Formlabs 日前发布了白皮书《产品开发快速成型指南》。

 

原型制作是产品开发过程中的重要环节，但这通常是产品研发中的一个瓶颈。

 

产品设计师和工程师会使用基本工具创建临时的概念验证模型，但生产功能性原型和产品级部件通常需要与生产最终成品相同的工序。传统的生产工序（如注射成型）需要成本高昂的工具和配置，即使是生产小体积的定制原型，成本也非常高昂。

 

快速成型可帮助公司将创意转化为现实的概念验证，将这些概念演变为高度保真的原型，在外观和运作上都与最终产品一致，并指导产品通过一系列校验阶段，从而进行大规模生产。

 

通过快速成型，设计师和工程师可以比以往更快地直接通过 CAD 数据创建原型，并根据实际测试和反馈快速地反复修改设计。

 

在本指南中，您将了解快速成型如何适用于产品开发过程及其应用，以及当今产品开发团队可用的快速成型工具。

 

什么是快速成型？

 

快速成型是一组技术，能够使用三维计算机辅助设计 (CAD) 数据快速制作物理部件或装配件的比例模型。这些部件或装配件通常使用增材制造技术构建，而不是传统的消减制造方法，因此， 这已成为增材制造和 3D 打印的代名词。

 

增材制造与原型制作是天生一对。增材制造可以提供近乎无限的形状自由度，无需工具，且可以生产出机械性能与传统制造方法加工各种材料紧密匹配的部件。3D 打印技术始于上世纪 80 年代，但因其高成本和复杂性，几乎仅限于大企业使用，较小的公司被迫将生产外包给专门的服务机构，每次后续迭代都需要等代数周。

 

设计师可以利用 3D 打印技术，在数字设计和实体原型之间快速迭代，以便更快地投入生产。

 

桌面和台式 3D 打印技术的出现改变了这一现状，并引发了一股势不可挡的热潮。通过内部 3D 打印， 工程师和设计师可以在数字设计和实体原型之间快速迭代。如今，创建原型可在一天之内完成，并根据实际测试和分析的结果对设计、大小、形状或装配件进行多个迭代。最终，快速成型过程能够帮助企业比其竞争对手更快的把更好的产品推向市场。

 

快速成型的优势

 

1、更快地实现和探索概念

 

快速成型使初始想法上升为低风险的概念探索，这些概念探索能立刻转变为逼真的产品。它能让设计师超越虚拟的可视化，更容易理解设计的外观和触感，并对概念进行逐一对比。

 

2、有效沟通想法

 

实体模型能让设计师与同事、客户和合作者分享概念和想法，这是无法仅通过屏幕上的可视化设计实现的。快速成型有助于获得清晰、可操作的用户反馈，对于创造者了解用户需求进而改进 和完善设计至关重要。

 

3、反复设计并随时整合变更

 

设计始终是一个迭代过程，需要进行多轮测试、评估和改进才能形成最终产品。使用 3D 打印进行快速成型可以更快地创建更逼真的原型，并立即进行更改，从而完善这一至关重要的试错过程。

 

利用 Formlabs SLA 打印机制作原型的机器人具零件的多个连续迭代。

 

一个完好的模型需要全天候的设计周期：在工作时间进行设计，夜间进行 3D 打印原型部件， 第二天清洗和测试，调整设计，然后重复以上流程。

 

4、节省成本和时间

 

使用 3D 打印技术，无需昂贵的工具和配置；相同的设备可用于生产不同的几何形状。内部快速成型消除了外包所需的高成本和周转时间。

 

5、充分测试，尽量减少设计缺陷

 

在产品设计和制造中，尽早发现和修复设计缺陷可以帮助公司避免昂贵的设计修改和工具变更过程。快速成型使工程师能够对外观和性能类似最终产品的原型进行充分的测试，从而在投入生产前降低可用性和可制造性方面的风险。

 

快速成型的应用

 

由于各种可用的技术和材料，快速成型技术能在整个产品开发过程（从最初的概念模型到工程、验证测试和生产）中为设计师和工程师提供支持。

 

硬件开发过程。来源：Ben Einstein, Bolt

 

1、概念验证 (POC) 原型和概念模型

 

概念模型或概念验证 ("Proof of Concept", POC) 原型能够帮助产品设计师验证想法和假设，并测试产品的可行性。实体的概念模型可以向涉众演示观点，发起讨论，并使用低风险的概念探索推动对模型的接受与否。

 

PoC 原型制造工作开始于整个产品开发过程中的最早阶段，这些原型中应涵盖验证各种假设所需的最低限度的功能；验证过后，产品方可进入后续的开发阶段。

 

