产品开发快速原型制造指南

快速原型制造是一组技术，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而非传统的减材制造方法进行构建，因此快速原型制造已成为了增材制造和 3D 打印的代名词。

增材制造与原型制造是天生一对。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的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，几乎仅限于大型企业使用，较小的公司被迫将生产外包给专门的服务机构，在每次进行后续迭代前都需要等待数周。

由于可用的技术和材料众多，快速原型制造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。

概念模型或概念验证 (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度。

PoC 原型制造工作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。

概念模型成功与否关键在于速度；在构建和评估实体模型之前，设计师需要构思大量的想法。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。

3D 打印机则是支持概念建模的理想工具。3D 打印机可以在极短的周转时间内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 打印机非常适合放置于在办公室，且无需为其规划专门的空间。

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是利用他们为最终产品指定的实际颜色、材料和后处理 (CMF)，制造出与最终产品相似度极高的外观性原型。

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。

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；并可在首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、配合、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。

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精细的部件，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、上色、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件。

工程原型需要进行广泛的功能和可行性测试，以明确在受到应力和现场使用条件的影响时，部件或装配件的运转情况。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。 

通过快速原型制造，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）的子组件，以测试可制造性。

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

3D 打印快速模具制作还可与注射成型、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。快速原型制造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。

如今快速原型制造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，其中最常用于快速原型制造的工艺有熔融沉积成型 (FDM)、立体光刻 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS)。

FDM 3D 打印又称熔丝制造 (FFF)，这种 3D 打印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，专业级 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。在快速原型制造方面，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。

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；在制作公差要求严格的情况下，SLA 成为了制造高保真外观性原型和功能性原型的绝佳选择。

然而，SLA 的主要优势在于其树脂库提供了广泛的材料选择。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，其最高打印速度要比 FDM 3D 打印快 10 倍。

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，强度类似于注射成型部件。

在快速原型制造方面，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。

不同于 FDM、SLA 或 SLS，计算机数控 (CNC) 工具适用于减材制造工艺。这些工艺以塑料、金属或其他材料的实心块、棒、杆为加工对象，通过切割、镗孔、钻孔和磨削等方式去除多余材料，进而实现成形。

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。CNC 铣床和车床可配备多个轴，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。

在快速原型制造方面，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。