产品开发快速原型制作指南

原型设计是产品开发过程的关键部分，但在传统上，它一直是一个瓶颈。

产品设计师和工程师将使用基本工具创建临时的概念验证模型，但生产功能原型和生产质量零件通常需要与成品相同的过程。注塑成型等传统制造工艺需要昂贵的工具和设置，这使得小批量定制原型的成本高得令人望而却步。

快速原型设计可帮助公司将想法转化为现实的概念证明，将这些概念推进为外观和工作方式与最终产品相似的高保真原型，并引导产品通过一系列验证阶段以实现大规模生产。

借助快速原型制作，设计师和工程师可以比以往任何时候都更快地直接从 CAD 数据创建原型，并根据实际测试和反馈对其设计进行快速和频繁的修改。

在本指南中，您将了解快速原型制作如何融入产品开发流程及其应用，以及当今的产品开发团队可以使用哪些快速原型制作工具。

什么是快速原型？

快速原型制作是一组技术，用于使用三维计算机辅助设计 (CAD) 数据快速制造物理零件或组件的比例模型。由于这些零件或组件通常使用增材制造技术而非传统的减材方法构建而成，因此该短语已成为增材制造和 3D 打印的同义词。

增材制造是原型制作的自然搭配。它提供了几乎无限的形状自由度，不需要工具，并且可以生产出机械性能与传统制造方法制造的各种材料紧密匹配的零件。 3D 打印技术自 1980 年代以来一直存在，但其高昂的成本和复杂性主要限制了大公司的使用，或者迫使小公司将生产外包给专业服务，在后续迭代之间等待数周。

使用 3D 打印，设计师可以在数字设计和物理原型之间快速迭代，并更快地投入生产。

桌面和台式 3D 打印的出现改变了这一现状，并激发了采用的风潮，而且没有停止的迹象。借助内部 3D 打印，工程师和设计师可以在数字设计和物理原型之间快速迭代。现在可以在一天内创建原型，并根据实际测试和分析的结果对设计、尺寸、形状或组装进行多次迭代。最终，快速原型制作流程可帮助公司以比竞争对手更快的速度将更好的产品推向市场。

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快速原型的优势

更快地实现和探索概念

快速原型制作将最初的想法提升到低风险的概念探索，这些探索很快就看起来像真正的产品。它允许设计师超越虚拟可视化，更容易理解设计的外观和感觉，并并排比较概念。

有效地传达想法

物理模型使设计师能够与同事、客户和合作者分享他们的概念，以仅通过在屏幕上可视化设计无法实现的方式传达想法。快速原型设计有助于获得清晰、可操作的用户反馈，这对于创作者了解用户需求并完善和改进他们的设计至关重要。

迭代设计并立即合并更改

设计始终是一个迭代过程，需要在获得最终产品之前进行多轮测试、评估和改进。使用 3D 打印进行快速原型制作提供了灵活性，可以更快地创建更逼真的原型并立即实施更改，从而提升这一关键的试错过程。

在 Formlabs SLA 打印机上制作原型的拾放机器人夹具的连续迭代。

一个好的模型是一个 24 小时的设计周期：在工作中设计，隔夜 3D 打印原型零件，第二天清洁和测试，调整设计，然后重复。

节省成本和时间

使用 3D 打印，无需昂贵的工具和设置；相同的设备可用于生产不同的几何形状。内部快速原型设计消除了与外包相关的高成本和交货时间。

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彻底测试并尽量减少设计缺陷

在产品设计和制造过程中，及早发现和修复设计缺陷可以帮助公司避免在未来进行代价高昂的设计修改和工具更改。

快速原型制作使工程师能够彻底测试外观和性能与最终产品相似的原型，从而在投入生产之前降低可用性和可制造性问题的风险。

快速原型的应用

得益于各种可用的技术和材料，快速原型设计在整个产品开发过程中为设计师和工程师提供支持，从最初的概念模型到工程、验证测试和生产。

硬件开发过程。资料来源：本·爱因斯坦，博尔特

概念验证 (PoC) 原型和概念模型

概念模型或概念验证 (POC) 原型可帮助产品设计师验证想法和假设，并测试产品的可行性。物理概念模型可以通过低风险的概念探索向利益相关者展示一个想法，引发讨论，并推动接受或拒绝。

