Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

比较用灯丝印刷,树脂和CNC制造的相同设计

创建原型并不是什么新鲜事。几个世纪以来,发明家创造了各种各样的模型,从木雕到定制加工。莱特兄弟和托马斯爱迪生一样创造了原型。制作这些原型不仅需要视觉,还需要重要的制造技能。

现代原型设计已发生变化。设计在基于计算机的设计软件中创建,然后直接发送到直接生成对象的工具。更重要的是,3D打印机和计算机控制的路由器等工具变得更加实惠。现在,全国和全世界数百个社区的创客空间使这些工具可供有限手段的发明者使用。

但是,对于有远见和有限资源的人来说,设计和制作原型有多难?这是一个现实的目标吗? 3D打印机和CNC路由器有哪些优缺点?

想要回答这些问题,我加入了一个创客空间,即俄亥俄州的Columbus Idea Foundry。由于没有3D设计或3D打印经验,我决定在他们的2种3D打印机和CNC路由器上创建和生产原型。

从愿景开始

几个月前,我读到了莫里斯·里布尔(Maurice Ribble)出色的相机斧头。我一直在寻找一种拍摄水滴飞溅的方法。当摄像机斧在一个完整的机箱中或作为带有电路板的套件和所有必要的组件时可用。节俭我选择了85美元的套件而不是300美元的完成单元。几个小时之内我就有了一个功能齐全的Camera Ax并正在拍照。

但是不会很好......我很遗憾没有我的工具包的案例。而这个想法给了我一个完美的实验机会。在Idea Foundry的设备上创建原型案例有多难?相机斧的套件版本非常适合这个实验,因为它并不容易。该板包括9个开关,2个LED指示灯和一个小型LED显示屏。电路板本身很小,大约4“x 3.25”,但它安装在一个单独的Arduino电路板上。更重要的是,这个版本并没有被设计成放在一个盒子里。不同高度的部件彼此相邻安装。短开关可能在更高的晶体管的四分之一英寸范围内。这将是一个挑战。

3D设计

Fusion 360 CAD中电路板外壳盖的内部:

当然,第一步是选择一个3d计算机辅助设计应用程序来绘制该电路板的盒子。学习使用3D CAD软件是我面临的最大挑战。有许多强大的替代品,如SketchUp,SolidWorks和Blender。经过几个小时的研究,我选择了Autodesk的Fusion 360.它非常强大,而且非常适合爱好者和爱好者使用。基于云,Fusion 360不断发展和改进。

做出这个决定后,我很快发现学习任何3D CAD软件包都是一个真正的挑战。我花了更多的时间来承认绘制立方体,切割测试孔,调整壁厚。这很艰难。作为比较,我使用完整版PhotoShop进行图像编辑。对Fusion 360感到满意是学习使用PhotoShop的一个挑战,PhotoShop是一个众所周知的难以掌握的程序。

这很困难,但收益却是巨大的。一旦掌握了基础知识,就可以生成可以打印和使用的设计。最终,无数的YouTube视频,一些是AutoDesk,一些是最终用户,让我开始了。

提示

进行研究并找到满足您需求的设计产品。例如,有些是更好的机械对象。其他更适合雕刻。如果您能找到教授3D CAD课程的本地讲师,请注册。一堂好课程将为您节省大量时间。如果您的组件需要像我的电路板那样与其他物体配合,那么购买一套好的数字卡尺并随身携带。没有什么比猜测维度更令人沮丧了。在打印时接受您的第一个设计,并不完美。这是原型。期待这是一个有许多死胡同的迭代过程。特别是使用Fusion 360时,从草图模式开始,准确绘制您想要生成的内容。 3D建模工具可能会诱使您绘制一个立方体,然后开始以数字方式对其进行打击。但良好的设计始于良好的草图。

工作流程

有趣的是,凭借Idea Foundry的每项3D技术,2台3D打印机和CNC路由器,工作流程类似:

在3D CAD程序中设计对象并以STL格式导出。将STL文件导入工具的预处理器。使用预处理器创建支撑,定位设计,如果是CNC路由器,则创建路由器将遵循的“刀具路径”。以G代码格式导出生成的配置。 G-Code是一种通用语言,用于控制计算机控制工具的位置和移动。使用打印机或路由器的控制软件,加载并执行G代码。运行完成后,取下组件并根据需要完成。

