快速原型制作方法：探索主要选项

快速成型方法

快速成型工艺已存在数十年，但在工程和许多其他领域仍然具有重要意义。数控加工、3D打印、熔融沉积成型 (FDM)、层压实体制造 (LOM) 以及相关的特定技术，帮助制造商获得宝贵的优势。 

例如，产品开发周期得以缩短，制造成本得以降低，设计也得到了充分测试。快速成型技术还能帮助工程师和设计师通过加强团队协作，使产品开发成为一项团队工作。

对于任何希望更快地将产品推向市场、增强库存智能并更快地完成商业交易的企业来说，快速原型制作方法是首选解决方案。  

本文探讨了快速成型的不同方法，讨论了它们的基础知识，并强调了选择最合适方法的技巧。 

 

什么是原型？什么是快速成型？ 

原型可以被视为产品开发过程中从构思到制造的第一个有形环节。原型是设想产品的模型，它承载了产品的主要特征，因此可以在全面生产之前用于测试。 下面的原型车就是一个很好的例子。

原型车

制造商使用原型概念来发现设计和制造缺陷，从而能够节省时间和资源。 

快速原型制造是指根据数字设计快速、重复地生成实体零件的过程。通常，这些零件可以在几天内完成，而标准原型制造则需要数周时间。快速生产零件，使制造商或设计师能够及时测试和改进产品，以便进行量产。 

通常情况下，创意构思与实际生产之间的差距很大，但快速成型工艺改变了这一现状。正如下文所述，有几种方法有助于快速成型，其中之一就是数控加工。 

 

快速成型的历史 

快速成型技术最早的概念被广泛认为是查尔斯·赫尔 (Charles Hull) 和小玉秀夫 (Hideo Kodama) 在 20 世纪 80 年代的努力，同时还有 3D 打印技术。而在此之前，德国拜耳公司于 1969 年开发出了反应注射成型技术。 

从那时起，该技术不断进步，选择性激光烧结 (SLS) 和熔融沉积成型 (FDM) 等独特技术以及与工业制造和工具工艺的无缝集成就是明证。 

 

快速原型制作与传统原型制作

从很多方面来看，快速成型方法都是传统快速成型技术的升级。支持这一观点的因素包括材料兼容性、规模化3D制造、加工精度和速度控制。     

什么是传统原型设计？ 

传统原型制作是一种大量使用人力和传统机器（例如模具、铣床和车床）的原型制作方法。几十年来，机械师一直使用传统原型制作技术来制造功能性原型。 

传统车床

传统原型设计的主要特点是：

• 持续时间更长 – 几周、几个月
• 设计通用性有限 – 设计修改可能极其困难且昂贵
• 适合大规模制造 – 传统原型非常适合粗略测试甚至大规模生产

通过下面对快速原型特征的概述，差异更加清晰。

快速原型的三个主要特征是什么？

快速原型的核心价值基于三个主要特性，即成本效益、速度和迭代。

速度

从设计阶段到生产一个有形部件所需的时间短则几个小时，但有些则可能需要更长的时间，比如几个月。 

成本效益

快速原型是使用低成本的工具和材料制造的。

迭代

好的快速原型易于修改，并且可以批量生产以供分析和测试。

快速成型有哪些不同类型？ 

快速成型工艺有不同的风格，以适应不同的工业需求——基于金属的快速成型、基于塑料的快速成型以及复合材料和其他材料原型。 

为了更好地理解原型类型的应用，下面进行了详细的讨论。

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、钣金制造、3D打印和数控加工是制造商制作金属原型的主要方法。如下图所示，每种方法在原型制作行业中都占有特殊的地位。

• 金属铸造原型

对于形状复杂的产品，金属铸造原型更适合，因为这些产品可能难以通过 3D 打印或 CNC 加工生产，尤其是当 机械加工性 材料不足。由于熔融金属被倒入模具中，因此几乎可以轻松创建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

钣金原型制作是一种利用薄金属板（通常小于6毫米）制作零件的方法。这种冷加工工艺包括弯曲、冲压、焊接、冲孔和切割。 

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

这个 数控 加工过程 同样，减材数控加工也是一种快速成型的方案，其速度快、成本低，且表面光洁度极佳。与3D打印等增材制造工艺相比，减材数控加工能够实现更优异的表面光洁度。 

数控加工 

过程有多种形式 https://proleantech.com/multi-axis-cnc-machining/ 配置，引发了类似的比较 3轴与5轴CNC. 

