快速原型和铸造

3D 打印对砂型和熔模铸造的影响

3D 打印是实现更快原型制作的众多进步之一。

设计师、企业家或发明家得到一个想法并开始将其变为现实的过程。起初，这个想法是由草图和计划、研究和设计组成的，但设计师的重点是创造一个物理对象。拿着模型或原型并看到一个愿景变成现实，没有什么可以替代的。原型制作可以让设计师对自己的想法充满信心，解决生产缺陷，并吸引投资者或客户。

在对象首次向世界推出时，创作者必须通过知识产权问题、最终成本分析、机械和美学问题以及投资者、客户或市场预期来管理他们的新产品。良好的原型设计运行为所有这些问题提供了探索空间。

幸运的是，快速、计算机主导的原型设计的兴起简化了这一过程的技术细节，使创作者能够生产出最好的产品。

原型设计的历史

在计算机辅助技术兴起之前，所有金属铸造原型都是由手工设计的图案构成的。在最初的设计阶段之后，工匠制版师会将图纸渲染成三维雕塑。对于砂铸件，这些图案通常由木头制成，但偶尔也由金属或陶瓷制成。一些图案是用蜡制成的，用于熔模铸造工艺。这些松散的图案是最终对象的第一次一般渲染。

这些模式与原型不同，即使它们看起来与最终产品相似。模型通常比最终模型稍大，以补偿金属铸造过程中的收缩。它们也可能被分成多个部分，仅作为扫模的几何轮廓创建，或者具有旨在补偿收缩金属的变形或为要从砂模中移除的图案提供拔模的奇怪角度。

模型将提供给铸造车间的专业造型师，通常是为了创建原型铸造所需的砂模。成型步骤曾经是一个具有挑战性的步骤，不像将图案压入沙子那么简单。成型师必须雕刻铸件的分型线，并放置必要的通道和孔，使熔融金属能够均匀、完全地填充模具，并在没有缺陷的情况下冷却。这些通道包括浇口或液态金属注入的入口；浇口，是控制熔融材料流速的可变尺寸通道；流道，允许液态金属从模具的一个区域流到另一个区域；和冒口，大体积的熔池，比铸件保持更长时间的热，因此可以在铸件冷却和收缩时将液态金属注入铸件，防止形成孔。

通过制模师和模具师的艰苦工作，金属原型将被铸造出来。

一旦铸造工人脱模干净的金属铸件，原始设计师就可以对其进行评估。美学、重量、光洁度和合身性将变得清晰。如果它不仅仅是一个装饰物，而是设计用于处理机械应力的东西，设计师将通过将其加载到其规定的容差来测试该物体，并超过它，以检查工程。铸造厂也会通过销毁原型来测试原型：铸件会被切割成碎片，以寻找内部的畸形。

将设计带入制造也将使投资和回报更加清晰。设计师或发明家可能会使用原型设计阶段来制定预算并找到完整生产运行的效率。

在以所有这些方式考虑原型之后，可能需要对设计进行更改。无论修改是大是小，它们通常都会为工匠制版师和之后的模具师再次创造数小时的工作时间。

原型制作是一个漫长而昂贵的过程。

数字化和计算机辅助设计

快速原型的兴起使得创建工作模型变得更加容易。它还会延迟第一次需要物理对象的时间。

蓝图和技术草图曾经都是手工完成的。现在，它们通过 CAD 程序（计算机辅助设计）数字化。通过原型制作过程多次更改数字 CAD 文件非常简单，而重新绘制历史蓝图则需要大量劳动。

CAD 图纸可以转化为复杂且富有想象力的制造运行和最终产品的模拟。它们是数字原型制作步骤，创建一个完整的计算机模型，其行为更像是初始原型，而不是笔和纸。具有制造和生产信息的计算机程序也可以使用 CAD 文件。如果设计师将 CAD 文件与他们的对象一起发送到铸造厂，冶金学家可以使用具有大量金属特性和成型工艺数据库的程序来评估草图并预测可能的问题。曾经可能需要进行原型设计才能发现的问题可以在第一个金属浇注之前发现。

