融資五億元做的3D列印機 (2)

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

多種樹脂 面向豐富行業應用

從最初的面向桌面3D打印高精度模型,到現在面向快速原型、打樣、珠寶、牙科、特種陶瓷等多行業應用,Formlabs的多種樹脂材料使其3D打印機的用途越來越廣泛,也完全消除了人們對於桌面3D打印只用來製作普通塑料件的看法。

我們拿到了四種不同的樹脂材料進行試用

Formlabs目前有超過20種不同類型的樹脂,包括通用樹脂、工程樹脂、珠寶樹脂、牙科樹脂、陶瓷樹脂等品類,其中某些樹脂還具備多種用途。

豐富的樹脂材料類型

黑白灰的通用樹脂可用於快速原型和模型製作,也支持後期處理、上色;透明樹脂可用於光學、燈光照明組件,也可用於開模;快速樹脂可用於快速打印大尺寸大體積且表面細節要求不高的樣件,提升效率;彩色樹脂可混合出豐富的本體色彩而無需後期上色,可用於製作彩色樣件。

還有一些樹脂具備更強的物理或化學性能,滿足特殊的樣件需求。工程灰樹脂(Grey Pro Resin)打印件撓曲模量為2.0GPa,拉伸模量為2.6GPa,延展率為13.0%;可用於概念建模或功能原型,適合用來製作一致性測試樣件、注塑零件原型、母模、工裝夾具等。

高強度樹脂(Rigid Resin)經過經過玻璃復合強化,撓曲模量達到3.7GPa,拉伸模量達到4.1GPa;打印件具備高剛度和光滑的表面,並且不易變形;可用於製作扇葉、夾具、工具、歧管、電器外殼、汽車零件殼體等。

類PP樹脂(Durable Resin)打印件則擁有低模量、高延展率和衝擊強度,並且具備光滑、低摩擦系數的表面,可用於製作消費品外包裝、襯套、嵌合件、噴壺活塞等。

高韌性樹脂(Tough Resin)的打印件結實又耐用,可用於製作需要一定強度的功能原型、卡扣件、組裝件等,尤其適合需要對部件施以短期的壓力或拉力之後恢復原狀的功能或性能測試。

柔性樹脂(Elastic Resin)打印件邵氏硬度為50A(數字越小硬度越低),既柔軟又具備良好的彈性,可以彎曲或壓縮,適合用來製作穿戴設備原型、醫護用品、機器人的順應性部件、特效道具等。

彈性樹脂(Flexible Resin)打印件邵氏硬度為80A,兼具強度和彈性,與此可類比的是汽車橡膠輪胎的邵氏硬度通常為70A;這種打印件具備亞光黑色的柔軟表面;可用於製作軟墊、減震設施、人體工學的穿戴設備原型、把手、握柄等。

耐高溫樹脂(HighTemp Resin)打印件在238攝氏度高溫下不軟化變形,可用於製作熱水或蒸汽的處理工具、耐熱的殼體或夾具、塞子等等。

Formlabs工程類樹脂 物理特性圖

珠寶首飾專用的澆鑄石蠟樹脂,打印件精細細膩、細節豐富,且用於失蠟法鑄造充分燃燒無殘留,可製作精美的貴金屬首飾、珠寶。這也是Formlabs經營多年的領域,擁有成熟的解決方案。

牙科樹脂又有六種細分種類,可用於製作手術導板、夾板、展示模型、義齒、牙齒蠟模、牙齒矯形器具等等,簡化齒科診療方式,縮短治療和康復週期。

3D打印齒科模型用於教學或診斷

3D打印可澆鑄的齒科蠟模 用於製作金屬義齒

3D打印齒科手術導板

可以說光固化3D打印機的質量和性能是基礎,而樹脂材料品類和性能才是決定商業應用價值的關鍵因素。Formlabs通過研發、收購和實驗性合作,不斷豐富樹脂類型、改進樹脂性能,才有了今天成功的3D打印應用案例。後文我們再結合樹脂材料,為讀者朋友們做一些介紹。

印後處理 Form WashCure是否必要

起初我們拿到Form 3的時候包含了手工印後處理套件,也存在著一個疑問:既然打印完已經可以手工處理,那麼同為印後處理工具的Form Wash Form Cure是否必要呢?