概念验证应尽量简单，足以模拟产品的使用方式即可。例如，一个充电器的 POC 可能只是将一个 3D 打印的外壳连接到标准 USB 充电电缆上而已。

 

成功的概念模型关键在于速度；在构建和评估实体模型之前，设计师需要产生大量的想法。在这一阶段，可用性和质量没有那么重要，团队会尽可能依赖现成的部件。

 

瑞士设计咨询工作室 Panter & Tourron 的设计师利用 SLA 3D 打印技术，在两周内将概念转变为展示作品。

 

3D 打印机则是支持概念建模的理想工具。3D 打印机提供了无与伦比的周转时间，将计算机文件转换为实体原型，使设计师可以快速测试更多的概念。与大多数车间和制造工具相比，桌面级 3D 打印机是办公室友好型的，不需要专门的空间。

 

2、外观性原型

 

外观性原型可以在抽象层次上代表最终产品，但与成品相比可能会缺少许多功能。此类原型的用途是帮助设计师更好地了解最终产品的外观以及最终用户与之交互的方式。在设计与工程人员花费大量时间来全面打造产品的各项功能与特性之前，可以使用外观性原型来验证产品的人体工程学特征、用户界面以及整体用户体验。

 

外观性原型的开发工作通常要先从草图、泡沫或粘土模型开始，然后再进入 CAD 建模阶段。随着设计周期从一个迭代推进到下一个迭代，原型制造工作需要在数字渲染与实体模型之间反复切换。当设计方案最终敲定后，工业设计团队的目标就将是利用他们为最终产品指定的实际颜色、材料和表面处理 (CMF)，制造出与最终产品相似度极高的外观性原型。

 

Form 2 SLA 3D 打印机的外观性原型，具有不同的树脂盒放置解决方案。

 

3、功能性原型

 

在进行工业设计的同时，工程团队也会着手制作另一组原型，用于测试、迭代和改进产品中的机械、电气和热力系统。此类功能性原型的外观可能会与最终产品有所不同，但其中却包含了开发和测试工作所涉及的各项核心技术和功能。

 

通常而言，在集成到同一个产品原型当中之前，这些关键核心功能的开发和测试工作都将分别在单独的子单元中完成。这种子系统式的工作方法能够有效分离各个变量，使不同的团队更容易区分各自的职责，并能够在将产品的所有元素融为一体之前从更微观的层面上确保所有元素的可靠性。

 

Form 3L 大幅面 SLA 3D 打印机的早期功能性原型。

 

4、工程原型

 

工程原型的制造过程充满了设计理念与工程原理的碰撞，其目的是打造出最终商品的最小可行版本， 即所谓的可制造性设计 (DFM)。此类原型可供选定的先导型用户群体执行基于实验室的用户测试， 以便在后续阶段将生产意图传达给模具专家；并可在第一次销售会议中充当演示工具。

 

在这一阶段，细节变得越发重要。3D 打印技术使工程师能够创建高度保真的原型，准确地展现最终成品。这使得在投资昂贵的工具并投入生产之前能够更容易地验证设计、拟合度、功能和可制造性，而此时进行更改的时间成本和费用成本也越来越高。

 

潜水相机制造商 Paralenz 利用 3D 打印技术创造了功能性原型机，经受住了海平面以下 200 多米的测试。

 

先进的 3D 打印材料可以与传统制造工艺（如注射成型）所生产部件的外观、手感和材料特性紧密匹配。各种材料可以模拟细节纹理丰富的部件，含有包含触感柔软、光滑且低摩擦的表面、刚性坚固的外壳或透明的组件。3D 打印部件可以通过打磨、抛光、涂色、或电镀等进行二次加工， 以复制最终部件的所有视觉属性，也可以通过螺纹连接创建具有多种部件和材料的装配。

 

Wöhler 的工程师用多种材料制造了一个具有湿度计外观和功能的原型，带有刚性外壳和触感柔软的按钮。

 

工程原型需要进行广泛的功能和可用行性测试，以了解部件或装配件在受到应力和现场使用条件的影响时的运转情况。3D 打印则能够为打造可承受热应力、化学应力和机械应力的高性能原型提供工程塑料。

 

5、验证测试与制造

 

通过快速成型，工程师可以创建小批量生产，定制一次性解决方案，以及用于工程、设计和产品验证测试（EVT、DVT 和 PVT）构建的子组件，以测试可制造性。

 

在考虑实际制造过程时，3D 打印更易于测试工差，并在进入批量生产之前进行全面的内部和现场测试。

 

3D 打印快速制模技术还可与注射成型、热成型或硅胶成型等传统制造工艺相结合，并通过提高这些工艺的灵活性、敏捷性、可扩展性和成本效益来改进生产流程。该技术还为创建定制测试夹具和固定装置提供了有效的解决方案，通过收集一致的数据来简化功能测试和认证。

