快速成型：现代产品开发方法

“快速成型技术可以快速制作定制的 2D 或 3D 模型和组件，从而可以在最终制造之前进行小批量生产和测试。”

实际上，许多团队依赖于 CNC手板加工 快速原型制作：生产具有严格公差和高表面质量的功能原型。 原型制作是一种小批量生产工艺，能够根据零件设计在短时间内制造出实际的零件或组件。通过多次设计和制作原型，工程师和设计制造商可以快速、经济地开发出更优质的最终产品。

在本指南中，您将了解 快速制造本文将介绍 3D 打印技术及其用途，以及 3D 打印如何帮助创建原型。为了高效地从概念阶段过渡到验证阶段，工程师通常会遵循结构化的流程。 原型开发过程 整合了多种制造方法。

 

什么是快速成型技术及其意义？

快速成型

在竞争激烈的世界中，组织必须发挥创造力，尽快将新产品推向市场。因此，它通过允许团队快速完成周期来改进设计。 

验证和改进设计 

快速制造使产品设计能够在早期就其形式、适合性和功能进行测试。这种早期测试有助于确定最终生产中遇到的问题并纠正这些问题。此外，它还能保证产品符合技术规格和业务目标，从而增加其在市场上取得成功的可能性。 

将原型设计纳入组织的开发流程可以提高产品在市场上的质量和适用性，从而提高用户的性能和满意度。

 

只需三个简单步骤即可快速制作原型

快速成型可提高产品开发速度，因为它需要快速开发模型。这种迭代过程对于以经济实惠的方式微调设计非常有效。 

创建 

在创建阶段，目标是将原型设计概念付诸实践。首先，绘制设计概念草图。使用 CAM/CAD 软件将这些想法开发成精确的 2D 或 3D 模型。选择适合原型开发的材料。然后，使用最佳流程组装原型设计。 

评估 

接下来，评估设计。原型评估过程确定开发的原型满足设计要求和用户要求的程度。此过程包括在现实条件下进行功能、性能和可用性测试。从利益相关者处收集数据，以确定当前的挑战和改进的可能性。目标是确保原型按照设计解决预期问题。在开始批量生产之前改进原型的过程有助于最大限度地降低一些风险，或至少减少其影响并节省资金。它还可以确保成功推出产品。 

提高 

原型改进阶段旨在根据反馈和测试结果增强所开发的原型。它需要在进行大规模生产之前进行一些修改，以提高可用性、效率和有效性。

 

区分快速成型与 3D 打印

尽管快速成型和 3D 打印是同一语境中使用的术语，但它们是不同的。成型包括从计算机模型开发物理模型的几个过程。另一方面，增材制造是一个广泛的类别，而 3D 打印是一种涉及分层创建对象的技术。虽然 3D 打印因其生成原型的效率而受到欢迎，但它只是可用于快速成型的工具之一。 

3D 打印的演变  

最初，3D 打印主要用于快速制作原型。然而，随着技术的发展，它能够生产出可直接用于应用的高质量部件。然而，这并没有消除使用 3D 打印进行原型制作的趋势，因为有些方法成本更高。区分技术（3D 打印）和应用（快速原型制作）对于选择最佳策略至关重要。 

 

快速成型的三种类型

快速成型技术可分为三种主要类型：

低保真度原型 

第一个也是最基本的原型是低保真原型，包括纸质模型和简单的线框。它们在设计过程的早期阶段最有用，因为此时重点更多的是设计的识别而不是其细节。这些原型有助于通过快速查找和评估来生成第一个概念。关于构建这些原型的具体信息，可能需要搜索有关线框工具和策略的信息。 

中等保真度原型 

与低保真原型相比，中保真原型包含最多的交互和一些视觉效果。由于可用的设计工具和系统，这种保真度水平如今经常用于快速原型设计。因此，通过使用 Figma，设计师可以在可用资产和设计系统的帮助下构建这些原型。这样，人们就可以尝试重要的交互和工作流程，而无需了解实施细节。 

高保真原型 

逼真的原型是准确的，几乎与实际产品相似。它们可以是供用户测试的 UX 模型，也可以是旨在交付给用户或开发人员的完整编码应用程序。如果设计库包含交互功能，则创建高保真原型会更容易、更快。假设您对构建高度逼真的原型的最佳实践感兴趣。在这种情况下，最好搜索专注于现代原型设计方法的文章和资料。