PoC 原型设计发生在产品开发过程的最早阶段，这些原型包括在将产品转移到后续开发阶段之前验证假设所需的最少功能。

概念验证应该很简单，足以模仿产品的工作方式。例如，充电座的 POC 可能只是一个连接到标准 USB 充电电缆的 3D 打印外壳。

成功的概念建模的关键是速度；在构建和评估物理模型之前，设计师需要产生大量的想法。在这个阶段，可用性和质量不太重要，团队尽可能地依赖现成的部件。

瑞士设计和咨询工作室 Panter&Tourron 的设计师使用 SLA 3D 打印在两周内完成了从概念到展示的过程。

3D 打印机是支持概念建模的理想工具。它们提供无与伦比的周转时间，将计算机文件转换为物理原型，使设计人员能够快速测试其他概念。与大多数车间和制造工具相比，桌面 3D 打印机适合办公室使用，无需专用空间。

类似原型

看起来像的原型代表了抽象级别的最终产品，但可能缺乏它的许多功能方面。他们的目的是更好地了解最终产品的外观以及最终用户将如何与之交互。在花费大量设计和工程时间来完全构建产品功能之前，可以使用外观相似的原型来验证人体工程学、用户界面和整体用户体验。

外观原型开发通常从草图、泡沫或粘土模型开始，然后进入 CAD 建模。随着设计周期从一个迭代推进到下一个迭代，原型设计在数字渲染和物理模型之间来回移动。随着设计的最终确定，工业设计团队的目标是使用他们为最终产品指定的实际颜色、材料和饰面 (CMF)，创建与最终产品准确相似的外观原型。

外观相似的 Form 2 SLA 3D 打印机原型，具有不同的墨盒放置解决方案。

类似工程的原型

与工业设计过程并行，工程团队在另一组原型上工作，以测试、迭代和改进构成产品的机械、电气和热系统。这些类似作品的原型可能看起来与最终产品不同，但它们包含了需要开发和测试的核心技术和功能。

通常，在集成到单个产品原型之前，这些关键核心功能是在单独的子单元中开发和测试的。这种子系统方法隔离了变量，使团队在将所有元素折叠在一起之前更容易拆分职责并确保更细粒度的可靠性。

Form 3L 大幅面 SLA 3D 打印机的早期原型。

工程原型

工程原型是设计和工程相遇的地方，以创建最终商业产品的最小可行版本，即为制造而设计 (DFM)。这些原型用于与选定的主要用户组进行基于实验室的用户测试，在后续阶段将生产意图传达给模具专家，并在第一次销售会议中充当演示者。

在这个阶段，细节变得越来越重要。 3D 打印使工程师能够创建准确代表成品的高保真原型。这使得在投资昂贵的工具并投入生产之前更容易验证设计、配合、功能和可制造性，而此时进行更改的时间和成本变得越来越令人望而却步。

潜水相机制造商 Paralenz 使用 3D 打印创建功能原型，可经受海平面以下 200 多米的测试。

先进的 3D 打印材料可以与使用传统制造工艺（例如注塑成型）生产的零件的外观、手感和材料特性紧密匹配。各种材料可以模拟具有精细细节和纹理、触感柔软、光滑且低摩擦的表面、坚固耐用的外壳或清晰组件的零件。 3D 打印零件可以通过打磨、抛光、喷漆或电镀等二次加工完成，以复制最终零件的任何视觉属性，也可以通过螺纹加工以从多个零件和材料创建组件。

Wöhler 的工程师使用多种材料构建了一个外观相似、工作相似的湿度计原型，该原型具有坚固的外壳和触感柔软的按钮。

工程原型需要广泛的功能和可用性测试，以了解零件或组件在承受应力和现场使用条件时的功能。 3D 打印为高性能原型提供工程塑料，可以承受热、化学和机械应力。

验证测试和制造

快速原型制作使工程师能够创建小批量运行、一次性定制解决方案以及用于工程、设计和产品验证（EVT、DVT、PVT）构建的子组件，以测试可制造性。

3D 打印使在考虑实际制造过程的情况下更容易测试公差，并在进入批量生产之前进行全面的内部和现场测试。

3D 打印快速模具还可以与传统制造工艺（如注塑成型、热成型或硅胶成型）相结合，通过提高其灵活性、敏捷性、可扩展性和成本效率来改进生产流程。该技术还为创建定制测试夹具和固定装置提供了一种有效的解决方案，通过收集一致的数据来简化功能测试和认证。

医疗器械设计公司 Coalesce 使用定制夹具进行内部测试。

使用 3D 打印，设计不必在生产开始时就结束。快速原型制作工具可让设计师和工程师不断改进产品，并使用可增强装配或 QA 流程的夹具和固定装置快速有效地响应生产线上的问题。

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快速原型工具和方法

增材制造

快速原型制作基本上已成为增材制造和 3D 打印的代名词。有多种 3D 打印工艺可用，其中最常用于快速成型的工艺是熔融沉积成型 (FDM)、立体光刻 (SLA)、选择性激光烧结 (SLS)。

熔融沉积建模 (FDM)

