快速原型製作方法：探索主要選項

快速成型法

快速成型過程已存在數十年，但在工程和許多其他領域仍然具有重要意義。數控加工、3D列印、熔融沈積成型 (FDM)、層壓實體製造 (LOM) 以及相關的特定技術，幫助製造商獲得寶貴的優勢。 

例如，產品開發週期得以縮短，製造成本得以降低，設計也經過了充分測試。快速成型技術還能幫助工程師和設計師透過加強團隊協作，讓產品開發成為團隊工作。

對於任何希望更快地將產品推向市場、增強庫存智慧並更快地完成商業交易的企業來說，快速原型製作方法是首選解決方案。  

本文探討了快速成型的不同方法，討論了它們的基礎知識，並強調了選擇最合適方法的技巧。 

 

什麼是原型？什麼是快速成型？ 

原型可以被視為產品開發過程中從構思到製造的第一個有形環節。原型是設想產品的模型，它承載了產品的主要特徵，因此可以在全面生產之前用於測試。 下面的原型車就是一個很好的例子。

原型車

製造商使用原型概念來發現設計和製造缺陷，從而能夠節省時間和資源。 

快速原型製造是指根據數位設計快速、重複地產生實體零件的過程。通常，這些零件可以在幾天內完成，而標準原型製造則需要數週時間。快速生產零件，使製造商或設計師能夠及時測試和改進產品，以便進行量產。 

通常情況下，創意構思與實際生產之間的差距很大，但快速成型過程改變了這一現狀。如下文所述，有幾種方法有助於快速成型，其中之一就是數控加工。 

 

快速成型的歷史 

快速成型技術最早的概念被廣泛認為是查爾斯·赫爾 (Charles Hull) 和小玉秀夫 (Hideo Kodama) 在 20 世紀 80 年代的努力，同時還有 3D 列印技術。而在此之前，德國拜耳公司於 1969 年開發了反應注射成型技術。 

從那時起，該技術不斷進步，選擇性雷射燒結 (SLS) 和熔融沈積成型 (FDM) 等獨特技術以及與工業製造和工具製程的無縫整合就是明證。 

 

快速原型製作與傳統原型製作

從很多方面來看，快速成型方法都是傳統快速成型技術的升級。支持這一觀點的因素包括材料相容性、規模化3D製造、加工精度和速度控制。     

什麼是傳統原型設計？ 

傳統原型製作是一種大量使用人力和傳統機器（例如模具、銑床和車床）的原型製作方法。幾十年來，機械師一直使用傳統原型製作技術來製造功能性原型。 

傳統車床

傳統原型設計的主要特點是：

• 持續時間更長 – 數週、數月
• 設計多功能性有限 – 設計修改可能極為困難且昂貴
• 適合大規模製造 – 傳統原型非常適合粗略測試甚至大規模生產

透過下面對快速原型特徵的概述，差異更加清晰。

快速原型的三個主要特徵是什麼？

快速原型的核心價值是基於三個主要特性，即成本效益、速度和迭代。

速度

從設計階段到生產一個有形部件所需的時間短則幾個小時，但有些可能需要更長的時間，例如幾個月。 

成本效益

快速原型是使用低成本的工具和材料製造的。

迭代

好的快速原型易於修改，並且可以批量生產以供分析和測試。

快速成型有哪些不同類型？ 

快速成型過程有不同的風格，以適應不同的工業需求——基於金屬的快速成型、基於塑膠的快速成型以及複合材料和其他材料原型。 

為了更好地理解原型類型的應用，下面進行了詳細的討論。

什麼是金屬的快速成型方法？ 

金屬基快速成型技術是快速成型滿足精度和強度要求的零件的理想選擇。這些原型可能會受到熱應力或機械應力的影響，尤其是在重型機械和航空航天等領域。 

金屬鑄造、鈑金製造、3D列印和CNC加工是製造商製作金屬原型的主要方法。如下圖所示，每種方法在原型製作行業中都佔有特殊的地位。

• 金屬鑄造原型

對於形狀複雜的產品，金屬鑄造原型更適合，因為這些產品可能難以透過 3D 列印或 CNC 加工生產，尤其是當 機械加工性 材料不足。由於熔融金屬被倒入模具中，因此幾乎可以輕鬆創建任何複雜的幾何形狀。 

