3D打印機測評

POSTED BY DANNY CHOO On 周日 2014/01/19 21:09 JST in 娃娃

如果你們有一直關注末永未來智能娃娃,那應該知道3D打印技術在製作過程中扮演了非常重要的角色。

今天就讓我們來看看Formlabs的Form1 3D打印機是如何參與娃娃的製作。

坦白說,自從在2012年10月份的時候,加入了Kickstarter的集資活動,我就沒想過還會收到這個打印機 —— 一年後,依然沒有如何打印機被郵寄的跡象,Formlabs也只是回覆“稍後會郵寄” —— 而且過了一陣子,他們似乎也懶得回覆我們了。比如,我在2013年2月支付了390美金的郵費後,收到的這封電郵明明清楚寫道會馬上郵寄,我卻什麽也沒收到。

可是,Formlabs依然非常友善地贈與了我一些折扣券來購買樹脂 —— 用於我根本沒收到的打印機。可能他們是覺得我會買來喝吧 ^^;。

一年後,一個聯邦快遞員就突然出現在我面前,并收了我30000 yen的進口稅。終於收到了一個大箱子 —— Form1打印機。

收到From1的時候,我已經通過位於神樂坂的Digimode 3D印刷服務打印了一批樣本 ><。

幸好未來還需要一些配件。此後,我們都在使用Form1來製作配件的樣本。小配件在外頭印刷的成本大約是300美元,但用自己的打印機只須5到10美元樹脂成本。

擁有自己的3D打印機確實讓整個製作過程加快,成本也降低了。

我們在設計的時候,使用了一系列的3D軟件 —— Autocad Inventor、SolidWorks、Maya、3ds Max以及ZBrush。我們會將STL(STereoLithograph)格式的數據導出,然後再以Form1軟件「PreForm」打開 —— 可同時兼容Mac和Windows。

手部下面的灰色物體是由軟件生成的易剝離性支撐(Support Structure)。

這個軟件的操作相當簡單 —— 只需幾下點擊就能改變模型的方向和生成易剝離性支撐。數據處理好之後,只需用USB數據線連接電腦和Form1,選擇打印即可 —— 將數據上傳至打印機後就可以斷開與電腦的連接。

這是隨Form1打印機一起寄來的Form Finish Kit
儘管立體成型(Stereolithography)技術打印出來的東西非常細緻,但之後還有很多清理工作須要進行 —— 這套道具會助你將成品從底板拆除并清洗乾淨。

Formlabs提供的透明樹脂 —— 1公升裝。這個樹脂每瓶售價150美元,雖然性價比不是特別高,但比起外頭提供的服務已經算是相當便宜了。對比一下這一公升能打印出來的東西,若是使用外頭的印刷服務,估計得支付250000 yen左右。

樹脂旁邊的是異丙基酒精,是用於清洗3D模型的。居住在日本的朋友可在東急Hands樂天購得。一般2公升就夠用了,但也得視模型的大小而定。

將樹脂倒入樹脂槽 —— 倒多少同樣也視模型大小而定。若是打算打印大型物件,也可以在打印過程中不斷加入樹脂。

樹脂是有粘性的,所以千萬別用手碰觸或塗抹在麵包上。

橙色的蓋子有擋光作用,因為光會使樹脂硬化。
只要有這個蓋子,樹脂就能保持液體狀態長達數週。

數據還沒完全上傳至Form1,打印過程已經率先開始了。Form1也會有提示何時可以斷開連接。

機器內的紫外激光會直射樹枝槽的底部凝固樹脂。之後,底板就會稍微向上移動。這個過程會一直重複。
打印時間取決於各種變量,包括物品的厚度(0.1mm - 0.025mm)、大小和結構(是否空心)等。
在可能的情況下,將3D模型製作成空心結構是最好的選擇,因為這樣既省時又節約成本。

Form1的顯示屏會顯示當前打印狀態。

這隻手的打印時間可介於2至6小時,一切得視厚度而定。
用家可以使用PreForm軟件生成手背連接底板的易剝離性支撐。但你無法選擇支撐的位置,一切都由軟件自動計算。