从设计到生产再到背面

Idea Foundry提供了3种似乎适用于原型设计的工具,两种类型的3D打印机和一台计算机数控(CNC)路由器。其中一台3D打印机,一台Lulzbot Taz 5,挤压塑料细丝制成一个物体。另一种是Formlabs Form1 +,采用液态树脂和立体光刻(SLA)技术。

完成两台打印机的课程后,我选择了长丝打印机开始工作。随着时间的推移,我了解到这是正确的选择。对于我们这些不完美的人来说,原型设计是一种设计/生产/评估/重复过程。我发现自己反复打印一个组件,调整设计并重新打印。用长丝印刷相对便宜。更重要的是,特别是在对盒子的顶部或底部进行测试时,我可以将打印质量设置得低,并在大约4小时内获得可用的结果。将打印机设置为最高质量,可在8小时内完成相同的组件。

我沿途学到了什么

Lulzbot打印机附带了一个预处理器Cura版本。尽管Cura包含许多可以调整的参数,但使用默认配置文件始终可以产生良好的效果。但定位我的组件涉及许多选择。例如,由于我的盒子顶部包括凹陷区域,我需要使用支撑。我可以直接或倒置打印盖子。两者都不是错误的选择。在对原型进行试验之后,我最终决定打印盒子,内部朝上,自动生成的支撑填充在外部凹陷区域。

Lulzbot长丝打印机的Cura盒盖下方显示黄色填充格子和浅水中悬垂区域的支撑。

我也意识到虽然我的设计需要支持,但它们使整理变得更加困难。它们很容易脱落,但在表面留下了难以打磨的不规则性,特别是在凹陷区域。最后,我花了几个小时打磨我的表壳的上半部和下半部,以去除细丝线并使外部光滑。我使用从中等砂砾到超细2000砂砾湿/干纸的沙纸。一旦光滑,我用几层喷涂丙烯酸完成了表壳。

材料很重要

ABS塑料早期长丝印花。注意两侧凸出:

我的第一张照片在中间凸出,这样每边的中心都比角落高。打磨这个单位以与另一半交配是一个令人头疼的问题。我选择ABS塑料作为我的第一次测试,因为它坚固耐用。事实证明它也很容易翘曲。对于我后来的测试,我从ColorFabb中选择了一种名为nGen的产品。这种扭曲变得更小,并产生了一致,稳定和(有饰面)吸引人的产品。

蓝色FDM打印已关闭

我还了解到,长丝打印机通常使用格子填充而不是固体塑料打印。这样可以节省塑料和打印时间,而不会显着降低强度。但这使我的案件的顶部和底部变得更加困难。内部晶格不能很好地支撑螺纹。解决方案是McMaster-Carr的螺纹热固黄铜嵌件。使用烙铁,它们整齐地滑入印刷孔并牢固地熔化到位。

蓝色FDM打印打开,显示热定型黄铜嵌件

转到SLA

就像Lulzbot包括Cura和Taz打印机一样,Formlabs包括PreForm和Form 1+以及他们的树脂/立体光刻打印机。这个过程几乎完全相同。将组件导入为STL文件,指定树脂类型和质量级别,配置任何所需的支持并生成将发送到打印机的G代码文件。但是,PreForm假定Formlabs打印机直接连接到PC。设置配置后,只需单击菜单选项即可将命令发送到打印机。

用于Formlabs Form1 + SLA打印机的Preform盒盖,显示生成的支持

但在我打印我的案子之前,我需要对设计进行一些小调整。如果我可以使用带有长丝塑料的螺纹热固性刀片,那么这些刀片不适用于基于树脂的SLA印刷品。相反,Formlabs建议创建一个口袋,螺母将水平滑动。可将螺母胶合到位,然后将螺钉从上方插入孔中。这听起来很难,但最终在Fusion 360中很容易做到这一点。更重要的是,我对最终印刷品中的孔和口袋的质量感到非常敬畏。它们的形状和尺寸都很完美。事实上,Formlabs印刷品的整体质量简直令人惊叹。侧面和边缘清晰,清晰,坚固。 SLA打印很难被击败。

