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让设计更专注,评准工业级3D打印机Stratasys F370

时间:2018-04-02 09:01 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

在过去的5年里,我们测试过数十款国内外的桌面级3D打印机和3D扫描,也曾报道过大量具备生产能力的工业级3D打印机,然而最近细分市场上出现了定位更加精准的3D打印机,定位办公室和学校等机构,它身上有不一样的气质,拥有接近工业级设备输出品质和效率,又能在普通办公室或者教室中灵活使用,简单的和它的名字一样,它就是今天的主角----Stratasys F123系列(像123一样简单),而我们测试的是其中的顶配机型 F370 3D打印机,上市近一年来,全球销量超过1300台!

△让设计更专注 评准工业级3D打印机Stratasys F370

●新概念 格调与品质兼具

比较早接触3D打印的朋友知道,桌面级的FDM技术3D打印机是从DIY 套件开始的。到今天桌面3D打印产品已经非常丰富,商品化程度也很高,不过限于成本和用途,这类3D打印机只能用来打印设计小样和简单的原型,在3D打印的模型细节、尺寸误差、稳定性以及材料平台这几个硬指标暂时还达不到工业机的水准。

而工业级的3D打印机包括工业级FDM设备、光固化树脂SLA、激光烧结金属SLM、激光烧结尼龙粉末SLS等技术的设备一般拥有较大的硬件尺寸、电气环境要求高,需要专门的厂房、生产型的电气环境来运行;而且设备本身价格也比较高,还需要很强的后期处理工艺,应用条件相对苛刻。

△Stratasys F123系列:F170/F270/F370

Stratasys F123系列 3D打印机则是 Stratasys针对设计类用户更加灵活高效的需求研发的新概念、准工业级 3D打印设备。在核心技术上,延续了Stratasys Fortus系列工业级3D打印设备的FDM 技术和架构,Fortus系列则是Stratasys的“亲儿子”——FDM 3D打印技术是由Stratasys 的联合创始人之一斯科特.科伦普亲手打造的,Stratasys拥有FDM(R)熔融沉积成型技术的专利权,迄今为止Fortus系列也一直是它旗下的主力型3D打印产品,具有非常强悍的生产能力,同时针对不同用户和应用场景的需求,有大量的不同功能特性的耗材作为材料体系,与桌面级产品完全不同。

△FDM技术专利所有人 Stratasys联合创始人 斯科特.科伦普

△Stratasys F370与Fortus 450mc(右一) 3D打印机

而在产品形态上,F123系列则融合了Stratasys 最新的理念,就是让人们在手边就用到专业的3D打印设备,外观设计更加美观实用,“太空舱”般的视觉效果代表着地球上的先进制造能力。

△“太空舱”视觉效果 充满科技感

Stratasys F123系列的一大特点是操控友好,支持10国语言的大尺寸液晶触摸屏带来直观简洁的操作感,3D打印机结构和部件采用快速安装设计,最大程度减少人为的干预。关于这一点,下文会给出详细介绍。

△F123系列全都采用大尺寸触摸屏

Stratasys F123系列可以在大部分办公环境中进行配置,支持标准的110V或220V民用电压,并且通过了CE、FCC、EAC、EMC、TUV、RC、RCM、RoHS、WEEE、Reach多项认证,在普通环境中对人畜无害,电磁性能安全,使用安全的化学品作为产品原材料,并符合电子设备报废回收标准。也就是说F123系列完全可以在办公室、教室、实验室这类普通室内环境中运行。

△F123系列运行环境要求与合规性

在硬件售价方面,F170、F270、F370三款售价从人民币20万元到60万元不等,不同配置和价格分档来匹配不同用户的实际应用需求。

本次我们测试的Stratasys F370就是F123系列中的顶配机型。接下来我们就近距离看一看它究竟有什么不同。

●人性化 释放创造力

Stratasys F370 3D打印机在设计上有许多细节,避免冗余的人工操作,使操作者能聚焦于工作重心上。整个打印仓为全封闭设计,打印仓门还有一圈密封圈,保证打印仓的密闭性,使打印仓恒温以确保模型均匀冷却,有利于保障打印质量。