 

有了 3D 打印，设计不必止步于生产开始时。快速成型使设计师和工程师可以不断改进产品， 通过夹具和固定装置快速有效地解决生产线上的问题，以强化装配或 QA 过程。

 

快速成型工具和方法

 

1、增材制造

 

如今快速成型基本已成为了增材制造和 3D 打印的代名词。可供选择的 3D 打印工艺有许多种， 其中最常用于快速成型的工艺有熔融沉积成型 (FDM)、立体光固化 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS)。

 

熔融沉积成型 (FDM)

 

FDM 3D 打印又称熔丝制造 (FFF)，是一种 3D 打印方法；该方法通过熔化和挤出热塑性长丝使部件成型，打印机喷嘴会将热塑性长丝逐层沉积在成型区域。

 

FDM 是消费者群体中使用最广泛的 3D 打印形式，业余级 3D 打印机的出现加速了该技术的发展进程。不仅如此，专业 FDM 打印机同样很受设计师和工程师们的欢迎。

 

与其他塑料 3D 打印工艺相比，FDM 的分辨率和精度都要更低，因此并非打印复杂设计或具有精细特征的部件的最佳选择。通过化学和机械抛光工艺可提高表面处理质量。一些专业级FDM 3D 打印机能够使用可溶性支撑来缓解其中的部分问题。

 

FDM 可使用一系列标准的热塑性塑料（如 ABS、PLA 及其各种混合材料），而较为先进的FDM 打印机还可以使用品类更为广泛的工程热塑性塑料甚至复合材料。在快速成型方面， FDM 打印机特别适合生产简单的部件，比如通常可以加工的部件。

 

立体光固化 (SLA)

 

SLA 3D 打印机使用激光将液态树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚合。由于具备高分辨率、高精度和材料用途广泛等特点，SLA 已经成为了专业人士眼中最受欢迎的工艺之一。

 

SLA 部件具备所有塑料 3D 打印技术中最高的分辨率和精度、最清晰的细节以及最高的表面光洁度，这使得 SLA 成为了制作公差要求严格的高保真外观性原型和功能性原型时的绝佳选择。

 

然而，SLA 的主要优势在于其树脂库广泛的应用范围。材料制造商创造了创新的 SLA 树脂配方，具有广泛的光学、机械和热性能，以匹配标准、工程和工业热塑性塑料。

 

Draft Resin 的出现使 SLA 3D 打印机成为了速度最快的原型制造工具之一，其最快打印速度要比FDM 3D 打印快 10 倍。

 

选择性激光烧结 (SLS)

 

选择性激光烧结是工业应用中最为常用的增材制造技术，因其能够生产坚固的功能性部件而受到不同行业工程师和制造商的信赖。

 

SLS 3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔合的粉末在打印过程中支撑部件， 不再需要专门的支撑结构。这使得 SLS 成为构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状的理想选择。使用 SLS 打印技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注塑成型部件。

 

用户可利用 SLS 3D 打印制造出坚固的功能性原型和工程原型，并将其用于严格的产品功能性测试。

 

在快速成型方面，SLS 3D 打印主要用于制造严格的产品（例如管道系统、支架）功能性测试以及现场客户反馈所需的功能性原型和工程原型。

 

2、CNC 工具

 

不同于 FDM、SLA 或 SLS，计算机数控 (CNC) 工具适用于减材制造流程。此类流程以塑料、金属或其他材料的实心块、棒或杆作为原材料，通过切、镗、钻、磨等方式去除多余材料实现成形。

 

CNC 工具采用 CNC 加工技术，可通过旋转刀具搭配固定部件（铣削）或旋转部件搭配固定刀具（车床）的方式来去除材料。激光切割机可使用激光对多种材料进行高精度的雕刻或切割作业。超高压水切割机可以使用混有磨料的高压水来切割几乎任何材料。可为 CNC 铣床和车床配备多个轴，以便能够根据更为复杂的设计方案来执行加工任务。激光切割机和超高压水切割机比较适合加工扁平部件。

 

CNC 工具可以加工塑料、软金属、硬金属（工业机器）、木材、亚克力、石材、玻璃、复合材料等材质的部件。与增材制造工具相比，CNC 工具的设置和操作过程更为复杂，而且某些材料和设计方案可能需要用到特殊的工具、处理、定位和加工方式，因此与增材工艺相比，此类工具的一次性部件生产成本要更高。

 

在快速成型方面，此类工具对于设计简单的结构部件、金属组件以及其他无法使用增材工具进行经济型生产的部件而言堪称理想的选择。

 

快速成型工具对比