Перейти к содержимому

Руководство по 3D-печати оправ для очков

От очков для чтения до солнцезащитных - редкий пример продукта, который можно бесконечно персонализировать с точки зрения стиля и функциональности. Производители вносят коррективы в такие важные вещи, как выбор материала, или даже в микронные различия в толщине линз.

По мере того, как разрешение, точность, универсальность материалов и процессы отделки 3D-печати становятся все более совершенными, технология представляет собой экономически эффективный метод проектирования и производства очков. 

Появление оправ, созданных с помощью 3D-печати

За последние пять лет значительно возросло число очков, чьи оправы были созданы с помощью 3D-печати, причем такой метод использовали как небольшие компании, так и крупные бренды, и это все благодаря преимуществу свободы дизайна, возможности мелкосерийного производства и экологичности, которые дает 3D-печать. 

Будь то защита, функциональные характеристики или модный аксессуар, 3D-печать проникла в данную индустрию и изменила представление дизайнеров и производителей о производстве.

Основное преимущество 3D-печати заключается в сокращении количества этапов сборки в процессе производства при сохранении высокого уровня согласованности и качества продукции. По оценкам некоторых производителей очков, производство ацетатных оправ занимает до шестидесяти отдельных этапов. 

3D-печать позволяет значительно снизить сложность сборки и связанную с ней трудоемкость при следующем базовом процессе:

SLS 3D-печать - это наиболее распространенная технология аддитивного производства для промышленного применения, которой доверяют инженеры и производители в различных отраслях благодаря ее способности производить прочные, функциональные детали. 

В SLS 3D-принтерах используется мощный лазер для сплавления мелких частиц полимерного порошка. Неплавленый порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных конструкциях (поддержках). Благодаря этому SLS 3D-печать идеально подходит для сложных геометрических форм, включая внутренние элементы, подрезы, тонкие стенки и негативные элементы. Детали, полученные с помощью SLS 3D-печати, имеют отличные механические характеристики, по прочности напоминающие детали, отлитые под давлением, что делает этот процесс идеальным для производства оправ для очков.

Швейцарский производитель очков Marcus Marienfeld использует SLS 3D-принтер Fuse 1+ 30W для производства очков конечного использования, как показано на фото выше.

Зачем нужна 3D-печать оправ для очков?

1. Устойчивость производства

В настоящее время производство оправ для очков осуществляется в основном путем литья под давлением, высечки или точной фрезеровки с ЧПУ, что вынуждает производителей вкладывать значительные средства в пресс-формы и оборудование. Аутсорсинг производства пресс-форм или обработанных деталей может занять несколько недель и стоить тысячи долларов. Чтобы оправдать затраты, производителю приходится брать на себя обязательства по выпуску чрезвычайно большого количества продукции, что может привести к снижению прибыли и большим объемам нераспродаваемых запасов.

Эта система неустойчива как с финансовой, так и с экологической точки зрения. 3D-печать позволяет компаниям иметь собственное производство без инвестиций в пресс-формы, что значительно снижает риск запуска новой линии продукции. Собственная 3D-печать освобождает производителей от высоких требований к MOQ и обязательств в отношении непопулярных дизайнов продукции, позволяя производить небольшие партии по требованию без предварительных затрат на литье. 

Большинство современных очков создается путем литья под давлением или субтрактивного процесса, когда ацетат вырезается по заданной форме. В процессе резки берутся большие листы ацетата и вырезается форма оправы, оставляя весь полученный материал в качестве отходов.

Традиционная ацетатная оправа, созданная методом резки. Источник: Visio Optical

Для сравнения, 3D-печать - это аддитивный процесс, то есть детали создаются слой за слоем из базового материала. В SLS экосистеме компании Formlabs неиспользованный порошковый материал может быть переработан для повторного применения в следующей печати, что позволяет практически не тратить материал впустую.

Напечатанные оправы из порошка Nylon 11 извлекаются из Fuse 1+ 30W.

