什么是快速原型设计？- 类型和工作

什么是快速原型设计？

快速原型制作是使用 3D 计算机辅助设计 (CAD) 快速制造物理零件、模型或装配体。零件、模型或装配体的创建通常使用增材制造完成，通常称为 3D 打印。

快速原型设计是创建可用于快速评估产品的东西的过程。在工程领域，原型是产品的早期版本。快速原型设计使公司能够测试和分析技术。

当设计与拟定的最终产品紧密匹配时，我们称其为高保真原型，而不是低保真原型，原型与最终产品之间存在明显差异。

换句话说，快速原型是一种测试方法。您可以分析产品的未来及其在客户中的成功。结果，分析将告诉您它是否会运作良好。公司在产品开发的每个阶段都使用此流程。

效率使该过程更便宜、更快。这为创建产品时的灵活性和错误留出了更多空间。从长远来看，这比其他方法更有利。

更多： 什么是3D打印？

快速原型制作有三个主要步骤。首先是创建原型。为此，他们开发了一个供公司测试的解决方案。

下一步是审查。许多公司通过与用户和利益相关者共享原型来做到这一点。这使他们能够获得反馈，以便他们可以修复产品并为他们的客户改进它。

最后一步是精炼。根据公司收到的反馈，他们可以维修或更换产品。这也将帮助他们改进未来的设计。

快速原型设计如何工作？

快速成型，也称为 3D 打印，是一种增材制造技术。该过程首先从建模或计算机辅助设计 (CAD) 软件中获取虚拟设计。 3D 打印机从 CAD 绘图中读取数据，并铺设连续的液体、粉末或片材层，从一系列横截面构建物理模型。

这些与 CAD 模型中的虚拟横截面相对应的层会自动连接在一起以创建最终形状。

Rapid Prototyping 使用标准数据接口，实现为 STL 文件格式，将 CAD 软件转换为 3D 原型机。 STL 文件使用三角形刻面近似零件或装配体的形状。

通常，快速原型系统可以在几个小时内生成 3D 模型。然而，这可能会有很大差异，具体取决于所使用的机器类型以及所生产模型的大小和数量。

虽然增材制造是最常见的快速原型制作工艺，但也可以使用其他更传统的方法来制作原型。

更多： 什么是增材制造？

这些过程包括：

• 减法 – 通过铣削、研磨或车削将一块材料雕刻成所需的形状。
• 压缩 – 在凝固之前通过半固态或液态材料压制成所需的形状，例如通过铸造、压缩烧结或成型。

不同类型的快速原型

快速成型技术的种类：

• 立体光刻 (SLA)
• 选择性激光烧结 (SLS)
• 直接金属激光烧结 (DMLS)
• 熔融沉积建模 (FDM)
• 粘合剂喷射
• 聚喷射

有几十种方法可以制作原型。随着原型制作流程的不断发展，产品设计师不断尝试确定哪种方法或技术最适合他们的独特应用。

1. 立体光刻 (SLA) 或还原光聚合

这种快速且廉价的技术是第一个成功的商业 3D 打印方法。采用光敏液浴，通过计算机控制的紫外光逐层固化。

SLA 是一种工业 3D 打印或增材制造，该工艺使用计算机控制的激光在可紫外线固化的光敏聚合物树脂池中制造零件。激光用于在液态树脂表面上描绘和固化零件设计的横截面。

然后将固化层降低到液体树脂表面的正下方并重复该过程。每个新固化的层都粘附在它下面的层上。这个过程一直持续到零件完成。

优点： 对于概念模型、外观原型和复杂设计，与其他增材工艺相比，SLA 可以生产具有复杂几何形状和出色表面光洁度的零件。成本具有竞争力，技术可从多个来源获得。

缺点： 原型零件的强度可能不如工程级树脂制成的零件，因此使用 SLA 制造的零件在功能测试中的用途有限。此外，虽然零件经过紫外线循环以固化零件的外表面，但应在使用内置 SLA 时尽量减少紫外线和湿气暴露，以免它们降解。

2. 选择性激光烧结 (SLS)

SLS 用于金属和塑料原型制作，使用粉末床通过激光逐层创建原型，以加热和烧结粉末材料。但零件的强度不如SLA，而成品表面通常比较粗糙，可能需要二次加工才能完成。

在 SLS 过程中，计算机控制的 CO2 激光器自下而上吸引尼龙基粉末的温床，在此将粉末轻轻烧结（熔合）成固体。在每一层之后，一个滚筒在床的顶部铺上一层新鲜的粉末，然后重复这个过程。

