堅韌、可加工、防水：Nudge Zero 背後的材質
Nudge Zero 的外殼零件以 Tough 2000 Resin 在 Form 4L 上列印，兼具防水性、抗衝擊性與精密尺寸精度。
幾何複雜性、防水性、抗衝擊性、精密度、可攻牙性、生物相容性……Nudge Zero 對材料的要求之高，唯有內部 3D 列印才能在所需時程內一一滿足。Nudge Zero 預計成為 II 類醫療器材，透過低強度聚焦超音波技術，有朝一日治療各類腦部疾患，從鴉片類藥物成癮到耳鳴、再到憂鬱症。這些零件的要求極為嚴苛，其中部分必須在核磁共振（MRI）環境中正常運作。此外，工程師還需要能夠在一天或更短時間內完成迭代。即便是幾年前，生產這些零件幾乎是不可能的任務，但隨著 3D 列印技術與材料的進步，Nudge 團隊得以在不到一天的時間內完成內部迭代。
Nudge Zero 由三個組件構成：核心部分——一個高通道數超音波相控陣列，整合於可在 MRI 機器中使用的頭盔結構內；推車——負責對超音波陣列所需的水進行脫氣、去離子化及加熱；以及驅動電子設備——負責產生超音波陣列波束成形所需的波形。推車與核心均使用在 Form 4L 上列印的 3D 列印零件，包括核心的外殼。此外，矽膠零件以 3D 列印模具澆鑄成型——以上所有工序均可在不到一天內完成。
為工作選用最合適的材料
材料至關重要。核心的部分零件必須防水且抗衝擊，以承受敲擊與日常使用，另一些則必須具備生物相容性。Schmitz 為零件選用多種 Formlabs 材料，最近更將全新版本的 Tough 2000 Resin 加入材料清單。
Tough 2000 Resin：取代機械加工聚碳酸酯
Tough 2000 Resin 是一種剛性強、強度高、抗衝擊的材料，性能媲美 ABS。Schmitz 最初以一個急需的薄壁零件測試全新版本的 Tough 2000 Resin。這個 1 mm 厚的零件扣入定位後完好無損。Schmitz 隨後取出多餘列印件進行進一步測試。
按鈕面板以 Tough 2000 Resin 列印，取代原先需要委外加工的聚碳酸酯零件。
在重新設計外殼蓋板的過程中，Schmitz 改用 Tough 2000 Resin 列印，取代了原本需要委外進行機械加工的聚碳酸酯零件。有了 Form 4L，Schmitz 可以隨時重新設計，並在數小時內取得成品。
Tough 2000 Resin：大型防水外殼，兼具精細細節
陣列外殼體積較大，長約 300 mm、直徑約 250 mm，由兩個必須扣合且保持防水的部件組成，對尺寸精度及抗翹曲、抗潛變性能要求極高，同時還需要精細的細節解析度。由於裝置必須在 MRI 環境中使用，所有部件均不得含有金屬——螺絲必須全部使用塑膠材質。此外，裝置需要跨越數個街區運送至 MRI 機器進行使用，再搬回不同的測試場地，運輸過程並不輕巧，外殼必須具備抗衝擊性。
組件之間夾入橡膠墊圈接合，鎖緊後即可實現防水。Schmitz 還額外塗抹了一薄層 RTV 矽利康，以「防萬一」為由確保萬無一失。「我們發現，尤其配合新版支撐結構，整體列印效果非常好，組合時不會出現大縫隙。」
外殼原本委外進行選擇性雷射燒結（SLS）3D 列印，但在 Schmitz 對 Tough 2000 Resin 完成測試後，加上 Form 4L 的成型體積，他嘗試將外殼改為內部列印。Tough 2000 Resin 不僅具備所需的抗衝擊性，其尺寸精度與表面光潔度更優於委外的 SLS 零件。Schmitz 將孔位列印至標稱攻牙尺寸，再以鑽頭進行後處理。
外殼組生產成本對比：
| 列印方式 | 總成本 |
|---|---|
| 委外大型格式 SLS | $7,000–$10,000 美元 |
| 內部 Form 4L | $145 美元 |
時間節省對比：
| 方式 | 零件生產時間 | 打磨時間 | 底漆與上色時間 | 合計 |
