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为新产品成功选择正确的快速原型工艺

原型成败取决于新产品开发中快速原型工艺的选择。工程产品设计原型制作方式多样:从简单纸板模型到全加工金属子组件。

为新产品成功选择正确的快速原型工艺

原型制作对任何工程产品设计至关重要,尤其是 NPD。它是制作粗糙模型测试功能、形状、尺寸等的过程。详见《原型类型与重要性》。

本文聚焦零件级原型:如何制作单个零件以构建系统级产品原型。

选择快速原型工艺的 5 关键因素

原型因项目、产品、设计元素差异而千差万别。原型成败取决于工艺选择标准,启动选择时须考虑以下 5 因素:

为新产品成功选择正确的快速原型工艺
  1. 目的
  2. 质量
  3. 数量
  4. 复杂度
  5. 预算/成本

深入解析为何这些因素至关重要。

1. 目的

据 Ulrich 和 Eppinger (2008),工程产品设计开发项目中原型服务于四大目的:学习、沟通、集成、里程碑。目的随所处4 个 NPD 阶段而异。各阶段有特定功能需求以消除风险,进而决定所需原型保真度(即质量,后文详述)。

为新产品成功选择正确的快速原型工艺

首先取决于计划测试或风险缓解活动:测试类型、客户交互反馈等。若需严格测试、外部部署、产品验证,材料选择将主导工艺选择。

其次考量功能性需求:是否进行功能测试?是否有运动部件?这决定工艺选择与装配方式。

第三考虑变更与修改:原型极不可能一次成功。评估修改难易度以使原型工作。

NPD 阶段

为新产品成功选择正确的快速原型工艺

2. 质量

如前所述,所需保真度/精度决定工艺与后处理。原型质量与最终产品/子组件的对比度也需考量。高保真原型成本高,须结合投资回报率评估。

为新产品成功选择正确的快速原型工艺

例:零件有螺纹特征,SLA 优于 FDM 但成本更高。

原型寿命亦关键。例:紧固件频繁拆装,机加工或金属嵌件优于 3D 打印螺纹或自攻孔。

材料选择对原型质量至关重要。若功能涉及特殊材料性能(表面光洁度、耐久性),增材制造件可能非最佳。各制造方法常用材料:

3D 打印CNC真空铸造
Nylon、PLA、ABS、ULTEM、ASA、TPUABS、Nylon、Polycarbonate、PEEKABS、Nylon、Nylon HT
Aluminium、Stainless Steel、Titanium、InconelAluminium、Stainless Steel、Titanium、BrassN/A

多零件原型需考虑公差配合便于装配。

3. 数量

所需原型零件数量决定工艺选择,因部分技术仅对小批量具成本效益。增材制造中体积也直接影响成本:大件打印耗时更长。经验法则:

塑料件

原型工艺
塑料件数量
低 (1 件)中 (10 件)
尺寸小3D 打印CNC 加工(简单)
3D 打印(复杂)
大3D 打印真空铸造
CNC 加工

金属件

原型工艺
金属件数量
低 (1 件)中 (10 件)
尺寸小CNC 加工
3D 打印
CNC 加工
精密铸造
大CNC 加工CNC 加工

4. 复杂度

零件复杂度与特征精细度也决定工艺选择。增材制造擅长制造高复杂度小件,但须警惕:复杂意味量产极昂贵。

工艺公差 (mm)最小壁厚 (mm)
FDM±0.20 – ±0.500.8 – 1.0
SLS/SLA±0.20 – ±0.300.7 – 1.0
SLM/DMLS±0.100.4 – 0.5
粘结剂喷射±0.201.5 – 2.0
CNC *±0.0120.5
真空铸造±0.10.9 – 1.0

注:以上公差与最小壁厚为典型值,随材料选择与特征设计大幅变化。

为新产品成功选择正确的快速原型工艺

最终由注塑、各类铸造生产的零件可用 3D 打印原型;机加工件可用 3D 打印或传统成形/减材工艺原型。

5. 成本

最终可用资源;原型目标与资源紧密相关。制造调试原型所需时间、资金、工时须纳入工艺选择考量。

思考要点:

总结

新工程产品开发几乎总涉及原型制作以测试创意、功能等。但测试质量与后续决策高度依赖原型对最终产品的仿真度。故选择正确工艺制作原型是工程产品成功的关键。

明确上述 5 关键因素后,可决定探索工艺类型。原型制作方式繁多,各有优劣,选对工艺至关重要。

快速原型选择步骤:

制造工艺

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