△上半部分打印仓 前门透明可看到内部打印进展

Stratasys F370支持自动调平功能,每次打印启动之前自动调平平台,保证3D打印成功率。而平台上的打印板则是快拆装的,打印完成快速拆下,略微弯曲打印板那么模型就自动脱离了。方便操作者取下模型,快速开始新的3D打印任务。

△压下前面的锁止板

△打印底板就可以取下或更换

打印仓内部有监控摄像头,而F370支持以太网连接或Wi-Fi连接,可以通过智能手机、平板电脑远程查看打印进程,让3D打印机随时处于掌控之中,不需要人员对设备值守。

△四个耗材盘位

Stratasys F370 3D打印机抽屉式耗材仓有四个槽位,两个用于3D打印主体材料、两个用于QSR支撑材料。耗材的安装和更换很简单,拉开盖板、放入耗材盘并把耗材丝插入进料孔,启动进料即可。F370拥有自动进料设计,大大减少操作时的查看和等待时间。

△抽屉式耗材仓

△两个主体材料(左)两个支撑材料(右)

F370 3D打印机标配两组挤出套件,一个用来打印主体结构、一个打印支撑结构。另外PLA材料和ABS材料打印温度等参数需求不同,因此使用不同的挤出套件。而F370挤出套件采用模块化快拆装设计,四步即可快速更换打印头,操作方便快捷。

△F370挤出套件(打印头)

F370支持四种FDM 线材——ABS、PLA、PC-ABS和ASA,另外还支持QSR水溶性支撑材料。多种材料选择提供更多的用途,在打印品效果展示、功能原型测试等应用中选择对应材料;而QSR水溶性支撑材料则辅助实现更复杂的3D模型,增强F370对设计模型的形状和结构塑造能力。

△打印头组建的挤出头

另外用过3D打印机的朋友知道桌面级设备的打印平台不同位置,打印模型质量有差别,因为打印仓温度、部件运动不均匀。而F370的打印平台任何位置都能保持一致的3D打印质量,从而获得均匀、准确、高质量的3D打印成品。

总的来说Stratasys F370 3D打印机的人性化设计大大提升设备自动化程度,解放操作者的双手和大脑。使设计师、工程师聚焦于设计和产品研发上,无需为3D打印的质量或进展担心,充分释放创造力。

●触控屏 操作零门槛

Stratasys F370配置大尺寸彩色液晶触摸屏作为操控面板,操作直观简洁没有门槛。只要对3D打印有一些基本的了解,就很容易上手。

主界面显示设备状态和3D打印进度,可以清楚地看到当前设备出于忙碌/空闲的状态,以及打印完成了多少、还剩余多长的工作时间。

△主屏界面实时显示3D打印进展

下一个菜单为打印任务管理,F370采用Stratasys工业级3D打印机的“任务流”管理方式,可以一次性加载多个打印任务。当上一个打印完成,取出打印托盘后放入另一块,就启动了下一个打印任务。使用者也可以浏览查看已经完成的打印任务的详细信息,以及还有多少打印任务待处理。

△打印任务管理

△查看参数并打印

第三个菜单为耗材管理,界面直接与3D打印机的耗材仓一一对应。不仅能够查看耗材类型、余量、挤出头状态信息,而且可以启动耗材加载或替换。

第四个菜单是设备设置,包括网络设置、电源设置、打印参数设置,并可以查看设备的运行时长、默认参数等状态信息,方便使用者管理3D打印机,使设备处于良好的状态中运行。

整个F370 3D打印机的大部分操控都集中在这块彩色触摸屏上,怎么样,是不是觉得很简单?