從Form1取出底板,然後按照打印後步驟放置在Form Finish Kit。

一般來說,最好不要讓皮膚接觸到這些液體。樹脂目前而言雖說是安全的,但將來是不是還是安全就不一定了 ^^;。

要從底板將打印出來的成品取下是相當困難的,一般都會有碎片橫飛的情況 ^^;。

不知道底板能不能像注塑成型用頂針來連接。雖然這樣底板的成本會增加,但至少省去了碎片橫飛的麻煩。

最新版的PreForm嘗試讓Form1在打印模型時於支撐的底部留縫隙,方便使用者刮出模型 —— 結果還是很難移除。

3D模型此時還有一層液體樹脂,需要以異丙基酒精沖洗。

除非你有防毒面具,否則請將窗戶打開,並且在清洗時先深吸一口氣 —— 異丙基酒精的氣味會往上沖,手術面罩無法阻擋氣味。
我一般就沖洗約30秒,然後就讓模型在異丙基酒精中浸泡。可蓋上蓋子。

至於浸泡多久都無所謂 —— 我一般就放著,自己去做別的事。

減量製造(Subtractive Manufacturing)是指用機器將一塊材料(木頭、鐵等等)裁至理想形狀。

增量製造(Additive Manufacturing)是指通過一層層疊加的方式來獲取理想形狀。Form1便是使用這種生產過程,所以3D模型上有很多條紋。除非你有錢購買數百萬的3D打印機,否則一般的家用打印機都是使用這種立體成型(Stereolithography)來打印模型的。而立體成型過程中留下的這些條紋被稱為“steps”。

為了要用於娃娃的生產過程中,我得先將支撐切除,然後使用砂紙將表面磨平,為下一步的鑄件(Casting)做準備。我的目標是製作一個銅模,用來大量生產軟乙烯基。

打印出來3D模型將用於鑄件過程來製作矽模具。等液體矽硬化之後,我們便會把模具切開,然後倒入热蜡來複製3D模型。

這是複製出來的3D模型。當然這種做法并沒有最完美的,但這些缺陷都能通過後期解決。
我們也會在這個階段加上喷管,以便之後灌入软乙烯基。

我理想中是直接使用3D打印機來打印蠟模型,但成本會高得嚇人 —— 光是這樣一對手通過外頭的蠟打印服務,收費就可能高達270000 yen
目前為止,我還沒有找到任何可以做到我們要求的家用3D蠟打印機。

現在開始進入電鑄(Denchu) 製作模具。

在電鑄過程中,這些蠟模型被稱為心軸。專業人員會用銅線纏繞每個心軸,然後噴上導電的石墨。

等心軸風乾後,便會被浸泡在電解槽中。電解槽中的銅會慢慢附上心軸。

我們需要確保蠟心軸的表面完整無缺,因為任何的瑕疵都會顯現在模具上 —— 也就是說最終的乙烯基也會有這些瑕疵。

浸泡幾天後,蠟心軸上就會有一層銅。完成了脫蠟過程後,空心的銅模具就完成了。

再將銅模具焊接到被稱為是“Frypan”的鐵片上。

將軟乙烯基倒入模具……

這就是最終成品了 —— 每個模具大約能製作1萬個備件。

這裡要提醒大家一個非常重要,卻不常被提到的知識 —— 收縮(Shrinkage)。在打印3D模型時需要將模型數據放大5至6%,因為在鑄件和電鍍過程中會有收縮的情況。
如果你按照理想中的大小來打印,你的最終產品可能會比原先預計的小上5至6% —— 這時候你就會被驚哭了。

