融資五億元做的3D列印機 (1)

資料來源:ZOL 3D打印/ 作者:宋達西/ 責編:王征,連結:http://3dp.zol.com.cn/736/7363824_param.html

3D打印領域有這樣一家初創企業,它的創始成員有過硬的教育和技術背景,它設立第二年就引爆市場,一夜躥紅;成立九年來屢獲資本青睞,融資超過1億美元,令無數創業家艷羨不已;估值達到10億美元(截至20188月消息),成為3D打印行業的獨角獸——這就是在光固化3D打印分支中獨辟蹊徑的Formlabs。那麼問題來了,是什麼樣的技術和產品讓它實現了如此快速的增長?最新的3D打印機和技術又是怎樣的?今天我們就來近距離接觸Formlabs旗下最新款桌面型光固化3D打印機Form 3

成長歷程 瘋狂的兩個半小時

        開始寫這篇文章的時候,我莫名就想起了《冰與火之歌》中的龍媽丹妮莉絲,每次跟新朋友認識之前總要報上長長的一大串名號。那麼要瞭解Form 3 3D打印機,我們也不妨從它的締造者Formlabs的歷程說起。

Formlabs由三名麻省理工MIT的學生於2011年聯合創立,創始者分別是Maxim LobovskyNatan LinderDavid Cranor。三人在麻省理工媒體實驗室上課的共同經歷、在MIT比特原子製造中心的項目經歷,促使他們想要創造一台在桌面上能高精度3D打印、並且廉價的打印機。於是2011Formlabs在美國馬薩諸塞州薩莫維爾市正式成立。大眾創業、萬眾創新,在美國高度成熟的商業社會中這樣的創業公司多如牛毛,儘管Formlabs的創始成員擁有過硬的教育、工程和設計背景,他們在那一年還是非常不起眼。

在2011年Formlabs公司成立

直到2012年也就是創立的第二年,Formlabs迎來了自己龍蛋孵化的那一刻。20129月,Formlabs第一款桌面式光固化3D打印機Form 1上線Kickstarter開啓眾籌,Formlabs把它描述為一款「為專業創客打造的高精度、買得起的3D打印機」。設定10萬美元的眾籌額度,僅僅兩個半小時就達成目標;在接下來的短短三個星期之內總計籌得約294.6萬美元,成為由眾籌起家、爆炸式發展的創業明星。或許連他們自己都沒有想到這樣的結果,因為Formlabs在博客中形容「這是瘋狂而令人興奮的三周」,當時的員工包含創始人在內還只有區區12個人。

2012年Form1 3D列印機開啟眾籌 大獲成功(圖片取自kickstarter)

大約一年之後,Formlabs開始發貨旗下第一款SLA光固化3D打印機Form 1,陸續向全球30多個國家交付了超過1000台。聯合創始人Natan Linder認為,對於眾籌起家的Formlabs來說,用戶就是衣食父母,所以眾籌結束之後Formlabs繼續提供支持,並且不斷革新來「打造一款能夠改變世界的3D打印機」。眾籌成功但很快走向倒閉的創業公司不勝枚舉,或許對用戶負責到底的精神,是Formlabs成長到今天這樣規模的重要原因之一。

接下來的幾年印證了Formlabs的執行力。2014年推出升級版3D打印機Form 1+,改進了速度、打印質量和可靠性,解決初代機型中用戶反饋的問題;2015年研發出第二代3D打印機Form2,實現了更大的成型尺寸和可更換的樹脂盒;2017年開發了Form Wash清洗機和Form Cure固化機,實現更完善的打印後處理,提升打印件的性能和表面質量;2017年開闢了全新的Fuse 1選擇性激光燒結SLS 3D打印機,燒結尼龍粉末,開拓新的領域。20194月,研發最新的光固化3D打印技術LFSLow Force Stereolithography),大幅度改進了激光入射角度和每層的剝離過程,並推出Form 3/3L兩款最新的3D打印機。

第一代Form1列印機

第二代Form2 3D列印機

伴隨著不斷迭代升級的3D打印系列產品,Formlabs也多次贏得風投的青睞。Formlabs2013年獲得1900萬美元A輪融資,2016年獲得3500萬美元B輪融資,20184月獲得3000萬美元C輪融資,20188月獲得1500萬美元D輪融資。截至2018年底,Formlabs總計獲得超過1億美元投資,估值達到10億美元,成為名副其實的獨角獸,並拓展包括中國區在內的亞太市場。於是順理成章有了本次的3D打印機試用和測試,而且是最新款Form 3喲。