優勢

• 堅固耐用
• 經濟效应
• 用途廣泛－多種金屬合金
• 適合複雜的內部幾何形狀

限制

• 初期投資成本高
• 材料浪費
• 需要很高的專業知識

鑄造金屬原型

表面光潔度可能不是最好的，但可以透過噴漆和塗層等補充工藝進行改進。 

• 鈑金原型

鈑金原型製作是一種利用薄金屬板（通常小於6毫米）製作零件的方法。這種冷加工工藝包括彎曲、沖壓、焊接、沖孔和切割。 

鈑金原型製作

最好的鈑金製造服務提供者可以根據客戶對公差、表面光潔度、體積等的要求開發任何鈑金原型。 

優勢

• 快速周轉
• 經濟高效的薄壁快速成型零件
• 多種金屬 

限制

• 厚度限制
• 回彈等問題
• 不適合複雜的彎道

• CNC加工金屬原型

數控 加工過程 同樣，減材數控加工也是一種快速成型的方案，其速度快、成本低，且表面光潔度極佳。與3D列印等增材製造流程相比，減材數控加工能夠實現更優異的表面光潔度。 

數控加工 

過程有多種形式 https://proleantech.com/multi-axis-cnc-machining/ 配置，引發了類似的比較 3軸與5軸CNC. 

優勢

• 嚴格的公差和尺寸精度
• 可以產生底切和其他複雜的幾何形狀
• 卓越的表面光潔度
• 可加工多種金屬等級 

限制

• 材料浪費嚴重
• 耗時，尤其是對於複雜的零件
• 複雜零件成本高昂

• 3D列印金屬原型

當傳統金屬製造技術無法製造原型時，製造商可以使用直接金屬雷射燒結 (DMLS)、選擇性雷射熔化 (SLM) 和其他金屬 3D 列印方法。其他方法無法成功加工的材料可以逐層列印，以生產複雜的快速原型零件。 

金屬3D打印

優勢

• 無需夾具和工具
• 最大程度減少材料浪費
• 可同時生產多個零件
• 可以產生複雜的內部幾何形狀

限制

• 通常需要進行後期處理
• 設備和原料成本高
• 較大的部件需要更長的時間

• 金屬射出成型 (MIM)

此製程主要包括四個步驟：原料製備、射出成型、脫粘和燒結。金屬射出成型是一種有效的複雜金屬零件快速成型方法。 

MIM 是一種經濟高效的大批量小型複雜零件原型製造技術。手機插頭和手錶外殼就是用這種技術生產的。 

優勢 

• 適用於薄壁零件（小於100微米）
• 低環境影響
• 快速處理
• 對於小零件來說具有成本效益

限制

• 僅限於小零件的生產。大零件成本太高。 

基於塑膠的快速成型

當成本效益和速度成為快速成型的首要考慮因素時，塑膠零件通常是最佳選擇。消費品、醫療產品和電子產品製造商通常使用塑膠來建造其功能原型。

根據原型所需的細節等級、表面光潔度或強度，選項包括 PolyJet 3D 列印、熔融沈積成型 (FDM)、選擇性雷射燒結 (SLS) 和立體光刻 (SLA)。 

• 快速注塑成型

快速射出成型利用高壓將熱塑性樹脂壓入模具。這是一個快速的工藝，遵循以下步驟： 

• 使用 CAD 軟體進行設計 
• 模俱生產 
• 選擇樹脂材料 
• 注塑 
• 散熱 
• 後期處理

優勢 

• 速度和效率 
• 成本效益高（適用於中低產量）
• 材料通用性 
• 快速響應市場

限制

• 初期成本高
• 昂貴的設計修改
• 交貨時間最初很長

• PolyJet 3D列印

此技術需要噴塗多層高解析度的薄光聚合物樹脂。樹脂由特殊的凝膠基質固定，在製程完成後移除。 

PolyJet 3D列印流程圖

PolyJet 用於製造薄壁複雜零件，並有多種顏色可供選擇。其限制在於強度低，不適合進行功能測試。 

優勢

• 卓越的表面光潔度
• 多色、多材質
• 最少的後處理

限制

• 機械性質差
• 零件可能老化得更快
• 不適用於功能部件

• 熔融沈積建模（FDM）

熔融沈積模型

簡單來說，FDM 涉及使用多層熱塑性材料來創建 3D 元件。這種快速成型方法適用於各種材料，價格相對實惠。其挑戰在於表面光潔度較差以及 Z 軸強度有限。 

優勢

• 多種熱塑性材料選擇
• 最少的後處理
• 大容量

限制

• 可見層線
• 需要支撐結構
• 收縮和翹曲問題

• 選擇性激光燒結 (SLS)

採用 SLS 方法製造的零件

SLS 方法利用雷射功率對聚合物粉末進行聚合或燒結。這是一種製造複雜幾何形狀原型的有效技術。儘管結構可能較脆且表面粗糙，但最終的零件精確耐用。  

優勢

• 不需要支撐結構
• 優越的機械性質
• 複雜的幾何形狀

限制

• 設定成本高昂
• 表面光潔度差
• 慢慢冷卻

• 立體光刻（SLA）

SLA 是一種利用雷射照射液態樹脂並製造零件的製程。這種快速成型技術具有出色的表面光潔度和精確的幾何形狀。工程師和設計師也更青睞 SLA 原型，因為它們經濟實惠，儘管強度相對較低。 