●打印软件 对接3D建模

2014年Stratasys以1亿美元收购了3D建模软件和工程师社区GrabCAD,后来推出了GrabCAD Print软件作为3D打印机的切片和管理软件。这套软件体现出Stratasys对三维设计和3D打印的深度关注。

△3D打印机的切片和管理软件 GrabCAD Print

先看软件本身,它的工作逻辑仍然是载入模型、切片并发送到3D打印机打印,不过采用了模块化、任务流的打印管理方式。打印任务作为项目管理,一个项目对应一个设计的全部3D模型。

打印托盘在软件中虚拟化,多个模型加载到若干个不同打印托盘上,并且自动排列。一个托盘的模型打印完成后,在F370上替换新托盘,就可以开始下一个打印任务。另外同一个项目下的几个托盘还支持自动排列,将模型均匀分配到不同托盘上,最大化利用3D打印的空间。

△虚拟托盘 自动排列多个模型

在GrabCAD Print中也支持常规的3D打印选项设置,包括层厚、材料类型、填充类型等。也支持常规的模型缩放、旋转、移动操作。F370打印仓内有摄像头,联网之后在软件中能远程监控打印进展。

△打印参数设置

打印任务管理的任务流在软件中以甘特图呈现,而且打印起止时间、时长都是准确估计和呈现的,方便操作者合理安排模型打印进度。以项目管理的方式来管理3D打印任务,带来的效果就是保证3D打印模型能准确、及时交付。

△典型的甘特图 用项目管理的方式管理打印任务

目前看来,GrabCAD Print似乎也没有太多特别的地方,难道Stratasys 的1亿美元打水漂了?当然不是。目前GrabCAD Print的定位是辅助设计师、工程师多人协作实现数字模型到实体模型转换的工具,而前期多人协作3D设计就要靠GrabCAD Workbench了。

△GrabCAD Workbench

GrabCAD Workbench简单理解就是一个虚拟工作台,设计师可以远程接入、更新自己的设计、下载查看最新的设计变动,多人异地协作完成分布式的三维设计工作。而Print软件则可以直接导入Workbench的3D模型,随时打印为实体。打通了三维设计和3D打印的工作路径,提升效率。

△从三维设计到3D打印无缝衔接

另外Stratasys 和GrabCAD还在打造基于浏览器端的3D Viewer,实现页面式的3D数字模型的查看、编辑,让3D模型变得像2D的图片一样容易获取、制作和编辑。这个工具可以理解为页面版的3D美图秀秀。

△网页版的3D美图秀秀——3D Viewer

所以总的来说,Stratasys 收购GrabCAD的目标就在于打通三维设计和3D打印的流程,让二者变得更普及、大众化,变成常用工具。目前GrabCAD已经很不错,未来随着Workbench和3D Viewer的演变,当然会变得更加强大而且简单好用。

●效率测试:打印速度远超FDM桌面机

Stratasys F370 3D打印机的打印过程与桌面机型有很大不同,就是打印模型时在旁边打印一个同等高度的蝴蝶结形状冗余立柱,目的就是在切换挤出头或者每层之间不连续移动时,将喷嘴内的材料挤出一小段,保证打印模型时材料挤出的绝对均匀,从而保障始终如一的打印质量。

△每个打印模型旁边都会打印这样一个立柱

即使有这些多出来的机械动作,F370仍然有超高的打印效率。使用F370打印立方体、半球和圆锥几何模型,20x20x20mm立方体打印用时19分钟,相比桌面机型用时缩短13%到73%;40x40x20mm半球打印用时29分钟,相比桌面机型用时缩短0.06%到73%;40x40x40mm圆锥打印用时38分钟,相比桌面机型用时从几乎持平到缩短67%。F370在打印速度上有绝对的优势,能够更高效地交付模型或零部件。

△打印用时统计

切片也需要花费一些时间,仍然使用5倍立方体、2倍半球和2倍圆锥来测试切片用时。GrabCAD选择F370 3D打印机适配,测得切片时间分别为30秒、19秒和25秒,相比桌面3D打印产品处于中档,并没有常见的Cura切片高效。不过3D打印整个过程主要时间花费在打印上,十秒量级的切片用时可以接受。

△切片用时统计

在F370 3D打印过程中可以直观地看到,打印头的负载移动和空驶移动都非常快,这也是它高效率3D打印的原因所在。综合来看F370打印速度快、效率高,意味着更快地交付成品,开启下一个打印任务,也可以满足几个人的工作组多人共享使用。