但有一些警告。 SLA树脂价格昂贵;一升标准白色树脂售价149美元。打印很慢。我的案例的每一面花了大约9个小时以中等质量打印。最高质量,打印时间估计为15小时!最后,特别是Form 1+,这是一个非常混乱的过程。较新的表格2使用树脂墨盒,减少了一些混乱。树脂很粘,会引起皮肤刺激,所以建议使用手套。零件从涂有残留树脂的打印机中取出,必须将其取出,通常是用几个酒精浴。最后,打印机的打印件非常柔软,必须在紫外线下固化。我在用于固化指甲油的紫外灯下固化了我的底壳。那花了大约一个小时。将上半部分放在装满水的有盖透明玻璃容器中。放置在阳光下的部分在15分钟内固化。显然,将部件浸没在水中进行固化可加速该过程。

白色SLA打印

最后,我很感激我决定从长丝打印机开始。虽然树脂印刷品很华丽,但在缩小最终设计时,所涉及的时间和混乱将非常令人沮丧。

在ShopBot上

我意识到下一版本的表壳将印在木头上,我在Fusion 360中对设计进行了调整。我担心木材能够承受12,000转的转速,所以我的厚度增加了一倍。表壳墙,从3毫米到6英寸。

以STL格式保存CAD文件后,我启动了ShopBot预处理器vCarve Pro。学习使用Cura作为Lulzbot Taz和PreForm的Form 1+已经相对简单了。 vCarve不是这样。首先,定义将从中创建组件的库存尺寸。为了降低成本,我将2×6“切成6”部分并将其用于我的早期实验。

vCarve Pro中箱内饰的内部装饰步骤:

vCarve中最大的挑战在于创建“刀具路径”。一旦导入了一个对象,就可以将其分解为单个向量,然后可以使用这些向量来定义这些位。必须根据特定任务定义设计。对于每个任务,必须选择一个合适的位,然后确定该位将通过木材的路线。刀具路径任务包括粗加工内部,微调内部,切割外部轮廓和钻孔适当的孔等。最后我使用3个路由器钻头(1/4“立铣刀,1/8”立铣刀,1/8“球头)和2个钻头(1/8“和1/16”)。增加复杂性,每个位都有选择。它旋转的速度有多快,它在木材中的移动速度有多快,一次切割与前一个切割的重叠程度等等。幸运的是,在这方面,vCarve默认值对我来说非常有效。

ShopBot粗略地推出了松树的早期原型:

值得庆幸的是,vCarve Pro还可以很好地可视化每个剪切的功能。每个位的移动在屏幕上进行动画处理。经过大量的试验和错误,它开始有意义。我用松木切割了我的第一个实验用品,尽管有松木的软木特性,但它们的质量令人惊喜。当我转向樱桃的最终印刷品时,我对一个非常复杂的物体中干净,明确的形状感到惊讶。我也意识到在重新设计壁厚时我过于保守。也许不是松树,但在硬木中,3mm墙壁的效果会很好。

究竟什么是2.5D

与竞争对手一样,Lulzbot和FormLabs打印机都是3D设备。但是大多数CNC路由器的描述都将它们描述为2.5D。需要一段时间来追踪这意味着什么,但最终,它会有所作为。它有助于思考景观的地形图。 2.5D设备仅允许在任何XY坐标处的一个Z点。换句话说,在2.5D世界中无法描绘或产生洞穴或悬崖悬崖。 3D打印机通过支持和桥接解决了这个问题。

我的案例设计以两种方式打破了这条规则。我用SLA打印机为坚果创造的凹槽就像洞穴一样。在CNC路由器上没有办法做到这一点。幸运的是,木螺钉是一个很好的解决方案。但是盖子的顶部有那些开关穿过盖子的凹陷。我正在使用路由器清理机箱的内部,但我无法加工盖子顶部的凹陷。但是这个问题有一个狡猾的解决方案:通过仔细注册XY轴来反转原料。

ShopBot切割最终盖子内部:

考虑如何做到这一点让我头疼了一段时间,但最后,这很容易。在vCarve Pro中,我绘制了2个圆,每个直径9.5毫米,精确定位在盒子的中心线上。这些尺寸恰好适合3/16“木棒。我的第一个刀具路径在顶部雕刻了凹陷。然后我将这些孔排出,沿着ShopTot工作台的“弃土板”走了约5毫米。盖子的上表面完成后,我翻转了原料,并将销钉杆穿过我的库存中的孔并向下进入弃土板。我的盖子现在精确定位,用于加工内饰。

