垂直的實驗室儀器市場,，如何利用3D打印直接進行生產(chǎn)？

來源：上海復志信息技術(shù)有限公司

Laboratory Technologies Inc. (LTI)是一家領(lǐng)先的實驗室輻射儀器制造商,，自1983年以來,，它一直為美國及海外實驗室提供輻射儀器。LTI主要服務于全球包括核實驗室在內(nèi)的專業(yè)化小型實驗室,。

高成本的金屬加工,，限制了產(chǎn)品設計

LTI的口碑產(chǎn)品包括Genesys100系列、Gamma 1 Single Well系列的伽馬計數(shù)儀,，以及Wiper系列擦拭測試計數(shù)器,。

在以往的生產(chǎn)過程中，LTI的產(chǎn)品采用的是機械加工模式,，由于制作技術(shù)的原因,，產(chǎn)品在進行設計時遇到一些限制，導致一些較為復雜的線條設計難以實現(xiàn),。

計數(shù)器外殼的制作相對簡單，只需將一整塊冷軋鋼切割成設計的形狀和尺寸即可。但探測器的制作卻較為復雜,。為了保護探測器中心晶體參數(shù)不被損毀,，需要在外圍設置一層保護裝置。制作保護裝置首先需要對實心鋼管進行打孔,，制作出完全貼合中心晶體尺寸與輪廓的中空結(jié)構(gòu),。其次，為了保障密封性,，在鋼管的另一端還需要再焊接一塊鋼板,。從機械加工工藝來說，制作這種結(jié)構(gòu)復雜的零件難度較大,，需要用到的工具較多,，因此加工成本也較高。

3D打印技術(shù)擴寬了設計的自由度

為了控制生產(chǎn)成本,，不再單純依靠昂貴的機械加工工藝,，在綜合考慮之后，LTI決定嘗試采用3D打印技術(shù),，代替高成本的機械制造,。經(jīng)過對比與測試不同3D打印品牌產(chǎn)品后，LTI最終選購了Raise3D Pro2 Plus大尺寸3D打印機,。

Pro2 Plus的電動升降雙噴頭擠出系統(tǒng),，支持打印復雜的機械部件。大尺寸打印倉,，可以實現(xiàn)大尺寸零件的一次性打印,。同時，Pro2 Plus最高溫度可達300℃的加熱能力,，可以兼容多種打印材料,。在對不同材料以及品牌進行試驗后，LTI最終發(fā)現(xiàn)Polymaker PolyMax™ PC材料是最合適用作其產(chǎn)品的3D打印材料,。

在選擇了合適的3D打印設備以及線材后,，LTI利用3D打印定制化的優(yōu)勢，制作出從前用鋼鐵難以實現(xiàn)的復雜設計,。例如,，將外部加強板傳統(tǒng)的直角設計改為更為現(xiàn)代化的圓角設計。

當LTI將3D打印部件與原本機械工藝生產(chǎn)的部件進行比較時,，他們發(fā)現(xiàn)圓角設計不僅美化了外觀,，還在一定程度上增加了產(chǎn)品的安全性，可以避免直角在發(fā)生沖撞磕碰時造成的傷害,。

在傳統(tǒng)的機械加工工藝中,，制作圓角設計需要使用到大量的刀架操作技術(shù)以及更先進的解決方案,，因此難以實現(xiàn)，同時,，成本也更高,。這就是為什么LTI在產(chǎn)品設計方面一直受限的原因，但在引進3D打印技術(shù)之后,，這個問題得到了解決,。產(chǎn)品設計師可以設計出更美觀，性能更強大的產(chǎn)品,。

圖 舊版計數(shù)器外形設計（左） vs 新版外形設計（右）

由于3D打印幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)任何形狀的打印,，且無需更換額外的制作工具，這使得LTI的產(chǎn)品開發(fā)過程變得更加順暢,。無論是產(chǎn)品的外殼還是組裝槽,，抑或是通風口等帶有功能性的特征，都可以使用CAD軟件精確制作出數(shù)字模型,，然后再使用3D打印機制作完成,。