當回顧Formlabs成長歷程的時候,對於創業之初的Formlabs元老而言最激動人心的恐怕還是眾籌上線的那兩個半小時。在2015年的一篇官方博客文章中,Formlabs坦言堅持「良好的設計、以簡單為首要目標,並且不斷迭代3D打印機原型」的理念,贏得了用戶也贏得了回報。

那麼就讓我們一起來看一下在「一個小目標」基礎上做出的最新款3D打印機——Formlabs Form 3,究竟怎麼樣。

傾聽用戶聲音 打造智能設備

        Form 3正如其名,已經是Formlabs第三代光固化3D打印產品。在2012年眾籌開始的時候,Formlabs就建立了官方論壇,吸引了一大批工程師、設計師、創客、3D打印愛好者,在這裡不僅有3D打印的技術分析、體驗和分享,也有3D打印技術支持和問題解決板塊,而Formlabs工程師在論壇中為用戶解答疑惑、解決問題。

幾乎沒有人能從一開始就做出完美的產品。Formlabs通過論壇廣泛收集用戶的問題和建議,在一代、二代機型用戶體驗的基礎上打造了幾乎全新的第三代光固化3D打印機Form 3Form 3相比前代的Form 2機身尺寸略大一些,為40.5 × 37.5 × 53 cm,不過仍然屬於桌面型的3D打印機,可以輕鬆放置在辦公桌或工作台上;梯形的機身獨具Formlabs的設計風格。

        Form 3採用了最新的LFS 3D打印技術,可以認為是SLA光固化技術的進化版。在一代和二代機型上,Formlabs都採用了SLA技術——利用激光束照射液態的光敏樹脂表面,而光敏樹脂在一定波長和功率的光線照射下會迅速發生光聚合反應,分子量增大,從液態變成固態;當計算機精確控制激光照射的路徑時,就能固化出特定的形狀,再一層一層形成立體的物品。SLA技術並非Formlabs首創,早在19843D Systems公司的創始人Chuck Hull就發明瞭SLA 3D打印技術並獲得了美國專利授權,並陸續推出了工業和商用的大型SLA 3D打印機。

SLA列印技術原理 圖片取自於druckwege.de

Formlabs的貢獻在於,將SLA 技術以小型化、低成本的方式在桌面上實現,正如他們最初創業時的願景。不過顯然Formlabs的技術實力不止於此,而是繼續研發了創新的LFS技術來改進桌面光固化3D打印的精度和過程。在Form 3上引入了光處理單元LPULight Processing Unit),在X軸方向上依靠步進電機驅動整個LPU移動,也就是說光源是可以移動的;在Y軸方向上依靠一個電子振鏡和一個弧面反光鏡來移動光束,從而實現激光光斑的入射角度始終垂直於樹脂液面,使得光斑在各個位置上更均勻,固化單元更精確、細緻;而前代SLA技術是固定光源下,依靠一組電子振鏡控制光束掃描位置,難免形成傾斜的入射角,從而影響固化的均勻程度。這是LFS技術的重大創新之一。

另外相比FDM 3D打印技術400微米-800微米直徑的噴嘴,SLA技術的光斑更小,通常在100-200微米,因此SLA技術在精度和模型表面細節方面具備天然的優勢。而LFS技術進一步將光斑控制在85微米的超精細水平,進一步提升了模型表面質量和精細程度。

還有一個問題,就是固化每一層完成之後都需要剝離以避免樹脂與樹脂槽的粘連,而如何既保證足夠的固化強度、又使固化層更容易與樹脂槽剝離,成為了光固化3D打印製造商普遍面臨的問題;這也是用戶反饋期待Formlabs能實現的突破。LFS技術採用了柔軟的薄膜用作樹脂槽的底面,並且拉伸展平成為樹脂固化的平面,既保證了固化速度和強度,又使已經固化的一層更容易剝離,從而在打印速度上也有所提升。