Небольшая площадь и доступная цена экосистемы Fuse позволяет производителям приобретать несколько машин для разных мест, распределяя таким образом производственные мощности в регионы, которые физически близки к потребителям, и снижая зависимость от зарубежного производства, которое может быть замедлено из-за глобальных сложностей в цепочке поставок. Распределенное производство также снижает негативное воздействие на окружающую среду, связанное с перепроизводством и доставкой.   

2. Свобода дизайна

В отличие от других технологий полимерной 3D-печати, детали, изготовленные с помощью SLS 3D-печати, не требуют опорных конструкций, поскольку они поддерживаются окружающим слоем порошка. Благодаря отсутствию опорных конструкций, шпрюйтов или ограничений на углы осадки и подрезы, характерных для традиционных процессов формовки или резки, SLS 3D-печать обеспечивает практически неограниченную свободу дизайна, позволяя создавать передовые конструкции, которые ранее были слишком дорогими или даже невозможными для производства. 

Производственные ограничения больше не мешают дизайнерам создавать самые функциональные, самые подходящие и самые модные модели. 3D-печать оправ позволяет реагировать на потребительские тенденции быстрее, чем когда-либо прежде, позволяя брендам захватывать новые и развивающиеся сегменты рынка.

Сложная напечатанная конструкция оправы, которую было бы трудно или невозможно изготовить с помощью традиционных инструментов.

3. Персонализация

Аналогичным образом, без требований к оснастке или минимальному количеству заказов персонализация продукции наконец-то становится досягаемой, позволяя выбирать индивидуальные размеры и дизайн, чтобы предоставить клиентам совершенно уникальный или лучше подходящий продукт. 

3D-печать уже используется для персонализации продукции в таких областях, как ортопедия, аудиология, и, как правило, наибольший успех достигается, когда потребители чувствуют, что продукт действительно стал лучше, чтобы быть более функциональным или более привлекательным лично для них. При широком разнообразии возрастов, этнических групп и черт лица в современном мире, дизайнеры продуктов вынуждены отказаться от понятия "один размер подходит всем" и все больше погружаться в мир персонализации.

"Благодаря 3D-печати я могу создавать прямо сейчас. Если вы знакомы с проектированием в САПР, вы можете легко внести коррективы в 3D-модель, загрузить ее в программное обеспечение и сразу же напечатать. А когда речь идет о фрезеровании, мне бы всегда требовалась индивидуальная и дорогостоящая разработка инструмента, чтобы удерживать элементы в станке.» - Маркус Мариенфельд, дизайнер и производитель очков. 

Как изготовить оправы для очков с помощью 3D-печати?

1. Дизайн

Создание оправ для конечного использования с помощью 3D-печати имеет свои уникальные преимущества и, даже, некоторые сложности. В этом разделе мы рассмотрим текстуру деталей, варианты шарниров, проектирование неформованных геометрических форм и изготовление на заказ.

Текстура

Аддитивно изготовленные детали формируются слой за слоем, что означает, что на некоторых поверхностях могут быть видимые линии слоя, которые можно уменьшить с помощью оптимизации ориентации деталей, дизайна и дополнительной пост-обработки для сглаживания поверхности.

Добавление рельефной или тисненой текстуры на поверхность оправ и дужек - хорошо известная стратегия маскировки линий слоя на конечных напечатанных изделиях. Formlabs рекомендует использовать тиснение высотой не менее 0,35 мм и тиснение глубиной не менее 0,15 мм для обеспечения достаточной маскировки любых линий слоя.

Наконец, линии частичного слоя можно использовать как инструмент для увеличения сцепления и трения, предотвращая скольжение по лицу.

Варианты шарниров

Напечатанные петли могут быть выполнены четырьмя основными способами:

  • Традиционные винты
  • Термоусадочные вставки
  • Путем защелкивания
  • Печатные шарниры

Резьбу для шарниров можно добавить в конструкцию напечатанных деталей, но резьба традиционных винтов для очков обычно слишком мала для последовательного решения. Придерживайтесь размеров резьбы не менее ¼"-20 (имперская) или M6 (метрическая) или больше.

Напечатанная оправа, собранная с помощью напечатанной резьбы и металлического винта.

Порошки Nylon 11 и Nylon 12 позволяют использовать термоустановочные вставки и нарезанную резьбу, которые могут быть более долговечными и прочными, чем другие варианты.

