垂直的实验室仪器市场，如何利用3D打印直接进行生产？

来源：上海复志信息技术有限公司

Laboratory Technologies Inc. (LTI)是一家领先的实验室辐射仪器制造商，自1983年以来，它一直为美国及海外实验室提供辐射仪器。LTI主要服务于全球包括核实验室在内的专业化小型实验室。

高成本的金属加工，限制了产品设计

LTI的口碑产品包括Genesys100系列、Gamma 1 Single Well系列的伽马计数仪，以及Wiper系列擦拭测试计数器。

在以往的生产过程中，LTI的产品采用的是机械加工模式，由于制作技术的原因，产品在进行设计时遇到一些限制，导致一些较为复杂的线条设计难以实现。

计数器外壳的制作相对简单，只需将一整块冷轧钢切割成设计的形状和尺寸即可。但探测器的制作却较为复杂。为了保护探测器中心晶体参数不被损毁，需要在外围设置一层保护装置。制作保护装置首先需要对实心钢管进行打孔，制作出完全贴合中心晶体尺寸与轮廓的中空结构。其次，为了保障密封性，在钢管的另一端还需要再焊接一块钢板。从机械加工工艺来说，制作这种结构复杂的零件难度较大，需要用到的工具较多，因此加工成本也较高。

3D打印技术扩宽了设计的自由度

为了控制生产成本，不再单纯依靠昂贵的机械加工工艺，在综合考虑之后，LTI决定尝试采用3D打印技术，代替高成本的机械制造。经过对比与测试不同3D打印品牌产品后，LTI最终选购了Raise3D Pro2 Plus大尺寸3D打印机。

Pro2 Plus的电动升降双喷头挤出系统，支持打印复杂的机械部件。大尺寸打印仓，可以实现大尺寸零件的一次性打印。同时，Pro2 Plus最高温度可达300℃的加热能力，可以兼容多种打印材料。在对不同材料以及品牌进行试验后，LTI最终发现Polymaker PolyMax™ PC材料是最合适用作其产品的3D打印材料。

在选择了合适的3D打印设备以及线材后，LTI利用3D打印定制化的优势，制作出从前用钢铁难以实现的复杂设计。例如，将外部加强板传统的直角设计改为更为现代化的圆角设计。

当LTI将3D打印部件与原本机械工艺生产的部件进行比较时，他们发现圆角设计不仅美化了外观，还在一定程度上增加了产品的安全性，可以避免直角在发生冲撞磕碰时造成的伤害。

在传统的机械加工工艺中，制作圆角设计需要使用到大量的刀架操作技术以及更先进的解决方案，因此难以实现，同时，成本也更高。这就是为什么LTI在产品设计方面一直受限的原因，但在引进3D打印技术之后，这个问题得到了解决。产品设计师可以设计出更美观，性能更强大的产品。

图 旧版计数器外形设计（左） vs 新版外形设计（右）

由于3D打印几乎能够实现任何形状的打印，且无需更换额外的制作工具，这使得LTI的产品开发过程变得更加顺畅。无论是产品的外壳还是组装槽，抑或是通风口等带有功能性的特征，都可以使用CAD软件精确制作出数字模型，然后再使用3D打印机制作完成。

图 3D打印机制作的备件成品

在这个零件开发高速更新换代的年代，能实现定制化制作的Raise3D打印机不仅可以完成各种复杂设计的生产，同时还具有良好的用户体验。Raise3D Pro2 Plus虽然可以实现大尺寸打印，但机器整体的尺寸却并不庞大，无需占用过大的空间，可以置放在任何空间。正如LTI将其置放在生产线旁边，以方便工程师在打印过程中更好的观察生产过程，及时检查生产中或许会出现的问题。

图 办公室中正在运行的Raise3D打印机

功能强大的3D打印软件可将打印过程“最优化”

LTI利用Raise3D的切片软件ideaMaker中多参数可调的特性，对自己模型的打印过程进行灵活的优化，尤其在实现最佳的外观质量和尺寸精度方面。LTI从ideaMaker的模板库中选择了0.1mm层高的选项，高精度的设置可以使产品尺寸更精确，外观也相对更细腻。

在保持尺寸精度的同时，LTI充分利用了ideaMaker中可随意调配材料配置文件的优点，通过优化打印参数，可以降低材料的收缩率。因为热胀冷缩的原理，喷嘴挤出线宽的实际值和理论值存在差异，ideaMaker则允许用户从多个角度来控制材料的挤出过程，来控制打印过程。通过控制打印参数来改善实际模型的效果。

选择合适打印材料的重要性

在测试了不同的3D打印材料后，LTI发现聚碳酸酯(PC)是制作其产品的最佳选择。但在测试不同品牌的PC材料时，LTI发现并不是所有的PC线材的表现性能都相同。在经过反复测试之后，LTI最终选择了Polymaker PolyMax PC作为自己产品的3D打印线材。

在现有的工业级3D打印线材中，PC因其优异的抗冲击性能和高刚度成为具有良好力学性能材料的首选。PC打印件可以吸收冲击，防止产品变形或开裂。除了PC本身的这些特性外，作为Raise3D开放式耗材项目(OFP)之一的PolyMax PC能更好的适应Raise3D打印设备，易于挤出，表现性稳定，不易发生曲翘。LTI发现，3D打印的PC部件不仅和原来的冷轧钢具有同样的高抗冲击性，PC的密度还远远低于冷轧钢。

图 由PolyMax™PC打印的功能汽车千斤顶

对于伽马计数器和Wiper的擦拭测试计数器来说，UL防火等级很重要。Polymaker的PolyMaxPC具有良好的阻燃性。

3D打印件的后处理

在获得打印件后，LTI还需要对其进行后处理，使成品表面更光滑，美观。后处理步骤主要为：用砂纸对打印件初步打磨5-10秒，以消除表面毛刺。然后再在外部表面涂上底漆，以填补打印机挤压造成的小角落和裂缝。待漆面干燥后，用砂纸轻轻打磨30-60秒，再擦拭干净。最后，在表面涂上一层锤打漆，经过这样的后处理后，整个成品带有金属质感。

图 后期处理前（左）vs 后处理后（右）

3D打印有助于提高产品质量，降低生产成本

经过几个月的开发，LTI通过3D打印技术实现了产品优化。通过重新设计结构，使用Polymaker PC打印制作的新外部加强板与原本的冷轧钢一样坚固，但重量却轻了9.5公斤。原因是PC的密度只有1.2克/cm3，而冷轧钢的重量是7.8克/cm3。PC材料足足轻了6倍之多。在生产成本方面，使用3D打印后，LTI将成本减少到了原有的1/4，其中，材料成本更是缩小到原本的6%。