線材列印、光固化列印與CNC製造原型大比拼

三月 3, 2017
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製作原型不是什麼新鮮事。好幾個世紀來,從木材雕刻到使用特製機器加工,發明家一直以各種方法來打樣。不論是萊特兄弟或艾迪生,都經歷過製作原型的過程。製作原型除了靈感外,製造技能也相當重要。
現代的原型製作改變甚鉅。設計過程可以直接於電腦上用設計軟體進行,然後直接傳送到工具做出實品。此外,3D印表機和電腦控制切割機等工具也變得更為平價。世界各地數百個Makerspace更大大增加了拮据的發明家們使用這些工具的機會。
追根究柢來說,一個有靈感但資源有限的人要設計並製作出原型有多難呢?這是個實際的目標嗎?3D印表機和CNC切割機又有哪些優缺點呢?
為了找到這些問題的答案,我加入了美國俄亥俄州哥倫布市的Makerspace「Idea Foundry」。對3D設計和3D列印毫無經驗的我,決定要用他們的兩種3D印表機和CNC切割機來設計並製作一個原型。

從靈感出發

幾個月前,我讀到Maurice Ribble設計的相機Camera Axe,正好可以讓我拍攝飛濺的水滴。當時Camera Axe以兩種形式販售:有外殼包覆的完整裝置,以及沒有外殼、包含電路板及所有元件的套件。節儉的我選擇了85美元的套件而捨棄了300美元的完整裝置。在幾個小時內,我就完成了一臺Camera Axe,開始用它來拍照。
但是,我還是覺得沒有外殼很可惜,而這個想法成了我絕佳的實驗契機。用Idea Foundry的設備來製作原型外殼會有多難呢?Camera Axe的套件很適合這個實驗,因為它的構造並不簡單。其電路板上有9個開關、2顆LED指示燈和一個小型LED顯示器。電路板本身相當小,大約4” x 3.25”,但要安裝在獨立的Arduino開發板上。此外,這個版本並不是為了用外殼包裝而設計,因此各種高度的元件被擺放在一起,例如小開關旁邊不到四分之一英吋的位置,就有一個高出很多的電晶體。這會是個挑戰。

3D設計

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以Fusion 360 CAD設計的內部電路板殼蓋
第一步當然是選擇3D電腦輔助設計程式來為電路板繪製外殼。學習使用3D CAD軟體是我遇到最大的困難。SketchUp、SolidWorks和Blender都是好選擇。研究了幾小時後,我決定使用Autodesk的Fusion 360。它非常強大,更能免費提供業餘玩家們使用。基於雲端服務的Fusion 360還在持續增強其功能。
決定後,我很快發現學習任何3D CAD軟體都是大挑戰。我花了長到快不敢承認的時間畫出方塊、切測試孔和調整外殼厚度,這些都是很煎熬的過程。做個比較:我平常慣用Photoshop來編輯影像,而熟悉Fusion 360的難度就和摸索以難學聞名的Photoshop差不多。
雖然難度很高,但我的努力非常值得。只要熟悉基本功能,就能做出可以列印和應用的設計。我後來是靠YouTube上AutoDesk和使用者製作的各種影片來自學。

訣竅

請做足功課,試著找出符合需求的設計。有些軟體的強項在機械物件,有些則適合雕塑。
如果附近有老師開設3D CAD的課程,可以考慮報名。一堂好課可以幫你節省很多時間。
如果你的元件需要和其他物件結合,像我的元件和電路板,手邊最好隨時準備一組卡尺,因為沒有什麼比猜尺寸更讓人挫折的了。
請接受初期設計一定會不完美。這就是製作原型的必經之路。你會發現這是個不斷發現死路的過程。
使用Fusion 360時,請從素描模式開始練習精確地畫出欲製作的物件。它的3D模型工具可能會吸引你先畫個方塊出來,然後用它來雕刻,但好的設計都從好的素描開始。

工作流程

有趣的是,使用Idea Foundry工作室的3D設備──也就是兩臺3D印表機和一臺CNC切割機時,工作流程都很類似:
  • 先在3D CAD程式設計物件並以STL格式匯出。
  • 把STL檔案匯入工具的預處理器。
  • 用預處理器製作支柱並定向物件。如果使用CNC切割機,則再建立刀具路徑。
  • 把最後的設定以G碼格式匯出。(G碼是控制電腦控制工具位置與運動的通用語言。)
  • 用印表機或切割機的控制軟體載入並執行G碼。
  • 機器製作完成後,把元件取出並依需求加工。