Наконец, благодаря отсутствию поддержек, SLS 3D-печать позволяет использовать геометрию "печать на месте". Рамы могут быть разработаны и напечатаны с уже прикрепленными дужками, без необходимости дальнейшей сборки. Formlabs рекомендует зазор 0,3 мм для элементов площадью менее 20 мм2 и 0,6 мм для элементов площадью более 20 мм2.

Неформованные геометрии

Дужки, напечатанные материалом Nylon 11 Powder и спроектированные с использованием опций решетки в программном обеспечении nTopology.

3D-печать, применяемая в основном в более модных областях, позволила дизайнерам создавать неформованные и неразрезаемые модели очков. Неформованные геометрические формы, такие как дужки на изображении выше, могут открыть новые возможности для самовыражения пользователя, или, наоборот, могут позволить предельно облегчить компоненты для повышения комфорта пользователя.

Оправа и дужки очков, 3D напечатанные на принтере Fuse 1+ 30W, разработанные и изготовленные Альваро Планчартом.

2. 3D-печать

3D-принтер для создания оправ

SLS экосистема серии Fuse предлагает доступное и масштабируемое решение для производства оправ благодаря надежному оборудованию, материалам промышленного класса и интуитивно понятному пользовательскому интерфейсу.

SLS 3D-принтер Fuse 1+ 30W (слева) и устройство для пост-обработки Fuse Sift (справа)

Материалы для 3D-печати оправ для очков

Система Fuse 1+ 30W предлагает два материала, достаточных для производства очков: Nylon 11 Powder и Nylon 12 Powder. Оба материала являются термопластами, как и ацетат, что означает, что оптики могут нагревать оправы и дужки для лучшего прилегания к лицу после печати.

При сравнении функциональных характеристик с ацетатом, TR90 и поликарбонатом оба материала SLS чрезвычайно сопоставимы, при этом Nylon 11 Powder предпочитают некоторые клиенты из-за его более высокого удлинения при разрыве и экологичности.

В реальных функциональных испытаниях Nylon 11 Powder продемонстрировал впечатляющую пластичность и ударную прочность:

При создании долговечного, устойчивого продукта, который будет подвергаться различному воздействию, следует учитывать дополнительные экологические и материальные свойства.

Благодаря более низкой плотности, низкому водопоглощению, высокой теплостойкости и устойчивости к воспламенению, Nylon 11 и Nylon 12 могут быть использованы для более функциональных применений, таких как защитные очки на производстве или для использования в полевых условиях, что позволяет создавать легкие оправы, способные выдерживать интенсивные условия окружающей среды. 

Наконец, Formlabs Nylon 11 Powder - это 100% возобновляемый материал на биооснове, поскольку его получают из экологически чистых касторовых бобов, что делает его более экологичным вариантом, чем некоторые пластмассы, полученные из нефти. По сравнению с Nylon 12 Powder, Nylon 11 Powder обеспечивает снижение воздействия на углерод на 60%. 

Обработка поверхности

Качество поверхности напечатанных оправ для очков сильно зависит от дизайна модели, и различные ориентации дают разное качество поверхности. Компания Formlabs провела обширное тестирование ориентации деталей и пришла к выводу, что ориентация печати оправы под углом 45 градусов в порошках Nylon 11 Powder и Nylon 12 Powder дает наиболее оптимальную эстетическую обработку поверхности на примере круглой оправы. Какая бы сторона детали ни была обращена ко дну рабочей камеры, поверхность будет немного более гладкой.

Передняя часть оправы, ориентированная под углом 45 градусов в PreForm для наиболее оптимальной эстетической отделки поверхности

Наращивание потенциала

При ориентации под углом 45 градусов в камеру сборки Fuse 1+ 30W помещается 82 примера оправ. Этот сценарий обеспечивает плотность упаковки 10% и время сборки 21 час при использовании порошка Nylon 12 по состоянию на март 2023 года. 

Компания Formlabs постоянно совершенствует настройки печати. Свяжитесь с компанией Formlabs для получения наиболее актуального анализа времени печати и затрат или для получения анализа для вашего собственного дизайна детали.