这些程序对铸造厂也很有帮助，有助于在模型到达铸造车间之前将浇口、浇口、流道和冒口放置在可以创造最坚固铸件的位置。

尽管如此，无论多么复杂或想象得多么好，它们仍然是抽象的。人们通常需要物理原型才能真正理解设计。

样机和预生产原型

随着 3D 打印的出现，可以快速制作任何规模的模型，通常是在联系制造商之前。现在，设计师在内部构建自己的第一个原型是很常见的。无论是微型还是按比例放大，设计师都可以制作他们项目的模型，看看它们是如何组合在一起的。

3D 打印是快速变化的“迭代设计”新风格的一部分。 3D 模型可以在一天内打印、评论、更改和重印。与制模和金属铸造的复杂过程相比，这既快速又便宜。

在铸造厂，快速原型制作还可以帮助创建以新颖的方式压入模具的图案。激光引导加工可以用金属制造图案。 3D 打印可以直接为熔模铸造创建模型，这对于短期或复杂的运行可能是有效的。

生产原型

最终，原型将需要由合适的材料以合适的尺寸制成，并且将从制造商处订购短期生产。数字技术的到来意味着制版师和成型师现在都在计算机程序的指导下完成工作，从而加快了这些原型制作步骤。然而，并非一切都变了。通常仍会为砂型铸造生产运行的第一个原型创建松散的木纹（或用于熔模铸造的蜡型）。这些工作模型将一如既往地制作和测试。

铸造厂仍在进行破坏性测试。金属工人将对一些铸件进行切割或取芯，以确保它们没有缺陷，或者任何缺陷都在商定的公差范围内。当代工厂有信心时，他们会将样品发送给客户。然后，客户按照他们的意愿完成铸造，并投入使用。工作原型的外观和行为是否符合预期？它可以处理预期的负载吗？

在新发明中，创新者可能需要几轮工作原型才能修补设计或材料。对于更标准的零件，工作原型可能是概念证明，可以让客户或投资者为完整的生产运行付费。

超声波和 X 射线等技术的出现提高了这些原型制作的速度。铸造厂现在可以以非破坏性方式和破坏性方式进行测试。技术人员可以在不切割铸件的情况下检查金属的稳固性。这意味着可以制作更少的原型，并且仍然可以在生产线上提供完整的打样。铸造厂以无损方式检查的物品可以从铸造厂发送给客户进行检查、修整和负载测试。因此，新的非破坏性测试选项也提供了快速原型制作，从而减少了对生产原型制作运行的投资。

保密协议和专利

受快速原型设计影响的不仅仅是技术问题，还有知识产权问题。一旦设计离开设计师的工作室并进入制造领域，IP 就会成为一个问题。

如果产品是同类产品中的首创，发明人通常会计划提交专利。在许多情况下，在对工作的生产原型进行测试之前提交专利是不明智的。进入原型制作的工作，以及之后的设计测试，都可能发现可能改变专利申请的缺陷。

专利在提交时会公开公布。快速原型制作为每个人加热了生产周期。有缺陷的专利可能会成为竞争对手的创意素材，他们可以使用专利作为基准快速启动自己的研发。因此，等到原型设计结束再申请专利通常既能保护成本，又能保护知识产权。发明者通常不想在复杂的专利流程上花钱，只是为了在竞争激烈的情况下重做。

这个过程可能会让发明者感到脆弱，因为原型制作过程中的某个人可能会复制他们的设计并首先将其推向市场。因此，与信誉良好的制造商建立良好的关系并通过明确的保密协议保护设计非常重要。

快速原型设计以实现更好的设计

这种谨慎的另一面是企业渴望将产品推向市场，即使是在有限的测试市场或对 beta 测试者而言也是如此。 LinkedIn 创始人 Reid Hoffman 的名言被广泛引用：“如果你不为你的产品的第一个版本感到尴尬，那么你发布得太晚了。”

快速原型设计正在帮助设计师在进入市场之前实现更好的产品。然而，这个阶段的轻松可能是一首警笛声，它让设计师在推出之前不断修补以使事情变得完美。重要的是要记住，开发并不需要结束提炼和完善产品的工作。铸件的生命周期可能从设计和原型制作开始，但往往会产生几代产品，它们的风格、材料、铸造方法、机械能力、尺寸或功能会略有变化。