從設計到製作再回頭

Idea Foundry提供3種似乎很適合原型製作的工具:兩種3D印表機和一臺電腦數值控制(CNC)切割機。3D印表機之一的Lulzbot Taz 5擠出塑膠線材來形成物件,另一臺Formlabs Form1+則採用液態樹脂與光固化(SLA)技術。
上完兩種印表機的課程後,我選擇以線材印表機來進行我的製作。我後來發現這是正確的決定。對不完美的我們而言,原型製作是一個設計/製作/評估/重複的過程,像我就不斷地列印元件、調整設計,然後再次列印,以線材列印是相對便宜的方式。此外,尤其在製作外殼頂蓋和底蓋的測試品時,我可以把列印品質調低,只要4小時就能拿到可用的列印成品。將同一個元件以印表機的最高品質設定列印會需要8個多小時。

我學到的經驗

Lulzbot印表機附有預處理器Cura。雖然Cura包含數十種可以調整的參數,用預設設定檔也可以印出一致的好品質,但要為我的元件定向時就需要做很多選擇。舉例來說,因為我的外殼頂蓋有內凹的部位,所以需要使用支柱。我可以選擇把它直立或倒立列印,都不會有問題。以原型嘗試這兩種方法後,我最後決定以內面朝上來列印外殼,並以自動產生的支柱來填補外面內凹的部位。
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Cura中蓋子的底面,可以看到黃色的填充格和水藍色的懸伸區支柱
我也發現,雖然我的設計需要支柱,但它卻讓最後的加工變得困難。將它們折斷是很容易,但會留下不平整的表面,很難打磨,尤其是內凹的部位。最後,我花了好幾個小時在打磨外殼的上下半部來移除線材痕跡並讓外表更光滑。打磨時我從中粒度的砂紙用到超細的200 grit乾濕兩用砂紙。拋光後,我還用幾層壓克力噴霧做表面處理。

材質差異很大

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初期ABS塑膠線材列印成品。注意側面的突出
我起初列印的成品在中間有突起,讓每面的邊比角落還高。要將側面磨平來和另一個半面結合讓我很頭痛。前幾個測試品我用ABS塑膠來列印,因為這種材質堅固耐用,但後來發現它也很容易翹曲。接下來的測試品我用ColorFabb出品的nGen。它的翹曲程度低很多,可以產出品質穩定,表面加工後很好看的成品。
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闔上的藍色FDM列印成品
我也發現線材印表機一般以填充格來列印,而非實心的塑膠。如此可以節省材料和列印時間,同時不會大幅降低強度,但如此一來要以螺絲接合上下兩面會變得困難。內部填充格支撐螺紋的效果不好,而我的解決方法是採用McMaster-Carr出品的熱固型黃銅襯套,以烙鐵把它們滑入列印出的孔,讓它們的塑膠融化以固定位置。
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打開的藍色FDM列印成品,可以看到熱固型黃銅襯套

改用SLA

如同Lulzbot在Taz印表機內建Cura,Formlabs在光固化樹脂印表機Form 1+內建了PreForm,有幾乎一模一樣的流程。先匯入元件的STL檔、指定樹脂類型及品質等級、設定所需的支柱,然後產生要傳送給印表機的G碼檔案。然而,PreForm會假設Formlabs印表機是直接連接電腦的。設定完成後,只要點選功能表的選項就能把指令傳給印表機。
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Formlabs Form1+ SLA印表機的PreForm程式中的外殼蓋,可以看到產生的支柱
在我列印外殼前,我需要在設計上做個小調整。熱固型黃銅襯套可以用於線材塑膠,但無法用於樹脂SLA的成品上,因此Formlabs建議設計出讓螺帽水平滑入的口袋。在這裡螺帽可以用黏膠固定,接著把螺絲從上方的孔插入。這聽起來很難,但我用Fusion 360其實相當輕鬆就完成了。另外我還對列印成品的孔洞及口袋的品質很驚艷,形狀和尺寸都很完美。其實Formlabs列印的整體品質都很高,側面和邊緣都很尖銳、乾淨、強度也很高。SLA的列印品質實在難以超越。
然而這是有代價的。SLA樹脂很昂貴,一公升的標準白色樹脂要價149美元。列印速度也很慢,我的外殼每個面以中等品質列印要花約9小時,最高品質的估計列印時間更要15小時!另外,這是個很會製造髒亂的過程,尤其在Form 1+的例子裡。新版的Form 2則採用樹脂匣,減少了一部份的髒亂。樹脂有黏性,而且可能造成皮膚不適,建議戴手套進行。列印成品會被殘留的樹脂包覆,必須清除,通常需要在酒精中浸泡多次。最後,剛印出來的成品相當軟,必須以紫外線燈固化。我固化外殼底面時,使用被設計來固化指甲油的紫外線燈,需時約一小時。外殼頂面則是放在有透明蓋子的裝水玻璃容器裡,置於太陽光下,15分鐘就完成固化。看來把列印成品放在水中能加速固化過程。
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白色SLA列印成品
最後,我很慶幸我是從線材印表機開始學習的。雖然樹脂印起來很漂亮,但它所花的時間和製造的麻煩,會讓我在最後修正的過程中感到非常挫敗。