82 модели оправ одновременно в PreForm

3. Варианты отделки

Естественная эстетическая отделка обоих нейлоновых порошков имеет непрозрачный серый цвет с более грубой поверхностью, чем у полированного ацетата. Для достижения отделки, более схожей с отделкой традиционных очков из ацетата или TR90, следует рассмотреть различные варианты отделки. 

Оправы, напечатанные с помощью Nylon 11 Powder, слева направо: необработанные на принтере; обработанные вибротрамбовкой; обработанные паром; окрашенные в черный цвет; окрашенные в синий цвет; белый Cerakote.

Подготовка поверхности детали

Подобно тому, как традиционные ацетатные рамки часто обрабатываются в деревянной среде, напечатанные рамки получают большую пользу от нескольких часов в вибрационном галтовочном станке. При использовании керамической среды со смазкой компания Formlabs наблюдала снижение шероховатости поверхности на 80%, в результате чего поверхность становится гладкой на ощупь. Компания Formlabs использует вибротрамбовку Mr. Deburr 300DB - недорогой и простой в использовании вариант.

Оправы напечатаны на PA11; (Внизу) Вибрационное галтование; (Слева по центру): Керакот; (справа по центру) сглаженный паром; (вверху) Керакот.

Варианты окрашивания

Простым и экономически эффективным вариантом окрашивания деталей является использование системы окрашивания в водяной ванне. Детали погружаются в нагретую водяную ванну с красителем, который проникает во все поверхности детали, навсегда изменяя ее цвет. Из-за серого цвета порошка невозможно получить очень светлые цвета, такие как белый или ярко-желтый, с помощью процесса окрашивания. 

Однако такие цвета, как черный, красный, зеленый, фиолетовый и синий, достижимы даже при использовании базовой установки для окрашивания с горячей плитой, кастрюлей и нейлоновым красителем RIT. В качестве альтернативы существуют промышленные решения от таких компаний, как Dyemansion, которые обеспечивают повышенную насыщенность цвета и точное соответствие цвета.

Оправы напечатаны порошком Nylon 11 и окрашены в водяной бане.

Formlabs также использует покрытие Cerakote для улучшения механических свойств детали и обеспечения широкого разнообразия цветов. Cerakote - это тонкопленочное керамическое покрытие толщиной от 0,00635 мм до 0,0254 мм, не требующее грунтовки. 

После нанесения покрытия напечатанные SLS детали могут рассчитывать на улучшение химической стойкости и устойчивости к царапинам. Cerakote также может использоваться для получения глянцевой поверхности, причем цвета могут варьироваться от пастельных до металлических и всех остальных. Кроме того, после нанесения покрытия на детали можно наносить лазерное изображение для получения интересных узоров или нанесения информации, например, логотипов или сериализации. 

Cerakote также может быть использован для достижения глянцевой отделки, благодаря настраиваемым графикам отверждения глянца.

Оправы напечатаны с помощью Nylon 11 Powder и покрыты Cerakote H-Series.

Гидропогружение также достижимо для напечатанных SLS деталей.

Наконец, выравнивание паром - это процесс химического уплотнения и выравнивания поверхности SLS 3D-печати. Сглаживание паров обеспечивает поверхность, подобную поверхности литья под давлением, со значительно улучшенной шероховатостью, а также устойчивостью к влаге и росту бактерий, при этом обеспечивая глянцевую отделку поверхности.

Formlabs использует технологии аддитивного производства (AMT) для паровой гладкости деталей очков. Кроме того, детали могут быть окрашены в водяной ванне до или после паровой гладкости, что позволяет закрепить новый цвет детали и придать ей дополнительный блеск.

Оправы, созданные с помощью Nylon 11 после выравнивания паром.

Попробуйте сами

Хотя компания Formlabs изучила и разработала множество вариантов отделки для улучшения качества поверхности напечатанных SLS деталей, существует еще много неисследованных возможностей. Многие клиенты добились успеха, заказав бесплатные образцы деталей очков, а затем применив собственные запатентованные технологии отделки (различные галтовочные среды, лакирование, покрытия и т.д.) для достижения уникальной эстетики. 