使用一段時間之後我們得到了答案,就是非常必要。樹脂件打印完成之後表面還沒有完全固化,處於比較軟的狀態;即使手工清洗完畢,觸摸起來還有略微黏黏的感覺。而再經過Form Cure繼續固化之後,打印件硬度和強度都進一步提升,區別比較明顯。當然Form Wash套件可以設定時間自動清洗,節省了手工的工作量,也比較好用。

這兩樣配件用起來也很簡單。為Form Wash注入8-1090%濃度以上的異丙醇IPA,這是一種電子行業常用的清洗劑,用來清洗電路板或清潔掃描鏡頭,也是Formlabs官方推薦的清洗劑;我們使用了95%的乙醇酒精,與玩家和從業者交流也發現使用高濃度酒精是比較普遍的情況,不易購買異丙醇的讀者可以使用高濃度酒精代替作為清洗劑。注意:異丙醇屬於易燃的危險化學品,購買和使用需要遠離火源並做好防護措施,建議咨詢經銷商獲得使用指導。

Form Wash清洗中

由於已經清洗五個打印件因此箱體中的清洗劑明顯渾濁;對於頻繁打印的重度用戶或要求精確高質量表面細節的用戶,建議一台Form 3 3D打印機配兩台Form Wash進行二次清洗,並且使二次清洗的Form Wash酒精中的樹脂濃度保持在1-2%較低水平。

通電之後將打印件放入清洗劑中,根據材料清洗指南設定時間並啓動,Form Wash底部的波輪自動旋轉,類似波輪洗衣機的原理;到時間之後自動升起打印件並控乾,就清洗完成了

每次清洗完成之後,在清洗劑溶液中放入浮子(液體比重計),來觀察評估清洗劑中樹脂的濃度。當樹脂濃度超過5%時,繼續使用會在模型表面留下比較明顯的樹脂殘留,此時Formlabs官方建議更換全新的清洗劑。

接下來用Form Cure加強固化。將金屬網倒扣放入Form Cure並放入清洗完畢的打印件,根據材料固化指南設定固化時間和溫度,啓動再固化過程。Form Cure內部有兩組405納米光源與Form 3LPU光源波長相同,可以對打印件進行再固化;底部轉台則使打印件的再固化更加均勻。同樣根據樹脂類型不同等待5分鐘到2小時不等的時間,取出打印件就完全處理完畢了。

Form Cure固化中 仔細看有藍色的燈光照射打印件

固化完成

根據我們的使用經驗,由於3D打印花費的時間遠超過清洗和後固化用時,因此對於工作室、商業機構而言2-4Form 3 3D打印機搭配一套Form Wash Form Cure是沒有問題的,把錢花在刀刃上。

●3D打印效果 四種不同樹脂

來看使用Form 3打印白色一般樹脂、高韌性樹脂、耐高溫樹脂、快速樹脂的打印件效果。打印時好像打印底板從樹脂槽中將模型拔出來,完成後取下打印底板並安裝在手柄上,用撬板工具撬下附著在底座上的模型;實際使用發現底座四周是翹起來的,方便撬動,比較容易取下模型。

成型平台裝在手柄上固定

使用撬板插入並略微用力撬起

之後使用手工處理套件或Form Wash清洗模型表面殘留的樹脂,用附件中的斜口鉗去除支撐和底墊;再用Form Cure參照樹脂材料固化手冊進行再固化。Bingo!打印件就全部完成,可以使用了。

手工處理套件清洗殘留樹脂 使用Form Wash清洗效果更佳

使用白色通用樹脂打印一體化測試模型,10/20/30mm立柱打印完整清晰,形狀均勻、表面細膩。

一體化測試模型3D打印效果 模型來自thingiverse

10/20/30mm高度立柱 模型來自thingiverse

X/Y方向上的10/20/30mm長度立壁均勻完整,形狀清晰明確,具備很高的成型質量。打印2/5/10/15/20/25mm跨橋結構全部完整清晰,懸空的橋梁平整均勻,效果不錯。

10/20/30mm長度立壁 模型來自thingiverse

另一個方向的10/20/30mm長度立壁 模型來自thingiverse

跨橋3D打印效果 模型來自thingiverse

打印4/6/8/10mm空心圓筒形狀完整,內壁、外壁均清晰乾淨。打印4/6/8mm圓孔乾淨利落,形狀均勻;打印4/3/2mm寬度的長方形孔也有類似的效果。

空心圓筒3D打印效果 模型來自thingiverse

打印立壁上的縫隙,多條縫隙寬度均勻一致,準確還原數字模型。打印10/20/30/40/50/60/70/80/15/45/75度懸空斜面都沒有問題,斜面上表面和下表面平整均勻,沒有凹凸或斷裂。總體而言Form 3打印一體化測試模型表面細膩,形狀還原出色,肉眼幾乎看不出層紋,效果上佳。