收縮會發生在任何鑄件和成型的過程中,所以請務必了解材質的收縮率。

智能娃娃的全套身體都是以3D打印> 鑄件 > 電鑄製成的 —— 我合作的工廠位於東京東部。更多製作過程的詳解可查看《如何大量生產自己的產品》。

最後,多餘的部份(flash)需要我們自己手動清除 —— 可使用工藝刀或手術刀。我目前正在想一個更簡單方便的方法來完成這一步。

回到Form1 3D打印機,底板的表面一開始還是平滑的亞光面,但時間久了……

就變成傷痕累累了。打印出來的3D部件就是無法輕鬆從底板拆除。等底板真的變得凹凸不平之時,我想只能從FormLabs再購買一個新的

如果你短期內不會再使用樹脂,最好是將它放置在陰暗的地方,因為光會使樹脂硬化。以前我還會將樹脂倒入防光的瓶子里,但現在就直接放在托盤里,改在保鮮膜後再放入防光盒。

Formlabs不推薦你將樹脂倒回原來的瓶子里,但我個人覺得就算那麼做也沒什麽問題。

以下是Form1在智能娃娃生產過程中的另一種用途。
我用Autocad Inventor製作了一個3D機械人手,之後再用PreForm軟件打開。
然後生成支撐,並且選擇支撐連接底板的位置 —— 一直在同一個位置上打印會使激光不斷射在同一處,導致樹脂槽混濁。

樹脂槽最終都會變得混濁,但移動位置可以增加其使用壽命。

完成之後,我再連接USB數據線,將數據上傳至Form1。

大約兩個小時,這個覆蓋著液體樹脂的手部部件就打印完成了。

又要和刮刀以及製作平台搏鬥 ^^;。

這是最低質量設置打印出來的成品 —— 質量越低就打印得越快。
但從照片中也看得出,即使使用了最低質量設置,打印出來的效果也比其他家用塑料擠出(熔融沉積成型)打印機的質量好。

有製作鋼普拉或玩cosplay的朋友肯定會喜歡這類打印機,因為可以自己製作需要的部件。
Form1最大可以打印125 x 125 x 165mm(4.9 x 4.9 x 6.5英寸)的物體,因此製作智能娃娃的所有部件都沒問題。

若你的figma或Dollfie的部件壞了 —— 只需再打印即可!我下一個想做的就是製作自己的眼睛。隨後還能按比例縮小,製成娃娃眼睛 ^^;。

使用模型鉗就能把製成剪掉。

易剝離性支撐的接觸點大小可以通過PreForm設置。一般來說,接觸點越大,打印出來的模型就越穩固,但美中不足的是會在模型上留下印記。

在這種情況下,我先將手部打印出來,看看它在MiraiFrame上的效果。MiraiFrame將會用在手動版智能娃娃上。我想要售賣這款骨架套件,但是即沒手又沒頭的,讓我難以接受。

由於我是在大部份的注塑模具製作都完成後才決定要加上一雙手(和一顆頭),模具里只剩下一點僅有的空間讓我使用。這也是我為什麽會打印3D模型的元音之一 —— 為了看看是否適合骨架以及能否放入那僅有的空間。

這是我設計的頭。我不希望頭部看起來太像人類或太大,因此選擇了最簡單的設計。

頭部部件看上去不錯,而且還有旋轉180度的功能。

圖中的骨架是T2,還不是最終成品,目前還在改良中,所以到處還是縫隙。到了T4階段,應該會做出一個沒有縫隙的完美骨架。

裝上機器人手的MiraiFrame —— 看起來蠻酷的 ^^;。
下一步就是製作注塑模具,讓頭部和手部的材質和顏色與其他部件變得一致。

有時候,打印也是會失敗的。可能是因為忘了清洗樹枝槽內已經硬化的樹脂,也可能是因為沒清理好底板,但我不確定後者是否也是導致失敗的原因。最好的方法就是留意整個打印過程,一旦出錯就立刻取消 —— 否則激光就會一直掃射樹枝槽,做出一些廢物。

樹枝槽的底部是有一層矽的,在清理的時候請注意不要損壞它。

試印搭配未來Solar Marine制服的髮夾。

我們在製作自動版智能娃娃的時候也運用了3D打印技術。在開發AeonFrame的過程中,我們使用了3D打印機來製成骨架的外殼,之後再進行注塑成型。

我們也重新開發了自己的伺服電機,當中的外殼和齒輪都是3D打印模型。最終成品的齒輪會換成鐵製齒輪。

現在讓我們來看看市場上的其他選擇。如果你有足夠的資金,不妨考慮這款更好的Digital Wax Systems
這台位於Good Smile Company辦公室的是舊型號,新型號的XFab激光打印機售價約5000美元 —— 連結中的那台還能打印橡膠。