Дополнительные возможности использования 3D-печати в индустрии очков

Прототипирование

Как система Fuse 1+ 30W, так и система SLA с Form 3+ могут использоваться для создания прототипов очков для проверки размеров, посадки и общего дизайна. 

Выбирайте материал Nylon для Fuse 1+ 30W для создания функциональных прототипов, которые можно носить и тестировать в течение длительного времени. Выбирайте систему Form 3+ для создания эстетических прототипов, демонстрирующих внешний вид с прозрачностью, подобной ацетату и поликарбонату. Прототипы, напечатанные методом SLA, можно носить в течение нескольких недель, но они не подходят для длительного ношения, если на них не нанесено УФ-блокирующее покрытие. 

Компания Plastinax использует SLA 3D-принтер Form 3+ для изготовления внешне похожих прототипов полупрозрачных материалов.

Пользовательское тестирование

Используйте Fuse 1+ 30W для создания оправ, которые можно тестировать и оценивать во время срока службы и пользовательских испытаний для быстрого получения отзывов и итераций по размерам и дизайну.

Оправы напечатаны с помощью Nylon 12 и обработаны компанией Plastinax.

Оснастка и приспособления

Благодаря высокой ударопрочности Nylon 12 и Nylon 11 хорошо подходят для изготовления специальных оснасток и приспособлений. Материалы Formlabs Nylon достаточно прочны, чтобы сгибать некоторые металлы, используемые в традиционных оправах и дужках, такие как титан, при давлении более 90 кг. 

Маркус Мариенфельд использует Fuse 1+ 30W и материал Nylon 11 Powder для сгибания оправ и дужек.

Короткосерийное литье под давлением и вакуумная формовка

Использование SLA 3D-принтеров Form 3+ или Form 3L и смолы Rigid 10K для производства литьевых форм является обычным делом во многих отраслях промышленности. Благодаря высокой термостойкости и тонкой обработке поверхности, смола Rigid 10K может использоваться для малосерийного литья под давлением рам и дужек, а также для изготовления форм для производства вакуумной упаковки. 

Напечатанные литьевые формы, изготовленные из смолы Rigid 10K (слева), напечатанные формы для термоформования упаковки, изготовленные из смолы Rigid 10K (справа). 

Построение бизнес-кейса

Собственный бизнес или создание новой линии продукции с помощью 3D-печати с каждым днем становится все более доступным и экономически эффективным. Один 3D-принтер Fuse 1+ 30W может обеспечить производство 19 000+ оправ в год или 50 000+ оправ в год при неоптимизированном пятидневном графике производства. 

Вариант 1: Собственное производство

Наиболее эффективным и экономичным способом производства напечатанных оправ является собственное производственное оборудование. Это подразумевает приобретение экосистемы Fuse 1+ 30W. 

Преимущества вертикально интегрированного производства 3D-печати включают в себя более быстрый возврат инвестиций, более жесткий контроль качества, возможность изменять дизайн и переходить от прототипирования к производству на одной и той же машине, а также возможность использовать экосистему для других целей, например, для создания заготовок и приспособлений. 

Экосистема Fuse 1+ 30W разработана для максимально возможной доступности, она очень проста в использовании, и большинство пользователей освоят работу с оборудованием в течение нескольких часов. Кроме того, экосистема имеет минимальные требования к помещению, что позволяет быстро установить ее и легко масштабировать по мере роста спроса.

Серия Fuse легко масштабируется по мере роста спроса.

Вариант 2: Аутсорсинг 

В мире существует множество сервисных бюро с различными уровнями возможностей "под ключ", начиная от тех, которые занимаются только 3D-печатью, и заканчивая сервисными бюро, предлагающими услуги по дизайну, печати, последующей обработке и упаковке.

При работе на аутсорсинге ожидайте того, что стоимость каждой детали будет выше. Однако сервисные бюро могут быть хорошим вариантом для тех, у кого нет места или капитала для инвестиций в производственное оборудование, или для тех, кто хочет провести эксперимент в небольших объемах. 

Предыдущая статья Новый BCN3D Omega I60: высокоскоростной промышленный 3D-принтер, созданный для производственных цехов