαστών με ρύθμιση της
έκθεσης προβολής

Λεπτομερείς μεγάλες εκτυπώσεις με πολύ καθαρές επιφάνειες

Πιο μεγάλο build size με μικρότερο κόστος.

Καλύτερη διαστατική ακρίβεια σε όλο το τραπέζι.

Μεγάλη ποικιλία ρητινών ακόμα και τρίτων κατασκευαστών αλλά λίγο πιο σύνθετος τρόπος ρύθμισής τους.

 

Ο καλύτερος και πιο προσιτός επαγγελματικός Laser SLA 3D Printer στον κόσμος αυτή τη στιγμή είναι φυσικά ο Formlabs Form 2.