Cherrywood CNC打印

时间试验

虽然打印质量要低得多,但长丝打印机可以更快地打出测试原型。这是一个巨大的优势。在一个完美的世界中,人们可以使用像Taz这样的打印机进行原型测试,然后使用SLA打印机或CNC路由器生产最终组件。

ShopBot:8小时

一旦我知道我在vCarve Pro中所做的事情,制作一个有吸引力的完成版本的电路板外壳需要多长时间?在ShopBot上花了大约8个半小时。

在vCarve Pro中安装2小时以准备库存并将其安装到ShopBot 4上市时间,以便在两侧加工1个半小时,在带式砂光机上打磨部件,用手触摸,然后用木油涂抹。这与3D打印机相比如何?一旦我熟悉Cura预处理器,在Lulzbot Taz灯丝打印机上完成任务需要9个半小时:

LulzBot Taz:9个半小时

在Cura 6安装半小时无人值守时间以中等质量打印3小时以移除支撑物,手工打磨外部并用透明丙烯酸喷涂。最后,在Form 1+ SLA打印机上。一旦我对PreForm感到满意,预处理器花了13个小时:

表格1+:9小时

在PreForm中安装1小时,并在打印机中添加树脂9无人值守打印中等质量½小时以从打印机中取出组件并取下支架1个半小时以清理打印机并将打印部件固化1小时即可完成修补打磨和喷涂与透明丙烯酸

ShopBot似乎是明显的赢家。但那是最后的印刷品。如何在迭代设计过程中生成粗略原型。零件可以低质量打印,并且可以消除精加工步骤:

结论

让我们从令人惊讶的事实开始,您可以在CAD程序中创建一次设计,然后使用它来使用3个非常不同的过程生成原型或成品样本。对3D CAD程序感到满意需要花费时间和相当大的努力但是回报非常好。如果您能找到本地动手CAD培训,请充分利用它。

让我们也承认材料很重要。有些物体在塑料上看似正确。其他木材。除此之外,虽然塑料是现代的,但木材具有一些很好的特性,如抗冲击性和卓越的强度。不要仅仅因为它看起来过时而剔掉木头。此外,这些技术中的每一种都可以生成可以涂上任何彩虹色的部件。

然后是有趣的因素。虽然Form1 +生产的部件质量最高,尺寸精度最高,但处理树脂和固化部件的过程,使用技术术语“icky”。​​我很难热身。 Formlabs Form2打印机使用树脂墨盒,这会有所不同,但这有助于将树脂装入打印机。印后清理大致相同。 ShopBot非常有趣,但却是一个真正的挑战。不过,我无法让它无人看管。此外,没有一个加工步骤花费超过45分钟,所以走开没有意义。但是,我可以说,观看它的工作是一种冥想的方式。使用长丝打印机也很神奇,但方式不同。很高兴开始打印,监控它并完成并执行其他任务。

最终我购买了一台长丝打印机。也许如果我是一个更好的原型设计师,我可以在第一次或第二次得到一个复杂的部分。但我不是。 Columbus Idea Foundry距离我家有30分钟车程。打印零件实在太不方便了,我意识到我做了一两个错误,在家重新设计并再次打印。

但对于我的最终打印,我将使用的那个,我选择了SLA打印机。它产生了美丽的效果,并最大限度地减少了我花时间打磨的需要。一点修饰打磨和几层抗紫外线丙烯酸(以防止树脂变脆),我正在路上。话虽如此,用樱桃印刷的表壳是我最自豪的。我必须克服重大障碍才能完成它(2.5D是一个),樱桃的结果看起来很棒。我喜欢木头。叫我一个具有老式美感的prototyper!