圖 3D打印機制作的備件成品

在這個零件開發(fā)高速更新?lián)Q代的年代，能實現(xiàn)定制化制作的Raise3D打印機不僅可以完成各種復雜設計的生產(chǎn),，同時還具有良好的用戶體驗,。Raise3D Pro2 Plus雖然可以實現(xiàn)大尺寸打印，但機器整體的尺寸卻并不龐大,，無需占用過大的空間,，可以置放在任何空間。正如LTI將其置放在生產(chǎn)線旁邊,，以方便工程師在打印過程中更好的觀察生產(chǎn)過程,，及時檢查生產(chǎn)中或許會出現(xiàn)的問題。

圖 辦公室中正在運行的Raise3D打印機

功能強大的3D打印軟件可將打印過程“最優(yōu)化”

LTI利用Raise3D的切片軟件ideaMaker中多參數(shù)可調(diào)的特性,，對自己模型的打印過程進行靈活的優(yōu)化,，尤其在實現(xiàn)最佳的外觀質(zhì)量和尺寸精度方面。LTI從ideaMaker的模板庫中選擇了0.1mm層高的選項,，高精度的設置可以使產(chǎn)品尺寸更精確,，外觀也相對更細膩。

在保持尺寸精度的同時,，LTI充分利用了ideaMaker中可隨意調(diào)配材料配置文件的優(yōu)點,，通過優(yōu)化打印參數(shù)，可以降低材料的收縮率,。因為熱脹冷縮的原理,，噴嘴擠出線寬的實際值和理論值存在差異，ideaMaker則允許用戶從多個角度來控制材料的擠出過程,，來控制打印過程,。通過控制打印參數(shù)來改善實際模型的效果,。

選擇合適打印材料的重要性

在測試了不同的3D打印材料后，LTI發(fā)現(xiàn)聚碳酸酯(PC)是制作其產(chǎn)品的最佳選擇,。但在測試不同品牌的PC材料時,，LTI發(fā)現(xiàn)并不是所有的PC線材的表現(xiàn)性能都相同。在經(jīng)過反復測試之后,，LTI最終選擇了Polymaker PolyMax PC作為自己產(chǎn)品的3D打印線材。

在現(xiàn)有的工業(yè)級3D打印線材中,，PC因其優(yōu)異的抗沖擊性能和高剛度成為具有良好力學性能材料的首選,。PC打印件可以吸收沖擊，防止產(chǎn)品變形或開裂,。除了PC本身的這些特性外,，作為Raise3D開放式耗材項目(OFP)之一的PolyMax PC能更好的適應Raise3D打印設備，易于擠出,，表現(xiàn)性穩(wěn)定,，不易發(fā)生曲翹。LTI發(fā)現(xiàn),，3D打印的PC部件不僅和原來的冷軋鋼具有同樣的高抗沖擊性,，PC的密度還遠遠低于冷軋鋼。

圖 由PolyMax™PC打印的功能汽車千斤頂

對于伽馬計數(shù)器和Wiper的擦拭測試計數(shù)器來說,，UL防火等級很重要,。Polymaker的PolyMaxPC具有良好的阻燃性。

3D打印件的后處理

在獲得打印件后,，LTI還需要對其進行后處理,，使成品表面更光滑，美觀,。后處理步驟主要為：用砂紙對打印件初步打磨5-10秒,，以消除表面毛刺。然后再在外部表面涂上底漆,，以填補打印機擠壓造成的小角落和裂縫,。待漆面干燥后，用砂紙輕輕打磨30-60秒,，再擦拭干凈,。最后，在表面涂上一層錘打漆,，經(jīng)過這樣的后處理后,，整個成品帶有金屬質(zhì)感。

圖 后期處理前（左）vs 后處理后（右）

3D打印有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量,，降低生產(chǎn)成本

經(jīng)過幾個月的開發(fā),，LTI通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品優(yōu)化,。通過重新設計結(jié)構(gòu)，使用Polymaker PC打印制作的新外部加強板與原本的冷軋鋼一樣堅固,，但重量卻輕了9.5公斤,。原因是PC的密度只有1.2克/cm3，而冷軋鋼的重量是7.8克/cm3,。PC材料足足輕了6倍之多,。在生產(chǎn)成本方面，使用3D打印后,，LTI將成本減少到了原有的1/4,，其中，材料成本更是縮小到原本的6%,。