FDM 3D打印也称为熔丝制造（FFF），是一种3D打印方法，通过熔化和挤出热塑性长丝来构建零件，打印机喷嘴将其逐层沉积在构建区域。

FDM 是消费级使用最广泛的 3D 打印形式，受到业余爱好者 3D 打印机的推动。然而，专业 FDM 打印机也受到设计师和工程师的欢迎。

与其他塑料 3D 打印工艺相比，FDM 具有最低的分辨率和精度，并不是打印复杂设计或具有复杂特征的零件的最佳选择。通过化学和机械抛光工艺可以获得更高质量的饰面。一些专业的 FDM 3D 打印机使用可溶性支撑来缓解其中一些问题。

FDM 可使用一系列标准热塑性塑料，例如 ABS、PLA 及其各种混合物，而更先进的 FDM 打印机还提供更广泛的工程热塑性塑料甚至复合材料。对于快速原型制作，FDM 打印机特别适用于生产简单零件，例如通常可以加工的零件。

立体光刻 (SLA)

SLA 3D 打印机使用激光在称为光聚合的过程中将液态树脂固化成硬化塑料。 SLA 具有高分辨率、精确度和材料多功能性，因此成为专业人士中最受欢迎的流程之一。

在最终产品旁边使用 Form 3 SLA 3D 打印机制作的手表的 3D 打印快速原型。

SLA 部件具有所有塑料 3D 打印技术中最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最光滑的表面光洁度，使 SLA 成为需要严格公差的高保真外观原型和功能性原型原型的绝佳选择。

然而，SLA 的主要优势在于其树脂库的多功能性。材料制造商创造了具有广泛光学、机械和热性能的创新 SLA 光聚合物树脂配方，以匹配标准、工程和工业热塑性塑料。

使用 Draft Resin，SLA 3D 打印也是最快的原型制作工具之一，比 FDM 3D 打印快 10 倍。

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选择性激光烧结 (SLS)

选择性激光烧结是工业应用中最常见的增材制造技术，因其能够生产强大的功能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融合聚合物粉末的小颗粒。未熔化的粉末在打印过程中支撑部件，无需专用支撑结构。这使得 SLS 非常适合复杂的几何形状，包括内部特征、底切、薄壁和负特征。 SLS打印生产的零件具有优异的机械特性，强度与注塑件相似。

SLS 3D打印可以制作出功能强大的功能性原型和工程原型，用于产品的严格功能测试。

在快速原型制作方面，SLS 3D打印主要用于产品（如管道系统、支架）的严格功能测试和现场客户反馈的类作品原型和工程原型。

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CNC 工具

与 FDM、SLA 或 SLS 不同，计算机数控 (CNC) 工具是减材制造工艺。它们从塑料、金属或其他材料制成的实心块、棒或棒开始，通过切割、钻孔、钻孔和研磨去除材料而成型。

CNC 工具包括 CNC 加工，它通过旋压工具和固定零件（铣削）或旋压零件和固定工具（车床）去除材料。激光切割机使用激光以高精度雕刻或切割各种材料。水刀切割机使用混合有磨料和高压的水来切割几乎任何材料。 CNC 铣床和车床可以有多个轴，这使它们能够管理更复杂的设计。激光和水刀切割机更适合平面零件。

CNC 工具可以将塑料、软金属、硬金属（工业机器）、木材、亚克力、石材、玻璃、复合材料制成零件。与增材制造工具相比，CNC 工具的设置和操作更复杂，而某些材料和设计可能需要特殊的工具、处理、定位和加工，与增材工艺相比，一次性零件的成本更高。

在快速原型制作中，它们是理想的简单设计、结构部件、金属部件以及其他使用增材工具生产不可行或不具有成本效益的部件。

快速原型工具比较

	熔融沉积建模 (FDM)	立体光刻 (SLA)	选择性激光烧结 (SLS)	数控工具
分辨率	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
准确性	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
表面处理	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
易于使用	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
复杂设计	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
构建卷	高达 300 x 300 x 600 毫米（桌面和台式 3D 打印机）	高达 300 x 335 x 200 毫米（桌面和台式 3D 打印机）	高达 165 x 165 x 300 毫米（台式工业 3D 打印机）	依赖于工具
材料	标准热塑性塑料，例如 ABS、PLA 及其各种混合物。	各种树脂（热固性塑料）。标准、工程（类 ABS、类 PP、类硅胶、柔性、耐热、刚性）、浇注料、牙科和医疗（生物相容）。	工程热塑性塑料，通常是尼龙及其复合材料（尼龙 12 具有生物相容性 + 与灭菌兼容）。	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。
应用程序	Basic proof-of-concept models, low-cost prototyping of simple parts.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

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