航空航天 SLA 製造的原型

優勢

• 完美的表面光潔度
• 出色的公差和尺寸精度
• 中小型零件製造速度快
• 多種樹脂材料可用

限制

• 需要後製
• 懸垂部分需要支撐
• 紫外線敏感部件需要妥善儲存

複合材料和其他材料原型製作

有時，快速成型需要能夠耐磨損、耐熱並滿足金屬或塑膠原型無法滿足的其他要求的零件。陶瓷 3D 列印、層壓實體製造 (LOM) 和失蠟鑄造（透過 3D 列印模型）等技術可以填補這一空白。 

說實話，這些材料不如其他兩種材料那麼成熟，但在某些情況下，它們可能是更好的選擇。讓我們看看它們各自代表什麼。 

• 陶瓷3D列印

陶瓷3D列印零件

陶瓷原型可以透過系統地用陶瓷粉末或漿料建造部件來製作。黏合劑和熱量確保每一層都牢固地固定，然後再在上面添加另一層。 

優勢

• 耐化學性和耐溫性
• 生物相容性部件
• 硬度和耐磨性

限制

• 需要進行後期處理
• 材料成本高
• 材料收縮率高

• 層壓物製造 (LOM)

這種現代積層製造RP技術由Helisys公司創新開發，使用塗有黏合劑的層壓板作為列印介質。在雷射切割的幫助下，將材料分層黏合在一起，即可製作出原型。 

LOM流程圖

優勢

• 使用價格實惠的板材
• 快速製作簡單的形狀/幾何圖形
• 適用於視覺原型

限制

• 材料限制
• 不適合用於功能性機械部件
• 表面光潔度差
• 大量的後製

• 失蠟鑄造（透過 3D 列印模型）

失蠟法已存在數百年，隨著3D列印技術的進步，此方法現已應用於複合材料3D列印。設計一個3D模型，然後列印一個可鑄造的樹脂模型。 

將模型嵌入陶瓷漿料中，製成模具。將熔融的複合材料倒入型腔並使其凝固，即可得到複合材料原型。 

優勢

• 卓越的表面光潔度
• 複雜的幾何形狀
• 高維度精度

限制

• 需要很高的專業知識
• 零件尺寸限制
• 每個零件的成本很高

比較表

以下是不同快速成型方法的簡化比較表：

分類	主要選項	最適合用於	頂級福利	主要限制
金屬基	數控加工 金屬3D打印 鈑金 選角	精密零件  高強度部件	卓越的功能測試 強大的組件 抗壓力 耐熱	材料成本高 處理時間更長 需要專業知識
塑膠基	FDM SLA SLS 聚射	消費品， 設計驗證	快速生產， 成本效益， 設計修改簡單，材料範圍廣泛	機械強度較低 耐熱性有限。  可能不適合所有功能測試
複合材料及其他	失蠟鑄造 陶瓷3D列印 隆	專業應用	耐溫性 耐化學性	成本較高  有限的可用率

請注意，根據快速成型在製造過程中的目的和階段，類別如下：

• 工程原型

工程原型

• 低保真度
• 高保真
• 概念驗證
• 看起來像原型
• 類似作品的原型
• 驗證測試和製造原型

我們將在後續文章中更詳細地介紹這些內容。 

進一步閱讀： 

複合材料加工指南, 

 