|---|---|---|---|---|
| 委外 SLS | 5 天（加急） | 8 小時 | 2 小時 | 5 天 + 10 小時後處理 |
| 內部 SLA | 1 天 | 3 小時 | 2 小時 | 1 天 + 5 小時後處理 |
重新製作時也節省了大量時間。Schmitz 表示：「新版 Tough 2000 外殼的尺寸精度比委外的外殼更高。」在後處理的時間與人力成本方面也有顯著節省。委外的大型格式 SLS 零件需要額外八小時打磨，而使用 Form 4L 的 Tough 2000 Resin，現在只需局部打磨，再噴底漆、上色即可達到所需色彩效果。礦物油拋光曾被嘗試過，但礦物油在 MRI 環境下會產生螢光反應，因此排除。展望量產，Schmitz 認為若需生產數百件，可能會採用射出成型，但由於存在大量倒扣與內孔，需要進行大幅重新設計。因此，「即便需要製作 50 件，我們可能仍會選擇以 Tough 2000 Resin 列印。」
灰色樹脂：模具與測試零件
Nudge 以 Grey Resin 列印複雜的二件式、三件式及四件式矽膠模具，用於製作各類矽膠零件。
Nudge 的四台 Form 4L 幾乎全天候不間斷運作。所有測試零件與模具均以 Grey Resin 列印，這是 Nudge 最常用的主力材料。Schmitz 以 Grey Resin 製作複雜的二件式、三件式乃至四件式矽膠模具。由於幾何形狀複雜、存在大量倒扣，這些模具無法以任何其他方式生產，包括五軸 CNC 加工也不例外。
頭部密封墊圈是一種貼合式墊圈，用於將使用者的頭部密封至核心的水浴槽中。這個大型零件的模具存在大量倒扣，使 3D 列印成為最理想的生產方式。此外，在 Form 4L 上，「所有這些模具零件兩個半小時就能列印完成，所以你可以在午餐前完成一次迭代，澆鑄墊圈，去吃午飯，回來測試，下午再做一次，」Schmitz 說。「如果不合適，同一天就能再做一個。真的很厲害。我們已經做了幾十個了。」
Rigid 10K Resin：熱成型模具
部分熱成型模具以高玻璃纖維填充的 Rigid 10K Resin 列印，適用於需要承受大量成型循環的高要求模具。
部分熱成型模具以 Grey Resin 列印，這是 Nudge 首選的高性價比主力材料。但對於小型零件、需要極精細細節，或需承受大量循環而不產生翹曲的模具，則改用 Rigid 10K Resin。Rigid 10K Resin 作為高玻璃纖維填充材料，在高溫高壓下表現穩定，非常適合承受熱成型零件大批量生產所帶來的要求。
生物相容性樹脂
陣列外殼以 BioMed Clear Resin 列印，確保與皮膚或水浴槽接觸的零件符合生物相容性要求。
測試零件通常以 Grey Resin 列印。但一旦規格確定，凡是需要接觸皮膚或水浴槽的 3D 列印零件，均改以生物相容性樹脂生產，包括用於陣列外殼的 BioMed Clear Resin，以及 Tough 1500 Resin。
尼龍 12 粉末
以 Fuse 1+ 30W 列印的尼龍 12 粉末零件，用於使裝置在震動 MRI 機器內保持穩固所需承受壓力的調節結構。
除了樹脂 3D 列印之外，Schmitz 也在 Fuse 1+ 30W 上進行列印。尼龍 12 粉末用於製作讓裝置具備可調性的組件，同時這些組件還需承受在震動的 MRI 機器內固定裝置所產生的應力與壓力。Schmitz 使用 PreForm 的自動排版（Autopacking）功能將列印時間最小化。
3D 列印終端零件
Nudge Zero 目前正在進行內部測試。每一次測試都帶來對新零件的需求以及設計更新。雖然這款裝置未來或許會採用傳統方式製造，但這需要對許多零件進行重新設計，因為複雜的幾何形狀無法以機械加工方式實現。Schmitz 表示，他可以設想 Nudge Zero 未來依靠 Form 4L 與 Fuse 1+ 30W 的能力以及高性能材料，持續在內部進行生產製造。