SLS 使用类似于实际工程热塑性塑料的刚性尼龙或弹性 TPU 粉末，因此零件表现出更大的韧性且精度高，但表面粗糙且缺乏精细细节。 SLS 的构建量大，可以生产具有高度复杂几何形状的零件，并创建耐用的原型。

优点： SLS 零件往往比 SLA 零件更准确、更耐用。该工艺可以制造具有复杂几何形状的耐用部件，适用于一些功能测试。

缺点： 零件具有颗粒状或沙质质地，并且该工艺的树脂选择有限。

3.直接金属激光烧结（DMLS）

DMLS 是一种增材制造技术，可生产金属原型和功能性最终用途零件。 DMLS 使用激光系统在雾化金属粉末的表面上绘图。在它吸取的地方，它将粉末焊接成固体。

在每一层之后，刀片会添加一层新鲜的粉末并重复该过程。 DMLS 可以使用大多数合金，使原型成为由与生产组件相同的材料制成的全强度、功能性硬件。

如果在设计时考虑到可制造性，它还有可能在需要增加产量时过渡到金属注塑成型

优点： DMLS 使用各种可用于功能测试的金属制作坚固（通常为 97% 的密度）原型。由于组件是逐层构建的，因此可以设计无法铸造或以其他方式加工的内部特征和通道。机械性能零件与常规成型零件相同。

缺点： 如果生产多个 DMLS 零件，成本可能会上升。由于直接金属工艺的粉末金属来源，这些零件的表面光洁度略显粗糙。该过程本身相对较慢，并且通常还需要昂贵的后处理。

4. 熔融沉积建模 (FDM) 或材料喷射

这种廉价、易于使用的过程可以在大多数非工业桌面 3D 打印机中找到。使用一卷热塑性长丝，在压力喷嘴外壳中熔化，然后根据计算机沉积程序逐层沉积所产生的液态塑料。

虽然早期的结果通常分辨率较差且效果不佳，但此过程改进迅速且快速且便宜，非常适合产品开发。

FDM 使用挤出方法，将热塑性树脂（ABS、聚碳酸酯或 ABS/聚碳酸酯混合物）分层熔化并重新固化，形成成品原型。因为它使用的是真正的热塑性树脂，所以它比粘合剂喷射更坚固，可能在功能测试中的用途有限。

优点： FDM 零件价格适中，相对坚固，可以很好地进行一些功能测试。该工艺可以制造具有复杂几何形状的零件。

缺点： 零件的表面光洁度较差，具有明显的波纹效果。它也是一种比 SLA 或 SLS 更慢的增材工艺，并且对功能测试的适用性有限。

6. 注塑成型           

快速注塑通过将热塑性树脂注入模具中进行工作，就像在生产注塑中一样。使这个过程“快速”的是用于生产模具的技术，模具通常由铝制成，而不是生产模具中使用的传统钢材。

模制零件坚固且具有出色的光洁度。这也是塑料件的行业标准生产流程，因此如果情况允许，在同一流程中进行原型制作具有先天优势。

几乎任何工程级塑料或液态硅橡胶（LSR）都可以使用，因此设计师不受原型制作过程的材料限制。

优点： 模制零件由一系列工程级材料制成，具有出色的表面光洁度，并且是生产阶段可制造性的出色预测指标。

缺点： 与快速注塑成型相关的初始工具成本不会出现在任何增材工艺或 CNC 加工中。因此，在大多数情况下，进行一到两轮快速原型（减法或加法）以检查适合性和功能，然后再进行注塑成型是有意义的。

7. 粘合剂喷射

这种技术允许一次打印一个或多个部件，尽管制造的部件不如使用 SLS 制造的部件坚固。粘合剂喷射使用粉末床，喷嘴将微细液滴喷射到粉末床上，将粉末颗粒粘合在一起并形成零件层。

然后可以在施加下一层粉末之前用滚筒压实每一层，然后重新开始该过程。零件完成后，可以在烘箱中固化，烧掉粘合剂，将粉末熔化成一个整体。

8. Polyjet

Polyjet 使用打印头喷涂一层一层的光敏聚合物树脂，这些树脂一层一层地使用紫外线固化。这些层非常薄，可以提供高质量的分辨率。该材料由凝胶基质支撑，该凝胶基质在部件完成后被移除。 Polyjet 可以生产弹性部件。

优点： 这种工艺价格适中，可以用柔性和刚性材料制作包覆成型零件的原型，可以生产多种颜色的零件，并且可以轻松复制复杂的几何形状。

缺点： Polyjet 部件的强度有限（与 SLA 相比），不适合功能测试。虽然 PolyJet 可以制造具有复杂几何形状的零件，但它无法深入了解设计的最终可制造性。此外，随着时间的推移，颜色会在光线下呈黄色。

比较原型制作过程