 查閱資料顯示,在Form 3Formlabs還使用了多達20個傳感器來提升3D打印機的智能和自動化程度。水平傳感器檢測打印機水平校准,樹脂餘量傳感器可估計樹脂盒的剩餘樹脂量,液位傳感器檢測樹脂槽中的樹脂平面,刮板傳感器檢測刮板工作狀態,還有激光功率傳感器、樹脂槽傳感器、進料傳感器等等,實現自動補充適量樹脂、每次打印前自動攪動並均勻混合樹脂等功能。大大減少人工的干預,提升自動化水平,同時提升3D打印成功率。

        相比SLA技術,LFS技術的優點在於LPU設計帶來具備各項一致性的3D打印件,更小更精確的光斑帶來了更高的細節精度;柔軟薄膜帶來的剝離性能大大改善、固化速度有所提升;以及移動的LPU意味著更大尺寸的成型體積(因為SLA是固定光源,面積越大意味著激光傾斜角越大、精度越低),大尺寸的Form 3L就是最好的例子。

        相比DLP 3D打印技術,由於精度受到DMD芯片分辨率的影響,再加上DLP技術專利所有權由德州儀器TI獨家掌握,因此DLP打印效果小而精、大則粗糙,無法實現大尺寸的成型;而LFS技術在小、中、大面積的尺寸上都能實現高精度3D打印。當然DLP的優點也源自它的整面曝光特點,打印速度相比SLALFS技術都快了不少。

        相比LCD 3D打印技術,由於LCD 是近幾年誕生的新的光固化技術,因此解決方案成熟度遠不如SLALFS,並且光源對不同樹脂類型的兼容性也沒有後者好;另外由於LCD蒙版導致光效率不如SLALFS,因此在固化速度和打印速度方面LCD技術也沒有優勢。

        相比FDM 技術,LFS技術在精度和模型表面質量方面有較大的優勢,尤其是在精度要求更高的牙科模型、珠寶首飾蠟模領域,LFS相比FDM 技術來說是不可替代的。

        接下來我們來一一展示Form 3 3D打印機及相關附件和配件,更全面地認識它。

細緻周到 認識Form3家族

        Form 3 3D打印機的主機、樹脂槽、樹脂盒、打印底板以及後處理套件都是獨立包裝的,有十幾個紙箱。第一次測試全新的Formlabs 3D打印機,拆箱的過程竟然也有了雙12拆快遞包裹的期待感和成就感。

Form3拆除包裝

就是長這個樣子

Form 3 3D打印機主機去除包裝,放置在比較平整的辦公桌或者工作台上,避免強烈的陽光照射;普通辦公室室內照明是沒有問題的,在之後的使用過程中幾乎不會對光敏樹脂造成影響。打開上蓋,下部黑色的工作倉內,右側藍色封裝帶固定的是光處理單元。由於這是個移動部件,因此運輸途中牢靠固定以避免晃動。

工作倉右側兩個螺母依次擰下,取下藍色的封裝帶並取下固定LPU的金屬條。注意:這些附件都不要扔,保存起來;當需要再次長距離運輸或快遞打印機時,按照原樣重新固定LPU,這一點很重要。藍色封裝帶上也說明瞭這一點。

LPU光學膜組 深色罩子的部分是光源

        把打印底板去除包裝,插入打印機上部的托臂,並按下卡扣,正好固定打印底板。

安裝成型平台

樹脂槽的拆封有些講究,好在包裝上明確了安裝方式。打開上蓋並去除藍色封裝帶,雙手握住兩側的把手,從底盒中取出樹脂槽。注意:手一定不要觸碰樹脂槽底部的薄膜,保持薄膜的乾淨平整,連指紋和灰塵都不要留下,否則可能導致固化質量下降、打印失敗等問題。也就是說樹脂槽底部的薄膜很嬌氣,要小心保護。

將樹脂槽放入打印機下部的工作倉,略微調整位置正好卡入,再稍用力向里推入使樹脂槽固定牢靠。樹脂槽一角有芯片與打印機的觸點位置對應,可以作為參照;這裡也需注意:向里推入樹脂槽的操作必不可少,否則可能導致芯片沒有準確入位,在打印過程中打印機識別「樹脂槽缺失從而停止打印。將包裝中的刮板把手向左側、金屬片向下,放置在樹脂槽上並向左推入卡口,並且刮板固定在樹脂槽左側。