什么是金属的快速成型方法？ 

金属基快速成型技术是快速成型满足精度和强度要求的零件的理想选择。这些原型可能会受到热应力或机械应力的影响，尤其是在重型机械和航空航天等领域。

金属铸造、钣金加工、3D打印和CNC加工是制造商用来制作金属原型的主要方法。如下所示，每种方法在制造过程中都占据着特殊的地位。 原型制作行业这些方法是更广泛方法的一部分。 金属原型制作方法每种都适用于不同的结构和性能要求。

• 金属铸造原型

对于难以通过 3D 打印或 CNC 加工制造的复杂形状，金属铸造原型是更优的选择，尤其是在材料加工性能较差的情况下。由于熔融金属被浇注到模具中，因此几乎可以轻松打造任何复杂的几何形状。

Benefits

• 坚固耐用
• 经济高效
• 用途广泛——多种金属合金
• 适合复杂的内部几何形状

限制

• 初期投资成本高
• 材料浪费
• 需要很高的专业知识

铸造金属原型

表面光洁度可能不是最好的，但可以通过喷漆和涂层等补充工艺进行改进。

• 钣金原型

用于原型制作的钣金工艺是一种利用薄金属板制造零件的方法，通常用于…… 钣金原型制作 用于外壳和支架。

钣金原型制作

最好的钣金制造服务提供商可以根据客户对公差、表面光洁度、体积等的要求开发任何钣金原型。

优点

• 快速周转
• 经济高效的薄壁快速成型零件
• 多种金属

限制

• 厚度限制
• 回弹等问题
• 不适合复杂的弯道

• CNC加工金属原型

数控加工工艺凭借其高速、低成本和优异的表面光洁度，成为快速原型制作的理想选择。 用于原型制作的数控加工工艺 速度快、成本低、表面光洁度好，也是一个同样令人兴奋的选择。

数控加工 

优点

• 严格的公差和尺寸精度
• 可以产生底切和其他复杂的几何形状
• 卓越的表面光洁度
• 可加工多种金属等级

限制

• 材料浪费严重
• 耗时，尤其是对于复杂的零件
• 复杂零件成本高昂

• 3D打印金属原型

当传统金属制造技术无法制造原型时，制造商可以使用直接金属激光烧结 (DMLS)、选择性激光熔化 (SLM) 和其他金属 3D 打印方法。其他方法无法成功加工的材料可以逐层打印，以生产复杂的快速原型零件。

金属3D打印

优点

• 无需夹具和工具
• 材料浪费最少
• 可以同时生产多个零件
• 可以产生复杂的内部几何形状

限制

• 通常需要进行后期处理
• 设备和原材料成本高
• 较大的部件需要更长的时间

• 金属注射成型

该工艺主要包括四个步骤：原料制备、注射成型、脱粘和烧结。金属注射成型是一种有效的复杂金属零件快速成型方法。

MIM 是一种经济高效的大批量小型复杂零件原型制造技术。手机插头和手表外壳就是采用这种技术生产的。

优点

• 适用于薄壁零件（小于100微米）
• 低环境影响
• 快速的过程
• 对于小零件来说具有成本效益

限制

• 仅限于小零件的生产。大零件成本太高。

基于塑料的快速成型

当成本效益和速度成为快速成型的首要考虑因素时，塑料部件通常是最佳选择。消费品、医疗产品和电子产品制造商通常使用塑料来构建其功能原型。

根据原型所需的细节水平、表面光洁度或强度，选项包括 PolyJet 3D 打印、熔融沉积成型 (FDM)、选择性激光烧结 (SLS) 和立体光刻 (SLA)。

• 快速注塑成型

快速注塑成型利用高压将热塑性树脂压入模具。这是一个快速的工艺，遵循以下步骤：

• 使用 CAD 软件进行设计
• 模具生产
• 选择树脂材料
• 注塑
• 散热器
• 后期处理

优点

• 速度和效率
• 成本效益高（适用于中低产量）
• 材料通用性
• 快速响应市场

限制

• 初期成本高
• 昂贵的设计修改
• 交货时间最初很长

• PolyJet 3D 打印

该技术需要喷涂多层高分辨率的薄光聚合物树脂。树脂由特殊的凝胶基质固定，在工艺完成后被移除。

PolyJet 3D打印流程图

PolyJet 用于制造薄壁复杂部件，并有多种颜色可供选择。其局限性在于强度低，不适合进行功能测试。

优点

• 卓越的表面光洁度
• 多色、多材质
• 最少的后处理

限制

• 机械性能差
• 零件可能老化得更快
• 不适用于功能部件

• 熔融沉积建模（FDM）

熔融沉积模型

简单来说，FDM 涉及使用多层热塑性材料创建 3D 部件。这种快速成型方法适用于各种材料，并且价格相对实惠。其挑战在于表面光洁度较差以及 Z 轴强度有限。

优点

• 多种热塑性材料选择
• 最少的后处理
• 大容量

限制

• 可见层线
• 需要支撑结构
• 收缩和翘曲问题

 