使用ShopBot

決定外殼的下一個版本要用木材製作後,我在Fusion 360為我的設計做了修改。因為顧慮到木材無法承受刀具12,000 rpm的轉速的能力,所以我把外殼壁面的厚度加倍,從3mm變成6mm。
將CAD檔案儲存成STL格式後,我開啟ShopBot的預處理器vCarve Pro。Lulzbot Taz的Cura和Form 1+的PreForm都相對容易學會,但vCarve就不一樣了。首先要定義將被切割出元件的材料尺寸。為了壓低成本,我把2×6”的木材切割成6”的小塊,做初期嘗試使用。
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以vCarve Pro進行外殼蓋內面的最後步驟繪圖中
使用vCarve最大的挑戰在於建立「刀具路徑」。匯入物件後,程式可以把它分解成各別的向量,而這些向量可以用來定義刀具的動作,而物件的設計必須以這樣的具體任務來定義。針對每個任務,使用者必須選擇合適的刀具並指定刀具在木材上的路徑。刀具路徑的任務包含內側概略切割、內側微調、切割外側輪廓以及鑽孔等。我最後用了3個切割器刀具(1/4”端銑刀、1/8”端銑刀、1/8”球端)和2個鑽頭(1/8”和1/16”)。讓過程更複雜的是,每種刀具都還有不同的選擇:轉速多快、在木材上移動的速度、每一刀和前一刀重疊的程度等。所幸vCarve的預設設定在這次的製作上效果很好。
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ShopBot以松木切割初期原型
vCarve另一個優點是將每一刀的動作做了很好的視覺化,刀具的每個動作都以動畫呈現在螢幕。在多次的嘗試後,我終於開始理解它的道理。初期嘗試用的元件我用松木來切割。雖然松木有軟木的特性,我對切割的品質還是出奇滿意。改用櫻桃木進行最後的正式切割時,我對它能把這樣複雜的物件做如此乾淨、精確的切割感到驚艷。我也發現當初重新設計壁面厚度時我太過保守。松木大概行不通,但若用硬木切割成原本3mm的壁面應該不會有問題。

什麼是2.5D

Lulzbot和FormLabs的印表機和競爭者的產品一樣都是3D裝置,但多數的CNC切割機製造商都稱它們為2.5D。我花了一點功夫才查出它的意思。我們可以假設有一張地形圖。2.5D的裝置只容許任一個XY座標上有一個Z點,也就是說在2.5D的世界中無法畫出洞穴或懸崖突壁。3D印表機會以支柱和橋接來解決這個問題。
我的外殼設計在兩方面打破這條規則。我用SLA印表機製作的螺帽凹槽就像洞穴,這用CNC切割機絕對做不出來。木螺絲是個很好的解決方法,但蓋子頂端有讓開關伸出來的凹槽。用切割機可以將外殼的內部切出來,但蓋子頂端的凹槽就沒有辦法了。還好有個工藝手法可以用來解決這個問題:把木材倒過來,並仔細設計XY軸。
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ShopBot進行蓋子內部的最後切割
思考怎麼處理這個問題讓我頭痛了一陣子,但最後發現其實很簡單。在vCarve Pro我畫了2個圈,直徑各9.5mm,並精確放在外殼的中線上。這個尺寸正好可以放3/16”的木釘。第一條刀具路徑切出頂端的凹槽,接著我畫出這些孔的路徑,大約切入ShopBot表面墊板的5mm。蓋子的頂面完成後,我把木材翻過來,將木釘穿過木材進入墊板,這時蓋子就會固定在要加工內部的位置了。
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櫻桃木CNC切割成品