所有3个打印在一起

3D原型设计。他们如何比较

Lulzbot TAZ 6 FormLabs Form1 + ShopBot
技术 添加剂“熔丝制造”(FFM)又名“熔融沉积建模”(FDM) 添加剂立体平版印刷术 减法路由
材料选项和限制 **** *** *****
材料类型 数十种灯丝类型包括ABS,聚乙烯。带有嵌入式金属或木质纤维的长丝。无数的颜色 标准树脂,透明,白色,灰色,黑色。具有各种物理特性的特种树脂(坚韧/柔韧/高温/浇注料) 木材,胶合板,塑料,铝
设计限制 - 壁厚 0.5毫米。对于外墙,实际上2mm的强度 0.5毫米。对于外墙,实际上2mm的强度 2-3mm的
设计限制 - 没有支撑的突出部分(从等级开始) 45度 19度 使用像Shopbot这样的2.5D CNC路由器不能产生悬垂。但是,可以通过仔细注册来翻转组件以加工另一侧。
设计限制 - 桥跨长度 高达35mm 21毫米 无法使用Shopbot等3轴CNC路由器生产桥梁
最小孔径 大约.5mm。必须在设计阶段调整孔或扩孔以获得准确的尺寸,因为塑料在冷却时会收缩。 0.5毫米 1.5毫米钻(可能更小)
组件预处理器/ Gcode生成器 **** ***** **
应用名称 库拉 PREFORM Vcarve
易于倾斜 使用为所选灯丝提供的配置文件 很容易。唯一的挑战是最佳定位模型来管理支持 学习定义刀具路径并选择适当的位是一项重大挑战
便于使用 加载对象。加载配置文件根据需要选择支持打印 选择树脂。加载对象。东方。如果需要,指定支持。打印。 目标文件未完全定义输出。定义切割深度或库存大小的错误将反映在输出中
打印机/路由器的操作 **** ** **
便于使用
生产组件的速度 3-4小时无人值守生产测试组件 8大多数无人值守的时间来生产测试组件 3个小时参加生产测试组件
印后清理 最好用线切割器去除支撑,然后打磨。细丝脊线在两侧,顶部突出。专业外观结果需要大量打磨。如果圆角可以,则可以选择珠子爆破。 最好用线切割器去除支撑,然后打磨。零件从打印机中粘出,必须在反复的酒精浴中清洗,然后在紫外线下固化。必须小心清除树脂的小孔。 “黄色魔法”是酒精的替代品。 振动工具非常适合切割将成品零件固定到材料块上的标签。快速打磨清理。
岗位工作区清理 比较容易。使用alcolhol擦拭清洁打印床并准备下一次打印。 树脂粘稠而且杂乱。酒精有助于清洁打印表面和工具。 真空吸尘器非常适合去除灰尘和碎屑。
改变材料 必须加热打印头以移除旧灯丝。插入新灯丝,必须穿过几厘米才能清除旧塑料。 理想情况下,每种树脂类型都需要一个单独的树脂托盘。取下第一个托盘,清洁,插入第二个托盘,填充。 根据工作台的不同,可以将新库存夹紧或拧紧到位。
组件质量 *** ***** ****
未完成的尺寸精度 很好。 优秀。可能需要轻微打磨。 优秀。可能需要轻微打磨。
完成尺寸精度 取决于所需的完成程度。打磨以去除所有细丝线迹将显着改变尺寸。 轻微打磨会稍微改变部件的尺寸。 轻微打磨会稍微改变部件的尺寸。生产高光泽度的涂层将显着改变尺寸。
额外的完成选项 底漆和油漆。 XTC-3D环氧树脂涂层可以隐藏灯丝线。 底漆和油漆 底漆,油漆,木油,清漆,聚氨酯。
努力完成 需要大量耗时的打磨 修补打磨。外套采用抗紫外线面漆。 需要轻度打磨。
组件强度 *** **** ***
材料结构 大多数FDM打印使用格子填充完成。印刷固体明显较慢但增加了强度。
抗拉强度 与塑料类型不同。像木材一样,层间比平行层稍弱。印花固体增加拉伸强度约5% 与树脂类型不同。各个方面均匀的强度。随着长时间暴露在紫外线下,打印件会变脆。 与木材类型不同。谷粒比谷物平行弱。
压缩 印刷固体可将抗压强度提高100% 印刷品很扎实。 与木材类型不同。比塑料更有弹性,可以反复压缩/释放。会凹痕。
扭曲 当剧烈扭曲时,层会分层。使用较低%的填充物不会显着影响扭曲强度。 扭曲时均匀的强度。随着长时间暴露在紫外线下,打印件会变脆。 可以在非常强的扭矩下分裂谷物
紧固选项 **** **** ****
螺丝 格子填充物直接使用材料中的螺钉不可靠。热固式刀片是一种可靠的解决方案 不适合在材料中直接使用螺钉。螺母口袋是一种可靠的解决方案。 木螺钉是一种传统而有效的选择。螺纹嵌件优选用于重复重新扣紧
胶水 Superglue,Epoxy是有效的。与塑料类型不同。 Superglue,Epoxy是有效的。与树脂类型不同 木胶是非常有效的。

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