 

何时使用快速原型技术？

快速原型法适用于需要对概念或设计功能进行反馈的情况。它最适合用于尽早测试关键屏幕或流程，即使最终效果不尽如人意也无需过于担心。这种方法相对非正式，无需太多前期准备。然而，它也包含一些关键步骤。当需要开发一个可能根据用户反馈频繁修改的系统时，这种技术最为有效。它有助于确保最终成果既能被用户接受，又能为企业带来利润。在这个阶段，明确定义一个清晰的…… 原型开发工作流程 帮助团队更快地迭代并减少重新设计周期。

 

用于开发产品的快速原型技术？

为了获得真实的反馈，模型应该尽可能逼真。至于建议，建议避免它们与实际产品之间的差异，以避免反馈出现偏差。这意味着开发具有准确数据和图形的可点击模型，即使它们是假的。 

高保真原型的开发非常接近实际产品。这意味着用户需要充分安排交互和利用路径。这些逼真的原型需要软件开发和用户体验 (UX) 方面的技能。它们通常是即时构建的，而不是按计划构建的。 

有时，可以开发一个成熟的原型，但这可能过于繁琐或成本过高。线框图以用户和网站之间简单的交互和流程的形式提供了解决方案。产品经理创建这些简化的设计，可用于与用户的首次测试。它们有助于确定开发工作原型所需的主要参数，从而使原型的创建更加容易。 

可点击或外观原型介于线框和功能模型之间。尽管这些设计并非完全基于数据，但它们允许用户收集有关各个方面的反馈。它们可以借助设计和用户体验工具快速开发，这些工具提供有关用户行为和偏好的数据。 

此外，快速原型设计可以理解为同时创建多个原型，并进一步进行测试和评估。这种方法允许团队同时比较不同的版本，并确定哪个版本最受用户欢迎。

 

快速成型技术有哪些优势？

如上所述，快速原型制作具有诸多优势，主要体现在两个方面。首先，它能确保产品或组件符合设计规范，因为在此阶段即可评估用户对产品或组件及其性能和功能的理解能力。这有助于在大规模生产之前改进设计。其次，它能降低成本，因为它无需像大规模生产那样使用模具和制造设备。然而， 数控 快速原型 成本并不算高，3D打印、CNC加工或铝快速成型等技术常用于小批量生产。然而，选择合适的方法也需要进行评估。 原型制作成本因素 跨越不同的流程。

与其他任何活动一样，原型制作方法有很多种，每种方法都有优点和缺点。上面讨论的方法是最常见的，根据技术水平，设计师必须为项目选择最佳方法。这将需要确定各种原型制作方法的优点和缺点。因此，考虑到每种方法的描述和可以识别的材料的特性，人们可以做出决定。决策指南还包括选择原型制作技术时要考虑的一些因素。其理由是帮助获得使用原型进行开发过程的正确解决方案。

 

比较快速制造工艺

以下是一些快速制造工艺及其特点。这些工艺广泛应用于以下行业。 汽车原型设计 以及 航空航天原型.

SLA（立体光刻） 

SLA快速制造

立体光刻 (SLA) 涉及使用激光固化光聚合物并从单层开发原型。该技术提供的强度范围为 2,500 至 10,000 psi（17.2 至 68.9 MPa）。标准层厚度在 0.002 至 0.006 英寸或宽度为 0.051 至 0.152 毫米之间。SLA 最精确，通常与热塑性光聚合物一起使用。 

SLS（选择性激光烧结） 

SLS 原型部件

选择性激光烧结 (SLS) 使用激光熔化粉末材料。所生产部件的强度从 5,300 到 11,300 psi 或 36.5 到 77.9 MPa 不等。添加剂层通常厚度为 0.004 英寸 (0.102 毫米)。SLS 通常应用于尼龙和 TPU 材料，具有良好的机械性能和较长的使用寿命。 

DMLS（直接金属激光烧结） 

DMLS 原型设计

直接金属激光烧结 (DMLS) 是一种利用激光熔合金属粉末的工艺。该工艺可产生 37,700 至 190,000 psi 的高强度。层厚度通常在 0.0008 至 0.0012 英寸（0.020 至 0.030 毫米）之间。DMLS 非常适合制造不锈钢、钛​​、铬、铝和 Inconel 等金属零件，并用于生产坚固且高性能的零件。 