計時競賽

線材印表機雖然品質低得多,但可以用較快的速度產出測試成品。這是個顯著的優勢。理想條件下,我會選擇用Taz這樣的印表機進行原型測試,接著用SLA印表機或CNC切割機完成最後的正式元件。

ShopBot:8小時

學會vCarve Pro之後,我花了多少時間來做出好看的電路板外殼頂蓋呢?用ShopBot花了小時。
2小時設定vCarve Pro
1小時準備木材並固定於ShopBot
4小時現場監控雙面切割
1½​小時用帶式砂磨機打磨、手工修飾,並以木油做表面處理
和3D印表機相比如何呢?學會Lulzbot Taz線材印表機的Cura預處理器後,我花了9½​小時完成:

LulzBot Taz:9½小時

½小時於Cura進行設定
6小時中等品質自動列印
3小時移除支柱、手工打磨外觀及噴灑透明壓克力
最後是Form 1+ SLA印表機。學會PreForm預處理器後,花了13小時:

Form 1+9小時

1小時於PreForm進行設定並於印表機添加樹脂
9小時中等品質自動列印
½小時從印表機取出元件並移除支柱
1½小時清潔印表機並固化列印成品
1小時完成修飾打磨及噴灑透明壓克力
ShopBot似乎很明顯是贏家,但這是用做出正式成品的時間來比,如果是在反覆設計的過程中製作粗略原型,則可以用低品質列印,並省略後續修飾步驟:

結論

首先,我必須重申,用CAD程式先設計過,再用3種不同的製程來生產原型或正式成品這件事非常方便。熟悉3D CAD程式需要可觀的時間和精力,但受用無窮。如果可以找到機上操作的CAD課程,要好好利用。
另外我也要提到材質的關鍵性。有些物件就是適合塑膠,有的適合木材。另外雖然塑膠有現代感,但木材有抗撞擊及高強度的特性,所以別因為是老式材料就看不起木材。別忘了,用這些技術製造的元件都能漆成任何你喜歡的顏色。
接著要談的是趣味性。雖然Form 1+列印的元件有最高的品質和尺寸精確度,處理樹脂和固化元件的過程用專業術語來形容叫「噁」。這讓我比較難適應。Formlabs Form 2印表機採用樹脂匣讓情況改善,但也只對把樹脂裝入印表機有幫助,列印後的清潔工作大致上是相同的。ShopBot用起來很有趣,但也是個挑戰。我沒在旁邊監控不放心,而且每個切割步驟都不超過45分鐘,所以中途離開沒什麼意義。但我可以說,看著它運作有平靜心情的神奇效果。線材印表機的運作也很神奇,但氛圍不一樣。啟動列印,在旁邊偶爾監控,並同時做其他工作的感覺很好。
我最後買了一臺線材印表機。如果我的原型設計技術更好一點,或許就能在前一兩次將複雜的元件搞定,但我道行還不夠。哥倫布市的Idea Foundry離我家30分鐘車程,為了列印一個元件跑過去實在太不方便,因為我可能會犯一個很蠢的錯誤,必須在家重新設計,然後再回去列印一次。
但針對要實際使用的正式元件,我選擇用SLA印表機,借助它漂亮的列印效果並減少打磨所需的時間。只要用砂紙稍加修飾,再噴幾層抗紫外線壓克力(來防止樹脂脆化)就可以使用了。雖說如此,我最感到自豪的還是櫻桃木切割的外殼。我克服了很多關鍵的障礙(例如2.5D)才把它完成,而且成品的櫻桃木外觀、質感都很棒。我真的很喜歡木材,或許可以說我是具有老派美感的原型設計師!
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3款成品並列
Lulzbot TAZ 6 FormLabs Form1+ ShopBot
技術 熔融沉積成型(FFM或FDM) 沉積式光固化 減去式切割
材料選擇與限制 **** *** *****
材料類型 數十種線材,包括ABS、聚乙烯。嵌入金屬或木纖維之線材。可選多種顏色。 透明、白、灰、黑色標準樹脂。具各種物理特性(堅硬、彈性、高溫、可鑄造)之特殊樹脂。 木材、合板、塑膠、鋁
設計限制:壁面厚度 對外壁而言,2mm之強度足夠。 對外壁而言,2mm之強度足夠。 2-3mm
設計限制:無支柱懸伸(相對水平角度) 45度 19度 ShopBot等CNC切割機無法製作懸伸,但可將元件翻轉並仔細設計切割另一面。
設計限制:橋接距離 可達35mm 21mm 以ShopBot等3軸CNC切割器無法製作橋接。
最小孔徑 約.5mm。孔洞必須於設計階段調整,或進行修孔以取得精確尺寸,因為塑膠於冷卻時會收縮。 .5mm 1.5mm鑽頭(可能更小)
元件預處理器 / G碼產生器 **** ***** **
應用程式名稱 Cura PreForm Vcarve
學習難易度 使用所選線材之隨附設定檔。 很容易。唯一困難在於調整模型位置來產生支柱。 學習定義刀具路徑並選擇合適的鑽頭是重大的挑戰。
使用難易度 載入物件、載入設定檔、依需要選取支柱、列印。 選擇樹脂、載入物件、定向、依需要指定支柱、列印。 物件檔案不直接決定結果。定義切割深度之錯誤或木材尺寸將反映於結果。
印表機 / 切割機之操作 **** ** **
使用難易度
製作元件速度 3~4小時自動列印測試元件。 8小時大致無監控列印測試元件。 3小時監控切割測試元件。
製造後成品清潔 以剪線器移除支柱效果最佳,之後打磨。線材紋路於側面、頂面較明顯。專業外觀需大幅打磨。若接受圓弧之角落,可採用噴砂處理。 以剪線器移除支柱效果最佳,之後打磨。元件自印表機取出後黏度高,必須洗清並多次浸泡酒精,接著以紫外線固化。必須仔細清除小孔中之樹脂。可使用「Yellow Magic」替代酒精。 震動工具適合切割將元件固定於材料原塊上的耳片。事後輕度打磨。
製造後工作環境清潔 相對容易。以酒精擦拭成型平臺並準備下一次列印。 樹脂黏度高,易製造髒亂。酒精可幫助清潔成型平臺及工具。 適合以吸塵器清除粉塵及碎屑。
更換材料 必須將列印頭加熱以移除舊線材。插入新線材後必須讓數公分之塑料通過以清除舊塑料。 理想條件下,為每種樹脂準備樹脂槽。移除第一槽、清潔、插入第二槽、裝填。 視工作臺而定,以夾或螺絲固定新材料。
元件品質 *** ***** ****
半成品尺寸精確度 很好。 優越。可能需要稍加打磨。 優越。可能需要稍加打磨。
成品尺寸精確度 視表面處理需求而定。以打磨去除所有線材紋路將明顯改變尺寸。 輕微打磨將稍微改變尺寸。 輕微打磨將稍微改變尺寸。打磨至高光澤表面將明顯改變尺寸。
額外表面處理選項 底漆與油漆。XTC-3D環氧樹脂漆可掩飾線材紋路。 底漆與油漆。 底漆、油漆、木油、亮光漆、聚氨酯。
表面處理難度 需進行顯著耗時之打磨。 修飾打磨。以抗紫外線塗料包覆。 需稍加打磨。
元件強度 *** **** ***
材料結構 多數FDM列印以填充格成型。實心列印速度明顯較慢,但可增加強度。
抗拉強度 視塑膠類型而定。與木材類似,與切層交錯方向較平行方向稍弱。實心列印可提升抗拉強度約5%。 視樹脂類型而定。各角度強度一致。長時間暴露紫外線可使成品脆化。 視木材類型而定。與木紋交錯較平行方向為弱。
壓力 實心列印可提升抗壓強度達100%。 列印為實心。 視木材類型而定。抗反覆壓放能力較塑膠為佳。會凹損。
扭轉 劇烈扭轉可能造成分層脫離。使用較低填充比例對抗扭轉強度無明顯效果。 扭轉時強度一致。長時間暴露紫外線可使成品脆化。 強大扭力下可沿木紋裂開。
固定選項 **** **** ****
螺絲 填充格使直接於材料上使用螺絲不可靠。熱固型內襯是可靠的解決方法。 不適合直接於材料上使用螺絲。以口袋置入螺帽是可靠的解決方法。 木螺絲為傳統且有效之選項。若需反覆裝卸,以螺紋內襯為佳。
黏膠 強力膠、環氧樹脂效果佳。視塑膠類型而定。 強力膠、環氧樹脂效果佳。視樹脂類型而定。 木膠效果極佳。
(譯:屠建明)
原文
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