●层厚精度 微距显实力

3D打印原理是分层制造的增材方式,层厚精度和每层的打印质量就决定了模型的打印效果以及表面光滑程度。我们使用微距镜头拍摄0.01英寸、0.007英寸和0.005英寸三个层厚下的3D打印立方体,来观察微观的细节。

△0.25mm层厚效果

△0.18mm层厚效果

△0.13mm层厚效果

Stratasys有着自己的层厚标准,三种层厚对应Stratasys技术工程师“10 slice”、“7 slice”、“5 slice”的叫法,也就是英寸层厚的简称;换算到毫米分别是0.25mm、0.18mm和0.13mm。

0.01英寸层厚打印的立方体肉眼视觉有较明显的层纹,0.007英寸层厚打印的立方体肉眼视觉层纹已经不明显,需要仔细辨别才能看出来,0.005英寸层厚打印的立方体侧壁表面已经非常光滑,肉眼无法分辨层纹,在微距镜头拍摄、几十倍放大之后,我们才能看到3D打印特有的层纹特征。

另外三个立方体都能看到,层与层准确对齐,层厚度均匀,无凹陷或凸起,形成高质量的表面效果。这也是F370打印品质的印证,在XYZ三个维度上都有很好的稳定性,且耗材挤出控制上佳。

●尺寸公差 精确还原设计

从X/Y/Z三个方向上测量3D打印立方体与设计尺寸的误差,设计尺寸为20x20x20mm,3D打印尺寸如下所示。

△打印件X轴方向尺寸测量

△打印件Y轴方向尺寸测量

△打印件Z轴方向尺寸测量

X/Y/Z方向上的误差分别为-0.02、-0.03和-0.07,参考机械加工行业常用的GB/T1804-2000一般公差分级标准,在6~30mm零件尺寸上误差在±0.1mm范围内,属于精密级,显示出F370工业级的增材制造能力。

△GB/T1804-2000一般公差国家标准

当然GB/T1804-2000一般公差分级标准并不是专门针对增才制造类设备的。我们期待中国或美国的增材类行业标准中纳入一般公差和等级分类,可以对F370 3D打印机的精密度做定量的评价。

●分项测试:优秀的综合能力

打印细小棱锥,考察3D打印机的细节分辨力。F370打印棱锥效果出色,平面内的9个棱锥几乎完美地还原,锥体平整利落,尖端锐利且竖直。没有出现任何拉丝、尖端变形的情况,这要归功于F370的高分辨率、蝴蝶结冗余打印设计,表明F370挤出机的材料挤出和回抽设计上佳,对极细微结构有很强的塑造能力。

△细小棱锥3D打印(左)与桌面设备(右)效果对比

打印四面薄壁,考察3D打印机的X/Y轴运动一致性。F370四个立面薄壁均打印均匀,接缝处是干净整齐的90度直角,没有出现褶皱、接缝不齐的情况,显示F370 的挤出头X/Y方向运动一致性强,运动准确快速且均匀,并且材料挤出控制很好。

△四面薄壁3D打印效果

△四面薄壁3D打印(左)与桌面设备(右)效果对比

打印细直立方柱,考察丝杆和步进电机配合稳定性,以及在上层切片的Z轴方向稳定性。F370打印细直立方柱从下到上笔直均匀,柱体四面分层对齐平整,没有任何错层、歪斜的情况,表面F370 3D打印机Z轴稳定性好,打印比较高的模型时在上层切片仍然保持很好的循迹能力。

△细直立方柱3D打印(左)与桌面设备(右)效果相近

打印垮桥结构,考察3D打印机打印不同长度悬空线条的能力。F370打印跨桥结构接近完美,五个不同长度跨桥笔直均匀、没有悬丝或下垂。显示出F370的材料挤出速率和冷却速率配合出色,跨桥塑形能力上佳。

△垮桥结构3D打印(左)与桌面设备(右)效果对比

打印不同斜度的悬空斜面,考察3D打印机在无支撑情况下的悬空结构打印能力。F370打印30/45/60/70度斜面表现出色,每个斜面上表面平整均匀,下表面整齐无凹凸、无下垂,要知道对于FDM 3D打印机来说斜面越接近水平打印难度越高。而F370仍然能够出色地还原不同斜度的斜面,效果出色。