FDM（熔融沉积建模） 

熔融沉积成型

熔融沉积成型 (FDM) 是一种分层挤压热塑性材料的工艺。它可生产出强度介于 5,200 至 9,800 psi（35.9 至 67.6 MPa）之间的部件。层厚度从 0.005 到 0.013 英寸（0.127 至 0.330 毫米）不等。FDM 最常用的材料是 ABS、PC、PC/ABS 和 PPSU。与其他方法相比，这种方法因其有效性和成本效益而被广泛使用。 

MJF（多喷射熔接） 

多喷射熔合（MJF）原型

多喷射熔合 (MJF) 采用喷墨阵列选择性熔合尼龙粉末。所制造部件的强度约为 6,960 psi (48 MPa)。层厚度范围为 0.0035 至 0.008 英寸（0.089 至 0.203 毫米）。MJF 通常与最终部件的精细细节和良好的机械性能有关，通常由黑色尼龙 12 制成。 

PJET（聚合物喷射）  

PJET 原型设计

PolyJet 技术使用紫外线固化喷射光聚合物。通过此工艺制成的组件的抗拉强度在 7200 至 8750 psi 或 49 至 6 MPa 之间。添加层的厚度通常在 60 至 3 英寸（0.0006 至 0 毫米）之间。PolyJet 使用丙烯酸基和弹性光聚合物等材料制作非常精确的原型。  

CNC（计算机数控加工） 

快速 CNC 原型制作需要通过应用计算机数控铣床和车床来创建零件。产生的强度在 3,000 至 20,000 psi（20.7 至 137.9 MPa）之间。这种减材制造方法可生产出精确且高度成品的产品。它用于许多商品和工程级 塑料原型。

IM（注塑成型） 

IM 是一种使用铝制工具来模制零件的工艺。该工艺可制造强度范围为 3,100 至 20,000 psi（21.4 至 137.9 MPa）的零件。模制的零件还可以具有光滑的表面或选定的纹理。注塑成型灵活，可以加工商品和工程热塑性塑料、金属和液体硅橡胶等材料。

 

快速成型的优点和缺点

优点

加速设计测试

快速成型是一种在短时间内构建零件实际尺寸模型的技术，因此可以评估设计。这种快速循环有助于快速响应设计问题及其相应的解决方案。 

支持多种设计变更

它允许经常更改设计而对成本影响不大。这使设计具有进步性，从而有助于在后续周期中改进设计。 

降低成本

从生产角度来看，快速成型更便宜，因为它不需要模具和工具。因此，它成为一种经济实惠的创意生成方法，并可作为在市场或环境中对创意进行第一阶段测试的方法。 

缩短上市时间

这是因为相对较快地创建原型有助于整体产品开发。这意味着产品可以更快地开发并推向市场，这是一种竞争优势。 

提高设计精度

快速成型有助于产品的微调，因为测试是在原型上进行的。这有助于实现预期的设计和用户对最终产品的期望。 

缺点

过度使用会导致更高的成本

如果原型设计的范围达到最大程度，或者对原型设计的重要性管理不善，那么成本就会更高。这就是为什么有必要预防原型设计和项目需求，以便只花费必要的资金。 

不适合所有发展阶段

这与早期的讨论一致，当时人们强调，快速成型不能应用于产品开发过程的所有阶段。有些阶段可能仍需要采用传统的制造方法来实现精度和刚度。 

可能会提供误导性的结果

初始阶段的原型设计可能对确定产品的最终性能甚至产品的整体外观没有多大帮助。这可能会导致对目标市场做出错误的假设，甚至可能做出错误的开发决策。 

不适合大规模生产

快速成型技术适用于产品的小规模和初步测试。由于涉及多个制造工序，因此不适用于大规模生产。 

技术限制

使用某些快速成型技术的一些缺点包括：材料选择、精度和强度。这些缺点限制了要开发的原型的质量和功能。

用于快速成型的 CNC 工具 

CNC（计算机数控）工具属于减法技术，而加法技术则包括 FDM、SLA 或 SLS。与传统的建筑技术不同，CNC 工具处理实心块、棒或杆，然后进行所需的切割、钻孔、镗孔或磨削。  

 

快速原型制作的七大优势

优势一：产品开发速度更快 

快速原型设计可以帮助工程师和设计师避免将时间浪费在最终无法实现的功能上。为了收集所有相关人员的反馈而稍微推迟项目可能听起来像是在浪费时间，但收集到的意见对于关键决策却大有裨益。