雙手握住兩側把手 不要碰觸底面

將刮板推入樹脂槽左側卡口

取出樹脂盒,拆除上部和底部的橙色膠帶,插入3D打印機後部的耗材倉。按壓樹脂盒頂部的圓蓋露出氣孔用以通氣,以便在打印過程中樹脂可以順利注入樹脂槽。到這裡Form 3 3D打印機就安裝完成了。

所有的光固化3D打印機都需要在打印完成後,再處理一下模型上殘餘的樹脂;Formlabs官方提供了手工的後處理套件,包括兩個清洗盒和一些拆除模型、支撐的工具,以及幾十雙可降解的橡膠手套。當然這些不是必買的,也可以自己採購類似的東西。

另外還有兩樣神器——Form WashForm CureForm Wash用於自動清理殘餘樹脂、自動晾乾;使用之後發現它類似一個小號的波輪洗衣機,只不過是用來洗3D打印模型的。

  Form Cure則用於深度固化3D打印模型,提升表面質量,提升材料強度等物理性能;我們可以把它理解為一個小烤箱,把模型再烤一烤進行深度加工。至於這兩樣神器要不要買、如何發揮它們的價值,後文我們再詳細解析。

其實這麼多附件和配件,有點超出了我們的想象,也足以見得Formlabs為用戶的使用考慮得細緻周到。每一樣配件包裝箱中都有簡單的一頁或幾頁紙,這是快速使用指南,幫助我們快速上手,在這裡我們也推薦每一個Form 3買家認真閱讀,絕對事半功倍。

PreForm軟件 真正傻瓜版

        不只是3D打印機硬件,包括3D切片和打印軟件PreForm也可以用簡單易用來形容,貫徹了Formlabs」以簡單為首要目標「的理念。

        在官方網站formlabs.com下載最新版軟件PreForm並執行默認安裝。在中國區已經比較好地支持中文語言界面,對於本土用戶來說比較貼心。中間是虛擬的Form 3 3D打印區,鼠標滾輪可縮放方便查看,鼠標右鍵按住拖拽可旋轉視角。左側圖標是快捷設置區,右側是打印機狀態、打印詳情和適印性列表。用過其它3D打印機的朋友對這種佈局應該也會非常熟悉。

我們重點推薦的是左側圖標欄的第一項」一鍵打印「,即使從來沒有用過光固化3D打印機,在導入3D模型之後也不需要任何設置,點擊」設置打印件「之後等待片刻,就可以把任務發送到Form 3 3D打印機上了。而且在虛擬打印區還可以看到模型的模擬效果,直觀簡單,真正傻瓜式3D打印。

當然這裡也要解釋一下,光固化3D打印通常不直接3D打印模型,因為固化層和打印底板粘連非常牢固,以至於打印完之後很難把模型拆下來,甚至會意外破壞模型完整;通常的做法是添加支撐和底墊,使模型懸空,從而更容易取下並清理。PreForm把這些都考慮在內,通過一鍵打印功能自動計算3D模型合適的傾斜角度、位置並自動添加支撐和底墊,最後再自動切片。使用者需要做的只是等待片刻,把打印任務發送到Form 3即可,就非常簡單了。

自動生成支撐材 並顯示「可列印性」

與之搭配使用的是PreForm右側的適印性檢查,當3D模型底部緊貼打印底板、支撐缺失、傾斜角度不理想等可能導致打印失敗的情況出現時,會自動告警並提醒使用者檢查3D模型;而當適印性最佳是則亮起綠色大拇指,也就意味著Form 3將會很好地完成3D打印任務啦!

「可列印性」與否的檢查 可以幫助提升列印的成功率

點擊右上角的3D打印機信息,可以選擇打印機列表、查看當前的樹脂類型和打印狀態,以及設置打印層厚度。這裡白色通用樹脂層厚支持兩種,分別是快速打印(100微米)和最高分辨率(50微米),可自主選擇。

 

另外還有一點貼心之處,就是當安裝PreForm軟件的計算機與Form 3在同一個辦公局域網內時,PreForm軟件自動發現3D打印機並獲取狀態,我們在打印機列表中直接就能看到,不需要再搜索、添加,更省事兒。

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