垂直的實(shí)驗(yàn)室儀器市場,，如何利用3D打印直接進(jìn)行生產(chǎn),？

來源：上海復(fù)志信息技術(shù)有限公司

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

高成本的金屬加工,，限制了產(chǎn)品設(shè)計(jì)

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

在以往的生產(chǎn)過程中，LTI的產(chǎn)品采用的是機(jī)械加工模式,，由于制作技術(shù)的原因,，產(chǎn)品在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到一些限制，導(dǎo)致一些較為復(fù)雜的線條設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn),。

計(jì)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(shè)計(jì)的形狀和尺寸即可。但探測器的制作卻較為復(fù)雜,。為了保護(hù)探測器中心晶體參數(shù)不被損毀,，需要在外圍設(shè)置一層保護(hù)裝置。制作保護(hù)裝置首先需要對實(shí)心鋼管進(jìn)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(jī)械加工工藝來說，制作這種結(jié)構(gòu)復(fù)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(kuò)寬了設(shè)計(jì)的自由度

為了控制生產(chǎn)成本,，不再單純依靠昂貴的機(jī)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(jī)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(jī),。

Pro2 Plus的電動(dòng)升降雙噴頭擠出系統(tǒng),，支持打印復(fù)雜的機(jī)械部件。大尺寸打印倉，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的一次性打印,。同時(shí),，Pro2 Plus最高溫度可達(dá)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(jìn)行試驗(yàn)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(shè)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)。例如,，將外部加強(qiáng)板傳統(tǒng)的直角設(shè)計(jì)改為更為現(xiàn)代化的圓角設(shè)計(jì),。

當(dāng)LTI將3D打印部件與原本機(jī)械工藝生產(chǎn)的部件進(jìn)行比較時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)圓角設(shè)計(jì)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(shí)造成的傷害。

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

圖 舊版計(jì)數(shù)器外形設(shè)計(jì)（左） vs 新版外形設(shè)計(jì)（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(fēng)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(jī)制作完成。

圖 3D打印機(jī)制作的備件成品

在這個(gè)零件開發(fā)高速更新?lián)Q代的年代,，能實(shí)現(xiàn)定制化制作的Raise3D打印機(jī)不僅可以完成各種復(fù)雜設(shè)計(jì)的生產(chǎn),，同時(shí)還具有良好的用戶體驗(yàn)。Raise3D Pro2 Plus雖然可以實(shí)現(xiàn)大尺寸打印,，但機(jī)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(shí)檢查生產(chǎn)中或許會(huì)出現(xiàn)的問題。

圖 辦公室中正在運(yùn)行的Raise3D打印機(jī)

功能強(qiáng)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(jìn)行靈活的優(yōu)化,，尤其在實(shí)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(xiàng),，高精度的設(shè)置可以使產(chǎn)品尺寸更精確,，外觀也相對更細(xì)膩。

在保持尺寸精度的同時(shí),，LTI充分利用了ideaMaker中可隨意調(diào)配材料配置文件的優(yōu)點(diǎn),，通過優(yōu)化打印參數(shù)，可以降低材料的收縮率,。因?yàn)闊崦浝淇s的原理,，噴嘴擠出線寬的實(shí)際值和理論值存在差異，ideaMaker則允許用戶從多個(gè)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(shí)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(shí)，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(fù)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(xué)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(xiàng)目(OFP)之一的PolyMax PC能更好的適應(yīng)Raise3D打印設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷軋鋼。

圖 由PolyMax™PC打印的功能汽車千斤頂

對于伽馬計(jì)數(shù)器和Wiper的擦拭測試計(jì)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(jìn)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(bǔ)打印機(jī)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(gè)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(gè)月的開發(fā),，LTI通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品優(yōu)化,。通過重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使用Polymaker PC打印制作的新外部加強(qiáng)板與原本的冷軋鋼一樣堅(jiān)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%,。