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

• 选择性激光烧结 (SLS)

采用 SLS 方法制造的部件

SLS 方法利用激光功率对聚合物粉末进行聚合或烧结。这是一种制造复杂几何形状原型的有效技术。尽管结构可能较脆且表面粗糙，但最终的零件精确耐用。  

优点

• 不需要支撑结构
• 优越的机械性能
• 复杂的几何形状

限制

• 设置成本高
• 表面光洁度差
• 慢慢冷却

• 立体光刻（SLA）

SLA 是一种利用激光照射液态树脂并制造零件的工艺。这种快速成型技术具有出色的表面光洁度和精确的几何形状。工程师和设计师也更青睐 SLA 原型，因为它们经济实惠，尽管强度相对较低。 

航空航天 SLA 制造的原型

优点

• 完美的表面光洁度
• 出色的公差和尺寸精度
• 中小型零件制造速度快
• 多种树脂材料可用

限制

• 需要后处理
• 悬垂部分需要支撑
• 紫外线敏感部件需要妥善储存

复合材料和其他材料原型制作

有时，快速成型需要能够耐磨损、耐热并满足金属或塑料原型无法满足的其他要求的部件。陶瓷 3D 打印、层压实体制造 (LOM) 和失蜡铸造（通过 3D 打印模型）等技术可以填补这一空白。 

说实话，这些材料不如其他两种材料那么成熟，但在某些情况下，它们可能是更好的选择。让我们看看它们各自代表什么。 

• 陶瓷3D打印

陶瓷3D打印部件

陶瓷原型可以通过系统地用陶瓷粉末或浆料构建部件来制作。粘合剂和热量确保每一层都牢固地固定，然后再在上面添加另一层。 

优点

• 耐化学性和耐温性
• 生物相容性部件
• 硬度和耐磨性

限制

• 需要进行后期处理
• 材料成本高
• 材料收缩率高

• 层压物体制造 (LOM)

这种现代增材制造RP技术由Helisys公司创新开发，使用涂有粘合剂的层压板作为打印介质。在激光切割的帮助下，将材料分层粘合在一起，即可制作出原型。 

LOM流程图

优点

• 使用价格实惠的板材
• 快速制作简单的形状/几何图形
• 适用于视觉原型

限制

• 材料限制
• 不适合用于功能性机械部件
• 表面光洁度差
• 大量的后期处理

• 失蜡铸造（通过 3D 打印模型）

失蜡法已存在数百年，随着3D打印技术的进步，该方法现已应用于复合材料3D打印。设计一个3D模型，然后打印一个可铸造的树脂模型。 

将模型嵌入陶瓷浆料中，制成模具。将熔融的复合材料倒入型腔并使其凝固，即可得到复合材料原型。 

优点

• 卓越的表面光洁度
• 复杂的几何形状
• 高维度精度

限制

• 需要很高的专业知识
• 零件尺寸限制
• 每个零件的成本很高

对比表

以下是不同快速成型方法的简化比较表：

分类	主要选项	最适合使用	最大的好处	主要限制
金属基	数控加工 金属3D打印 钣金 选角	精密零件  高强度部件	卓越的功能测试 强大的组件 抗压力 耐热	材料成本高 处理时间更长 需要专业知识
塑料基	FDM SLA SLS 聚射	消费品， 设计验证	快速生产， 成本效益， 设计修改简单，材料范围广泛	机械强度较低 耐热性有限。  可能不适合所有功能测试
复合材料及其他	失蜡铸造 陶瓷3D打印 LOM	专业应用	耐温性 耐化学性	成本较高  有限的可用率

请注意，根据快速成型在制造过程中的目的和阶段，类别如下：

• 工程原型

工程原型

• 低保真
• 高保真
• 验证的概念
• 看起来像原型
• 类似作品的原型
• 验证测试和制造原型

我们将在后续文章中更详细地介绍这些内容。 

进一步阅读： 

复合材料加工指南, 

 