△不同斜度斜面3D打印(左)与桌面设备(右)效果对比

里的分项测试考察FDM 3D打印机的基本成型能力,F370的打印效果接近完美,表现出准专业级的成型能力。

●整套模型测试:出色的细节塑造力

成套模型测试,考察3D打印机打印对不同形状的塑造能力。F370打印多孔模块,不同尺寸和形状的小孔打印出色,孔洞形状规则锐利,无拉丝,最小的孔洞也能够良好还原。

F370打印正/负圆锥模块,凸出和凹下的锥体光滑圆润,尖顶规则,没有毛刺或拉丝。打印曲线模块的细小连接处精细牢固,而主体的曲线结构规则准确,有一定弹性而连接处又不会断裂,效果上佳。

F370打印利刃模块,很好地还原出宽度不同、角度不同的利刃形状,并且形状都比较规则,很好地地呈现3D模型原貌。打印文字模块,良好地打印大小不同、正反向的字母X,内、外壁光滑,字体清晰,效果出色。

F370打印悬空模块,悬空结构完整,封顶无漏洞或凸起,下方无下垂或拉丝,很好地还原每个单独的悬空结构。打印裂缝模块,不规则的裂缝还原准确,凹/凸形状恰好契合,效果出色。

F370打印螺旋模块,螺旋结构规则均匀,弧度一致,并且没有拉丝,很好地还原了圆弧、螺旋的形状。

△整套模型检验F370的形状塑造能力

在这整套模型的打印过程中,F370仍然没有遇到任何挑战,结构塑造准确、形状还原良好,表现出很强的形状塑造能力。

●支撑测试:水溶材料立功

恐龙头骨的形状复杂、细小结构多,考验3D打印机的支撑效果和去除难易度。F370的水溶性支撑材料QSR显示出威力。

△带水溶性支撑材料的恐龙头骨打印效果

支撑结构比较细密,不仅支撑起孔龙头骨主体结构,而且很好地承托牙齿这种细小结构,上颌、下颌牙齿都完整打印出来。而去除时不需要用钳子、刻刀等工具,F370有专门的水溶支撑去除附件,模型放入其中浸泡冲洗,支撑材料溶于水中。带来的好处就是小孔洞中的支撑也容易去除,而模型的主体结构没有任何损坏。

△泡入水中 支撑自动溶解

△头骨牙齿细节

另外,Stratasys F123系列3D打印机均支持QSR水溶支撑材料和去处支撑附件,多台3D打印机可共用一个去支撑附件,节省设备采购成本,使设备利用率最大化。F370的支撑添加、打印效果和去除难易程度应该是满分。

●装机运行 国内典型应用解读

Stratasys F370 在国内已经有成熟的装机应用。北京奔驰是德国奔驰在海外最大的工厂,在2016年引入这款3D打印机辅助设计验证和工装夹具的开发。北京奔驰目前现有的三大产品平台包括前驱车工厂、后驱车工厂和发动机工厂,如今正在建造电动车工厂,同时进行电动车的研发和前期试做,而制造标准化电池的工装夹具是生产环节中非常重要的一环,按照2万片的产量,正常人工需要3个月时间才能完成。

△工具车间内的Stratasys F370 3D打印机

通过优化的工装夹具在同样的人力工作量下只需要2周的时间,如果通过外部供应商来设计夹具并进行电池加工,则需要50万人民币的成本支出;而最终在制造工程一部的全员改善部门的协同下,只需要4500元的费用支出,时间周期大大缩短、制造成本显著降低——成本降低了99%,效率提升了6倍。

北京奔驰全员改善部门工程师郑松鹤说:“利用StratasysF370 3D打印机进行夹具的设计验证,在生产线上进行试装运行,然后进行优化,最后交付供应商进行机加工生产,与之前的夹具开发流程相比,省去了前期沟通、验证试装环节,另外,ABS材料具有不错的耐磨性,兼具结构验证和实用性,和机加工或铸造金属夹具相比,能够很快进行试装验证,完全符合北京奔驰的柔性化改善方向。”