縫隙3D打印效果 模型來自thingiverse

15/30/45/60/75度懸空斜面 模型來自thingiverse

10/20/30/40/50/60/70/80度懸空斜面 模型來自thingiverse

我們還使用白色通用樹脂打印了埃菲爾鐵塔模型,大約12cm高、5.4cm見方,塔內部縱橫交錯的骨架清晰明確,塔尖的四角形結構和圓球均準確還原,包括塔二層細小的圍欄也基本完整清晰,打印質量非常出色,甚至超出了我們的想象。以至於同事們看到之後紛紛要求打印出來作為禮物贈送給他們。

埃菲爾鐵塔3D打印效果 模型來自thingiverse

二層細小的欄桿結構也比較完整 模型來自thingiverse

塔尖細節清晰 模型來自thingiverse

使用高韌樹脂打印拼裝的夾子,打印效果細膩,夾子強度也比較好,而且具備磨砂的半透明效果。高韌樹脂的打印件具備1700Mpa的拉伸膜量,經過再固化處理後更可提升至2700MPa,擁有較強的抗壓性和抗拉伸性,不易變形,適合做卡扣、外殼、夾具等需要承受一定作用力的部件。

高韌樹脂3D打印拼裝夾子 模型來自thingiverse

使用耐熱樹脂打印水杯蓋,形狀清晰完整,表面細膩光滑,杯子泡茶、衝速溶咖啡的時候正好蓋在杯子上。也具備磨砂半透明的效果。耐熱樹脂在238攝氏度和0.45MPa條件下不軟化變形,用於製作處理熱水或蒸汽的工具、零件原型完全沒有問題,更理想的應用是試制注塑模具、熱風槍管口等需要良好耐熱性能的部件。

耐高溫樹脂列印杯蓋 檔案來自thingiverse

熱水 注意上方還有蒸氣

用作杯蓋

用耐高溫樹脂列印注塑模具

使用快速樹脂打印工具掛板上的鑽孔夾具,層厚精度設定為300mm,打印過程僅花費一個多小時,相比其它樹脂效率提升10倍以上,用於較大的樣件原型尺寸測量、形狀迭代、夾具設計再合適不過。

快速樹脂3D打印鑽孔夾具 模型來自thingiverse

鑽孔夾具用來給工具板均勻打孔 圖源thingiverse

最後我們還使用白色通用樹脂打印了來自病患口腔真實掃描的下頜齒模,清洗並再固化之後良好地還原了3D數字模型的真實效果。需要說明的是Form 3有專門針對齒科應用的專用樹脂,層厚精度最高達到25微米,用於手術導板、義齒、牙齒蠟模、牙齒矯形器具、教學模型等專業齒科應用,3D打印效果更優於此處白色通用樹脂的效果。

病患口腔真實掃描下頜齒模 3D打印效果

由於時間關係我們沒有進行量化的3D打印效率測試,在這裡做個概化的描述。3D打印軟件PreForm自動設定角度、添加支撐和底座、切片的效率是比較快的,切片後上傳到Form 3根據3D模型大小和複雜程度需要花費幾分鐘到十幾分鐘不等的時間,這也和測試中使用的無線網絡網速有關;開始打印後Form 3準備樹脂槽、補充樹脂花費時間較短,開始固化後切片首層固化時間較長,應該是為了首層與打印底板更好的附著性,避免剝離時與底板脫離,提升打印成功率。

3D打印測試模型用時一覽

測試中打印的模型用時都在幾個小時到十幾個小時的水平,較大的打印件在下班前啓動打印,第二天上班基本就能收穫打印成品;效率可以接受。而快速樹脂打印速度最快,僅用時1小時20分鐘,在精度要求不高的快速原型迭代應用方面具備優勢。

本次測試3D打印的模型全家福

最後有幾點需要說明的事項。一是光敏樹脂有毒性,可能對皮膚造成刺激,在拆卸或清理打印件、收納樹脂槽和樹脂盒過程中應避免直接接觸,需要佩戴後處理套件中的黑色橡膠手套;二是Formlabs樹脂耗材均經過了EC安全等級認證,不需要特殊環境,可以與其他辦公用品一樣在普通辦公室環境中使用;三是Formlabs樹脂降低了揮發性,測試的四種樹脂只有快速樹脂有較明顯的氣味,另外三種在3D打印機上蓋閉合的情況下幾乎沒有氣味。