快速成型方法在製造業中的重要性

在競爭激烈的快節奏世界中，沒有什麼比準確、快速的生產開發流程更重要。快速成型技術使設計師和製造商能夠快速將創意付諸實踐，並加速生產。 

該策略具有多種優勢，包括更快的產品開發、更高的產品品質、更高的成本節約以及更早發現設計錯誤。

展示產品創意

設計師使用快速原型設計流程向利害關係人（可能是投資者、董事會或其他部門）展示和解釋設計理念。這樣做的目的是加快設計審批流程，同時也能促進團隊凝聚力。 

避免代價高昂的設計錯誤

使用快速原型設計的另一個重要原因是，它能夠在產品開發週期的早期識別設計缺陷。設計師能夠在產品全面投入生產前，避免代價高昂的錯誤。 

適合小批量生產 

是的，快速成型技術是小批量生產的一種選擇，因為其中一些方法可以生產出可直接上市的產品。真空鑄造、3D列印和射出成型可以提供高精度的原型製作服務。 

小批量製造

加速產品開發 

快速成型的首要目的是盡可能快速且有效率地交付設計中的測試零件。企業希望縮短從構思到轉換為實際產品的時間。這正是 快速原型製作服務 事 

快速原型應用和用例

快速成型技術廣泛用於現代工業，包括建築和施工、消費性電子產品、醫療保健和醫療設備以及機器人和自動化。 

建築與施工

建築師和工程師可以在建築專案中使用1:1比例的原型來獲得有效的使用者回饋。這可以幫助他們隨時了解建議的設計是否需要調整。 

消費類電子產品 

消費性電子產品製造商使用快速成型工具和技術來建立迭代，從而有效地推進製造流程。業界流行的快速成型方法包括 CNC 加工、3D 列印和真空鑄造。 

例如，鋁製外殼採用 CNC 銑削，內部支架也採用 CNC 銑削。 

電子原型

醫療保健和醫療器械

醫療保健產業始終需要符合監管標準的創新產品。透過快速原型設計解決方案，設計師可以在數小時內將創意轉化為實體原型。 

主要用於診斷、外科手術和其他設備的技術包括熔模鑄造、數控加工和 3D 列印。 

機器人與自動化

快速成型技術在該行業的許多領域都很有用，從執行器和感測器到生物醫學工程和奈米系統。 

 

原型設計與生產的銜接

從快速原型製造轉向全面製造可能充滿挑戰，除非實施一些策略。經驗表明，先從3D列印原型開始，然後隨著需求的增長逐步擴展，是一種有效的策略。 

具體步驟如下：

步驟 1：開發數位原型模型

步驟 2：進行徹底的市場調查並測試產品/原型

步驟 3：轉向小批量生產 

 

選擇快速成型方法的注意事項

速度並非快速成型方法的唯一考慮因素——功能性、專案目標、材料類型等等也都適用。理想的方法最終可能取決於表面光潔度、公差，甚至零件複雜度，但這也不排除週轉時間。 

一般來說，這裡有三個必須考慮的因素： 

• 材料特性

製造商會根據具體應用和所需特性選擇原型材料。如果預算允許，金屬原型是功能測試的理想選擇，因為它們堅固耐用。熱塑性塑膠也可用於功能原型製作。 

然而，儘管樹脂基部件具有更高的分辨率，但它們可能不適合功能測試。 

• 原型設計的複雜性 

複雜金屬零件

建造高度複雜的原型需要一種能夠容納複雜零件並在必要時支援功能測試的快速成型方法。數控加工精度可達±0.005毫米，因此在航空航太、汽車和其他安全至關重要的行業中脫穎而出，並具有重要意義。 

有關此技術的更多信息，請查看指南： 

CNC加工講解：製程、技術與成本 

• 原型製作成本 

專家表示，確定預算也至關重要，預算不得超過專案總預算的20%。在專案預期和預算之間取得平衡始終是一個棘手的問題，但在這個階段和其他階段，總是會有專家提供協助。 

需要考慮的成本包括快速成型方法的類型、材料類型、原型數量（規模經濟伴隨著更多的原型）、勞動成本和間接成本。 

• 決策框架/問題

由於快速原型製作方法清單很長，因此使用以下方法可以更輕鬆地做出決策。 

需要在壓力下進行功能測試嗎？ → 基於金屬的方法

需要快速、經濟高效的迭代？ → 基於塑膠的方法

需要特殊性能（耐熱/耐化學性）？ → 複合方法

 

軟體與快速原型方法的融合

快速原型製作方法與軟體解決方案的結合非常有效。無論是用於設計或模擬的軟體產品，都能提高快速原型製作流程的效率。 

在此過程中廣泛使用的電腦輔助設計 (CAD) 軟體範例包括 AutoCAD、Fusion 360、Autodesk Inventor 和 SolidWorks。 

Fusion 360

虛擬分析與測試中不可或缺的模擬軟體包括ANSYS和SolidWorks Simulation。 

流行的 CAM（電腦輔助製造）軟體選項包括

Fusion 360 和 Mastercam。 

值得考慮的軟體產品清單很長，因為即使是特定的快速成型技術也可能有專門的解決方案。例如，Materialise Magics 與 SLS 搭配使用，Insight 與 FDM 搭配使用。 

 

快速原型設計中應避免的常見錯誤

快速成型作為產品開發流程的一部分，包含許多要素，因此必須謹慎操作。一次失誤就可能讓多年的努力付諸流水。 

團隊在過程中應避免的常見錯誤是：

1. 原型設計目標不明確
2. 忽視用戶對原型的回饋
3. 忽略原型的功能性能
4. 沒有儘早考慮製造過程和原材料需求
5. 不接受持續改進，而是堅持特定的原型

 

結語

現代製造環境以靈活性、精確性和多功能性為特徵，而快速成型技術則在許多方面增強了這些要素。快速成型技術能夠幫助製造商規避風險，快速回應市場動態，並加速創新，這對於提升競爭優勢至關重要。 

如果高品質的快速成型和製造對您的業務至關重要，ProleanTech 可以為您提供幫助。我們的 CNC加工服務 快速成型和完整製造在整個生產過程中都表現出其優越性。 

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