快速成型方法在制造业中的重要性

在竞争激烈的快节奏世界中，没有什么比准确、快速的生产开发流程更重要。快速成型技术使设计师和制造商能够快速将创意付诸实践，并加速生产。 

该策略具有多种优势，包括更快的产品开发、更高的产品质量、更高的成本节约以及更早发现设计错误。

展示产品创意

设计师使用快速原型设计流程向利益相关者（可能是投资者、董事会或其他部门）展示和解释设计理念。这样做的目的是加快设计审批流程，同时也能促进团队凝聚力。 

避免代价高昂的设计错误

使用快速原型设计的另一个重要原因是，它能够在产品开发周期的早期识别设计缺陷。设计师能够在产品全面投入生产之前，避免代价高昂的错误。 

适合小批量生产 

是的，快速成型技术是小批量生产的一种选择，因为其中一些方法可以生产出可直接上市的产品。真空铸造、3D打印和注塑成型可以提供高精度的原型制作服务。 

小批量制造

加速产品开发 

快速成型的首要目的是尽可能快速高效地交付设计中的测试部件。企业希望缩短从构思到转化为实际产品的时间。这正是 快速原型服务 的事。 

快速原型应用和用例

快速成型技术广泛用于现代工业，包括建筑和施工、消费电子产品、医疗保健和医疗设备以及机器人和自动化。 

建筑与施工

建筑师和工程师可以在建筑项目中使用1:1比例的原型来获得有效的用户反馈。这可以帮助他们及时了解拟议的设计是否需要调整。 

消费类电子产品 

消费电子产品制造商使用快速成型工具和技术来构建迭代，从而有效地推进制造流程。业内流行的快速成型方法包括 CNC 加工、3D 打印和真空铸造。 

例如，铝制外壳采用 CNC 铣削，内部支架也采用 CNC 铣削。 

电子原型

医疗保健和医疗器械

医疗保健行业始终需要符合监管标准的创新产品。借助快速原型设计解决方案，设计师可以在数小时内将创意转化为实体原型。 

主要用于诊断、外科手术和其他设备的技术包括熔模铸造、数控加工和 3D 打印。 

机器人与自动化

快速成型技术在该行业的许多领域都很有用，从执行器和传感器到生物医学工程和纳米系统。 

 

原型设计和生产的衔接

从快速原型制造转向全面制造可能充满挑战，除非实施一些策略。经验表明，先从3D打印原型开始，然后随着需求的增长逐步扩展，是一种有效的策略。 

具体步骤如下：

第一步：开发数字原型模型

第一步：进行彻底的市场调查并测试产品/原型

第一步：转向小批量生产 

 

选择快速成型方法的注意事项

速度并非快速成型方法的唯一考量因素——功能性、项目目标、材料类型等等也都适用。理想的方法最终可能取决于表面光洁度、公差，甚至零件复杂度，但这也不排除周转时间。 

一般来说，这里有三个必须考虑的因素： 

• 材料特性

制造商会根据具体应用和所需特性选择原型材料。如果预算允许，金属原型是功能测试的理想选择，因为它们坚固耐用。热塑性塑料也可用于功能原型制作。 

然而，尽管树脂基部件具有更高的分辨率，但它们可能不适合功能测试。 

• 原型设计的复杂性 

复杂金属零件

构建高度复杂的原型需要一种能够容纳复杂零件并在必要时支持功能测试的快速成型方法。数控加工精度可达±0.005毫米，因此在航空航天、汽车和其他安全至关重要的行业中脱颖而出，并具有重要意义。 

有关此技术的更多信息，请查看指南： 

CNC加工讲解：工艺、技术和成本 

• 原型制作成本 

专家表示，确定预算也至关重要，预算不应超过项目总预算的20%。在项目预期和预算之间取得平衡始终是一个棘手的问题，但在这个阶段和其他阶段，总会有专家提供帮助。 

需要考虑的成本包括快速成型方法的类型、材料类型、原型数量（规模经济伴随着更多的原型）、劳动力成本和间接成本。 

• 决策框架/问题

由于快速原型制作方法列表很长，因此使用以下方法可以更轻松地做出决策。 

需要在压力下进行功能测试吗？→ 基于金属的方法

需要快速、经济高效的迭代？→ 基于塑料的方法

需要特殊性能（耐热/耐化学性）？→ 复合方法

 

软件与快速原型方法的融合

快速原型制作方法与软件解决方案的结合非常有效。无论是用于设计还是模拟的软件产品，都能提高快速原型制作过程的效率。 

在此过程中广泛使用的计算机辅助设计 (CAD) 软件示例包括 AutoCAD、Fusion 360、Autodesk Inventor 和 SolidWorks。 

融合360

虚拟分析与测试中必不可少的仿真软件包括ANSYS和SolidWorks Simulation。 

流行的 CAM（计算机辅助制造）软件选项包括

Fusion 360 和 Mastercam。 

值得考虑的软件产品清单很长，因为即使是特定的快速成型技术也可能有专门的解决方案。例如，Materialise Magics 与 SLS 配合使用，Insight 与 FDM 配合使用。 

 

快速原型设计中应避免的常见错误

快速成型作为产品开发流程的一部分，包含诸多要素，因此必须谨慎操作。一次失误就可能让多年的努力付诸东流。 

团队在此过程中应避免的常见错误是：

1. 原型设计目标不明确
2. 忽视用户对原型的反馈
3. 忽略原型的功能性能
4. 没有尽早考虑制造过程和原材料需求
5. 不接受持续改进，而是坚持特定的原型

 

结语

现代制造环境以灵活性、精确性和多功能性为特征，而快速成型技术则在诸多方面增强了这些要素。快速成型技术能够帮助制造商规避风险，快速响应市场动态，并加速创新，这对于提升竞争优势至关重要。 

如果高质量的快速成型和制造对您的业务至关重要，ProleanTech 可以为您提供帮助。我们的 CNC加工服务 快速成型和完整制造在整个生产过程中都表现出其优越性。 

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