整個試用和測試的過程中,PreForm軟件操作簡單快捷,Form 3 3D打印機自動化、智能化程度較高,沒有出現任何打印失敗的情況,打印質量非常出色;更換樹脂盒和樹脂槽的過程中偶爾出現樹脂槽刮板異常、進料異常的情況,也可以通過觸摸屏快速瞭解打印機狀態、排除異常並恢復打印。是比較簡單好用的。

應用案例 Formlabs挖掘潛能

光說不練假把式,其實Formlabs 的光固化3D打印硬件和材料解決方案已經在多個行業開始應用,包括建築、藝術設計、音頻、牙科、教育、工程、娛樂、醫療、珠寶、製造等多個領域。2017New BalanceFormlabs合作,利用回彈樹脂(Rebound Resin)生產3D打印中底,並用在全新的990 Sport TripleCell跑鞋上,而這時一種全新開發的專用樹脂材料。Formlabs根據用戶需求和使用反饋開發新型樹脂材料,並實現商業價值。

New Balance 990S跑鞋採用Formlabs 3D打印中底

TACK設計工作室在Formlabs的幫助下大大提升交付效率。過去TACK設計工作室用普通的通用樹脂打印設計樣件,大約花費10小時,每天每個3D打印機生產一件;儘管相比外包加工而言已經快了不少,不過還是有更快的辦法——Formlas研制出快速樹脂(Draft Resin),同樣的設計零件現在只需要2個多小時就能打印出來,效率提升了四倍。

快速樹脂為設計樣件提速

在大眾消費品領域同樣不乏應用案例。吉列利用Formlabs Form 2 3D打印機為顧客提供個性化的剃須刀柄定制服務,推出Razer Maker系列剃須刀;目前已經有48種不同形狀和材質的剃須刀柄供消費者選擇。設計師從仿生學、建築學和工程技術中汲取靈感,創作出獨特的剃須刀柄形狀,而傳統製造很難實現的形狀,現在吉列波士頓總部只需要使用Form 2 3D打印機就能製造出來,而且直接用於最終產品。

吉列利用Formlabs方案直接3D打印刮鬍刀柄

個性化的造型和材質

此外Formlabs的合作方還包括Google、Sony、TESLA、Ford、哈佛大學等等,Formlabs利用SLA&LFS 光固化3D打印技術為設計和生產提供更高的效率和更強的解決方案。

試用總結:試用和測試Form 3 3D打印機大約十天時間,已經給我們帶來很多驚喜,不過還遠遠沒有挖掘出它的潛能。在此我們總結出以下的優缺點:

優點:

1,高精度,打印件表面非常細膩,形狀塑造能力強,細微的細節還原準確,在50微米以上精度打印的情況下肉眼看不出層紋;

2,快速上手,PreForm軟件和Form 3硬件均有第一次使用嚮導,按照嚮導提示很快能夠完成初裝和設置,開始3D打印;

3,簡單易用,Form 3的多個傳感器使它成為一款智能、人性化的桌面3D打印機,通過聲音告警和彩色觸摸屏的提示可以準確瞭解到3D打印機的工作狀態,並快速排除意外的異常狀況,大大減少人工干預;

4,操作直觀,彩色觸摸屏用起來類似智能手機,簡單易懂;如果後續能夠加入中文語言支持就更好了;

5,豐富的樹脂材料,大大擴展了Form 3的應用範圍;目前我們測試的樹脂材料和打印件僅僅是冰山一角,它的應用前景非常廣闊;

6,極高的穩定性,在使用過程中沒有出現打印失敗的情況,穩定性好、打印成功率非常高,是給力的桌面製造工具;

7,豐富的後處理套件,使用手工處理套件、Form Wash Form Cure能夠完善地對打印件進行深度處理,而且用起來也比較簡單;推薦設計、製造、工程等商業用戶採用Form Wash Form Cure

8,豐富的連接性,Form 3支持USB、有線網絡、無線網絡連接,並且設置開啓後可支持遠程打印,接入友好;

9,辦公室環境友好,不需要特殊的電氣或安全環境,普通辦公室就可以使用,結合第八條能實現隨時隨地的快速桌面製造;

缺點:

1,個別樹脂槽的刮板安裝後,打印時會出現脫落的現象而暫停打印,需要手工調整刮板位置並重新安裝到位;

2Form WashForm Cure不能與軟件聯網,沒有更直觀的任務完成通知;

3Form 3 3D打印機觸摸屏不支持中文語言界面。

尤其是對於設計、工程、製造、牙科等商業應用而言,會是一個給力的生產工具。加上Formlabs在中國區已經實行和正在路上的樹脂耗材優惠策略,我們可以用「真香」兩個字來作為本文的結尾。

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