在职业教育领域,Stratasys F370给专业课程建设和学生技能培养带来了新鲜血液。在2017年四季度,湖北科技职业学院与行业紧密接轨,投资为3D打印实训室引进准工业级Stratasys F370 3D打印机用于教学和实训。3D打印实训室主任刘老师说:“我们在学生职业教育和技能培养上不断投入资源,在2017年四季度引入这台准工业级Stratasys F370 3D打印机。目前本专业已建成3D打印创新创业协同中心,小型的F370在普通室内环境和民用供电条件下就能正常运行,并不需要特别的装机环境。使用下来感觉精度高、3D打印质量好,水溶性的支撑能大大提升复杂模具的打印质量。为了培养学生真正用得到的职业技能,我们计划在3D打印实训室中引进更多不同技术类型、高规格的3D打印设备用于教学,培养学生的真正竞争力。”

目前Stratasys F370用于工业级3D打印基础系列课程,而且正在开展“订单培养”的校企合作计划,直接对接企业模具和原型的3D打印需求,使学生直接了解3D打印设备在企业研发、生产中的应用。专业教学课程和学生技能培养直接与产业前沿对接,培养出制造产业急需的创新人才,也解决了学生家长最关心的孩子就业问题。

●测试总结:办公室环境最佳3D打印平台

评测总结:经过测试,我们认为Stratasys F370不仅是一款堪称惊艳的3D打印机,还是一个独立的3D打印系统平台,成型能力强、打印精度高、支撑效果好且易去除;而操作起来又很简单,人工干预很少,界面直观易懂,门槛并不高。另外它的运行条件也非常宽松,普通办公室、设计工作室、学校教室都可以使用。

F370作为Stratasys替代灵感系列的高阶升级产品,保留了灵活性的前提下,多种材料以及双喷头、水溶性支撑的配置让它的成型能力得到大幅提升,价位相比定位生产级的Fortus系列更具性价比,是办公室团队后援支持的绝佳帮手,也是学校等机构作为教学实践的良师益友。

△F370准工业级3D打印机将成为办公室里的通用工具

优势:

1、与桌面级FDM设备拥有完全不同的加工能力,稳定性和打印品质表现卓越;

2、美观大方,适合不同的使用场景,设计简单易用,换料、操作、拆除模型等都有极大的优化设计,比桌面级FDM的人性化设计好太多;

3、支持水溶性支撑材料、ABS、PLA、PC-ABS和ASA,可以满足日常设计验证和结构验证以及常规塑料件的使用需求;

4、拥有完整的软件系统和工作流系统支持,按照制作复杂程度、时间以及材料的不同安排多个打印任务,而且还可以通过软件设置局部打印参数组呈现模型结构的特殊要求。

不足:

1、 F123系列售价在20-60万不等,价位对标国内企业的光固化技术和一些专业领域的3D打印机,硬件售价对于个人设计师用户有一定的门槛;

2、材料系统为非开放系统,不支持第三方耗材和一些特殊耗材,使用成本较高,FDM技术适配的材料比如TUP、PEEK、尼龙、碳纤维等,F123系列不能支持;相比Fortus系列,F123的耗材支持种类也少了很多,在零部件原型性能测试方面有所局限。

3、F123系列的打印层厚只能在软件中选择已经预设的选项,无法实现更大范围的出丝直径。挑战测试的微小鸟笼结构打印效果并不好,存在明显的拉丝现象。

Stratasys F123系列理想的应用场景是设计草稿发送3D打印,吃个午饭回来或第二天早上上班取出实体原型,进行外观验证和结构验证以及实物测试,然后进行设计优化。值得一提的是,我们的所有测试模型也是在这样的过程中完成的,一觉醒来,测试模型就打印完成了,相比桌面机的效率高太多。

Stratasys F123系列3D打印机适合设计、职业教育、装配、模具等行业,将是教室和办公室中设计和研发工程师的理想工具。

(责任编辑:中国3D打印机网)