Makerbot Replicator 2是一款運用熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling)的家用打印機。若預算較低,對打印成品的表面處理要求不高,一般會推薦這台。

Makerbot Replicator 2售價為2208美元,打印材料(燈絲)每公斤則介於43至130美元 —— 以下是運作的視頻。

日本目前在3D打印機市場只佔有0.3%的股份 —— 美國有70%,德國17%左右,而中國則占3%。
我看到相關報導表示日本經濟產業省(我是CIIC的成員)正在通過注資的方式幫助日本取得更多股份,但我不知道Open Cube和他們的SCOOVO 3D打印機是否也有參與。

SCOOVO和Makerbot一樣使用了熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling)技術。
你們從圖中可觀察到,這種打印方式的出品的效果并不細緻。若我要用來鑄件再電鍍,就得耗費時間來磨平模型的表面。
但若是打算打印大型模型,而細節又並不重要,成本低廉的FDM打印機絕對更適合你。而且這款打印機也不怎麼須要保養,不像Form1。

Form1售價為3299美元,而樹脂則是每公升149美元。郵寄到日本的費用是390美元,再加上300美元的進口稅,總數約4130美元。
Form1為你帶來了細節,但你也付出了代價。

Form1符合了我製作智能娃娃部件和小配件的要求。
但稍後開發智能娃娃的傢具和交通工具的時候,我將會使用更節約成本的FDM打印機,如Makerbot或SCOOVO。

Form1的設計非常具有時尚感,放在桌上也非常酷 —— 我特別喜歡打印機上的亞光銀,和辦公室的mac看起來非常搭 —— 而且還有未來的顏色 ^^;。

在購買Form1之前,除了要考慮到價錢的問題,還有就是客服的態度 —— 他們的客服態度並不好,尤其是在詢問郵寄日期的時候更是如此。我電郵了無數次,當中有大部份都沒有得到任何迴應,即使得到了回覆,也是那種“我們會郵寄”的敷衍語氣。

我覺得Formlabs當前最需要的就是訂立目標,而不是開空頭支票。我覺得“一年後才能郵寄”總比什麽都不說或不斷說“我們會郵寄”來得要好。

Form1的幫助中心也相當含糊,尤其是關於樹脂的問題,讓人覺得他們是存心在消耗你的樹脂,以讓你購買更多樹脂、樹枝槽和底板。

Preform無法讓使用者自行選擇支撐的排放位置也有點奇怪。PreForm會將支撐放置在其他3D打印軟件不會排放的位置上 —— 這會讓人覺得是不是故意這麼安排來讓我們購買更多的樹脂 —— 只能使用Formlabs的樹脂。

但只要有谷歌Sensei,其實有沒有Form1客服都無所謂。我想也可以這麼看吧 —— 寧願要差勁的客服,但很棒的產品,也不要優秀的客服,但差勁的產品 ^^;。

有多少人對3D打印機有興趣呢?或是你已經擁有一台了呢?還是你可以借用學校或公司的設施?

在下一篇帖子中,我將分享3D打印是如何幫助我製作MiraiFrame的注塑模具。現在我們正在前往東京以北的山形縣,乘坐幾小時的新幹線就可抵達。

未來-chan也穿上冬衣隨我們前往 ^o^。

MiraiFrame的注塑模具目前長這樣。製作這個花了16000000 yen —— 幸好我之前在亞馬遜和微軟工作時有存下一些錢。

這就是做出來的成果 —— 所有部件都在runner(也成稱為Gates)上。以後會獨立發行,相信喜歡機甲套件的朋友也會喜歡。

在此期間,你可以通過以下連結關注智能娃娃(Smart Doll)的最新進展。