以新车仪表板部件的制造为例。一位工程师如果能持续征求对部件的反馈意见，就能比一位完成了整个仪表板却被建议一步一步重做的工程师更快地获得认可的结果。

汽车仪表板原型

大多数工程部件都需要经过安全性、人体工程学和美学方面的全面认可，因此快速成型是最大限度减少时间花费的有效策略。

优势二：降低产品开发成本

在快速成型技术出现之前，工程师们只能依靠设计和图纸来改进产品。当原型设计最终获得批准时，他们才会发现一些工程图纸上无法体现的问题。

由于制造原型所需的材料和工艺通常成本高昂，这种方法被证明会耗费大量资金。快速成型技术有效地解决了这一经济问题。

低成本原型注塑成型

工程师现在可以使用经济高效的快速成型材料，以显著降低的成本制造比例设计模型，并对其进行工作条件测试。产品开发过程中的巨额节省通常会体现在利润率上。

例如，比较不同的可用技术，如 3 轴数控机床与 5 轴数控机床，可以帮助发现降低生产成本的更精细细节。

优势3：及早发现设计缺陷

如果装配和几何方面的设计错误未被发现，那么它们将是一个大问题，因为它们可能会演变成可制造性问题、公差差、错位和测量不正确等。

设计缺陷是可以避免的

如果不使用快速成型产品，在产品开发周期的后期，某些零件可能需要重新设计的可能性很高。例如，一个数控加工的零件，尽管壁非常薄，但在数字仿真后获得了批准。然而，由于壁不断损坏，数控加工变得非常麻烦，甚至无法进行。

通过快速原型制作，可以更早地发现并纠正此类问题。

优势4：有助于测试设计的功能 

听起来可能很荒谬，但确实存在这样的情况：团队生产出产品后，却发现它并没有达到预期目的。所有的时间、金钱和想法都以如此痛苦的方式化为乌有。

通过快速原型设计，公司可以使用产品的工作模型来测试其在实际情况下的功能。无论是按比例缩小，还是由不同制造的组件制成，其目的是在实际生产开始之前，快速制作出可以在实际生产之前进行测试的产品。

值得注意的是，即使是主流制造方法也能帮助快速原型制造，例如小批量数控加工。

优势五：增强团队合作

快速成型是鼓励跨学科互动和理解的概念之一。从技术人员到高级管理人员，不同部门之间需要持续沟通。

这种密切的互动促进了团队协作，成功地使不同的团队朝着共同的目标迈进，鼓励集体解决问题，并增强了更深层次的团结。

组织可以从亲密关系中获得许多具体的好处，包括更高的组织灵活性、更牢固的部门间关系以及更有效的冲突解决。

优势6：尝试复杂的几何形状和设计

通过快速成型技术，可以探索传统制造技术难以实现的几何形状和设计。设计团队可以利用该解决方案进一步创新，尤其是与集成 CAD/CAM 工作流程、生成式设计解决方案和计算流体动力学 (CFD) 仿真等支持技术的进步相结合。

优势七：促进可持续发展

快速成型是一种增材制造工艺，在最大程度减少材料浪费方面表现出色。零件逐层构建，材料浪费极少，甚至没有浪费。

除了快速成型工艺的效率之外，还可以使用最新的软件优化设计，以确保制造的零件是正确的。

 

其他快速成型技术

CNC 铣削和车削是生产设备中最常用的两种工艺。铣削时，切削刀具移动，工件静止；车削时，工件旋转，切削刀具静止。激光切割机非常精确，因为切削刀具是激光，可以雕刻或切割适合复杂设计的材料。相比之下，水射流切割机采用高压水射流和磨料来切割金属复合材料和其他材料。 

CNC 工具常用的材料有塑料、软金属和硬金属、木材、丙烯酸、石材、玻璃和复合材料。它们特别适合制作复杂的设计和包含难以制作的特征的复杂零件。但是，使用 CNC 工具可能比增材制造工艺稍微复杂一些。这是因为 CNC 原型制作在一次性或小批量生产中成本高昂，因为方法多种多样、使用的工具以及材料的脆弱性。 

CNC 工具最有助于制造无法使用快速模具中的增材制造技术有效制造的重要骨架和金属部件。如果无法使用增材制造工艺，它们可以可靠地形成良好而精确的原型。

 

总结

快速成型 是一种有益的技术，因为它不仅有助于节省时间，还可以降低风险。原型帮助产品经理从用户那里获得有用的反馈，以确认设计概念或确定产品发布前可能需要的修改。这最大限度地降低了最终产品不符合用户期望的可能性，因此有“用户体验”一词。 

在 prolean Tech，沟通得到加强，团队的工作与 快速原型服务。Proleantech 帮助公司向市场提供高质量的产品，从而满足客户和潜在客户的需求。

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