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Formlabs 日前發(fā)布了白皮書《產(chǎn)品開發(fā)快速成型指南》。

 

原型制作是產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，但這通常是產(chǎn)品研發(fā)中的一個瓶頸。

 

產(chǎn)品設(shè)計師和工程師會使用基本工具創(chuàng)建臨時的概念驗證模型，但生產(chǎn)功能性原型和產(chǎn)品級部件通常需要與生產(chǎn)最終成品相同的工序。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工序（如注射成型）需要成本高昂的工具和配置，即使是生產(chǎn)小體積的定制原型，成本也非常高昂。

 

快速成型可幫助公司將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的概念驗證，將這些概念演變?yōu)楦叨缺Ｕ娴脑?，在外觀和運作上都與最終產(chǎn)品一致，并指導(dǎo)產(chǎn)品通過一系列校驗階段，從而進行大規(guī)模生產(chǎn)。

 

通過快速成型，設(shè)計師和工程師可以比以往更快地直接通過 CAD 數(shù)據(jù)創(chuàng)建原型，并根據(jù)實際測試和反饋快速地反復(fù)修改設(shè)計。

 

在本指南中，您將了解快速成型如何適用于產(chǎn)品開發(fā)過程及其應(yīng)用，以及當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)團隊可用的快速成型工具。

 

什么是快速成型？

 

快速成型是一組技術(shù)，能夠使用三維計算機輔助設(shè)計 (CAD) 數(shù)據(jù)快速制作物理部件或裝配件的比例模型。這些部件或裝配件通常使用增材制造技術(shù)構(gòu)建，而不是傳統(tǒng)的消減制造方法，因此， 這已成為增材制造和 3D 打印的代名詞。

 

增材制造與原型制作是天生一對。增材制造可以提供近乎無限的形狀自由度，無需工具，且可以生產(chǎn)出機械性能與傳統(tǒng)制造方法加工各種材料緊密匹配的部件。3D 打印技術(shù)始于上世紀 80 年代，但因其高成本和復(fù)雜性，幾乎僅限于大企業(yè)使用，較小的公司被迫將生產(chǎn)外包給專門的服務(wù)機構(gòu)，每次后續(xù)迭代都需要等代數(shù)周。

 

設(shè)計師可以利用 3D 打印技術(shù)，在數(shù)字設(shè)計和實體原型之間快速迭代，以便更快地投入生產(chǎn)。

 

桌面和臺式 3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，并引發(fā)了一股勢不可擋的熱潮。通過內(nèi)部 3D 打印， 工程師和設(shè)計師可以在數(shù)字設(shè)計和實體原型之間快速迭代。如今，創(chuàng)建原型可在一天之內(nèi)完成，并根據(jù)實際測試和分析的結(jié)果對設(shè)計、大小、形狀或裝配件進行多個迭代。最終，快速成型過程能夠幫助企業(yè)比其競爭對手更快的把更好的產(chǎn)品推向市場。

 

快速成型的優(yōu)勢

 

1、更快地實現(xiàn)和探索概念

 

快速成型使初始想法上升為低風(fēng)險的概念探索，這些概念探索能立刻轉(zhuǎn)變?yōu)楸普娴漠a(chǎn)品。它能讓設(shè)計師超越虛擬的可視化，更容易理解設(shè)計的外觀和觸感，并對概念進行逐一對比。

 

2、有效溝通想法

 

實體模型能讓設(shè)計師與同事、客戶和合作者分享概念和想法，這是無法僅通過屏幕上的可視化設(shè)計實現(xiàn)的。快速成型有助于獲得清晰、可操作的用戶反饋，對于創(chuàng)造者了解用戶需求進而改進 和完善設(shè)計至關(guān)重要。

 

3、反復(fù)設(shè)計并隨時整合變更

 

設(shè)計始終是一個迭代過程，需要進行多輪測試、評估和改進才能形成最終產(chǎn)品。使用 3D 打印進行快速成型可以更快地創(chuàng)建更逼真的原型，并立即進行更改，從而完善這一至關(guān)重要的試錯過程。

 

利用 Formlabs SLA 打印機制作原型的機器人具零件的多個連續(xù)迭代。

 

一個完好的模型需要全天候的設(shè)計周期：在工作時間進行設(shè)計，夜間進行 3D 打印原型部件， 第二天清洗和測試，調(diào)整設(shè)計，然后重復(fù)以上流程。

 

4、節(jié)省成本和時間

 

使用 3D 打印技術(shù)，無需昂貴的工具和配置；相同的設(shè)備可用于生產(chǎn)不同的幾何形狀。內(nèi)部快速成型消除了外包所需的高成本和周轉(zhuǎn)時間。

 

5、充分測試，盡量減少設(shè)計缺陷

 

在產(chǎn)品設(shè)計和制造中，盡早發(fā)現(xiàn)和修復(fù)設(shè)計缺陷可以幫助公司避免昂貴的設(shè)計修改和工具變更過程?？焖俪尚褪构こ處熌軌?qū)ν庥^和性能類似最終產(chǎn)品的原型進行充分的測試，從而在投入生產(chǎn)前降低可用性和可制造性方面的風(fēng)險。

 

快速成型的應(yīng)用

 

由于各種可用的技術(shù)和材料，快速成型技術(shù)能在整個產(chǎn)品開發(fā)過程（從最初的概念模型到工程、驗證測試和生產(chǎn)）中為設(shè)計師和工程師提供支持。

 

硬件開發(fā)過程。來源：Ben Einstein, Bolt

 

1、概念驗證 (POC) 原型和概念模型

 

概念模型或概念驗證 ("Proof of Concept", POC) 原型能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計師驗證想法和假設(shè)，并測試產(chǎn)品的可行性。實體的概念模型可以向涉眾演示觀點，發(fā)起討論，并使用低風(fēng)險的概念探索推動對模型的接受與否。

 

PoC 原型制造工作開始于整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的最早階段，這些原型中應(yīng)涵蓋驗證各種假設(shè)所需的最低限度的功能；驗證過后，產(chǎn)品方可進入后續(xù)的開發(fā)階段。

 

概念驗證應(yīng)盡量簡單，足以模擬產(chǎn)品的使用方式即可。例如，一個充電器的 POC 可能只是將一個 3D 打印的外殼連接到標(biāo)準(zhǔn) USB 充電電纜上而已。

 

成功的概念模型關(guān)鍵在于速度；在構(gòu)建和評估實體模型之前，設(shè)計師需要產(chǎn)生大量的想法。在這一階段，可用性和質(zhì)量沒有那么重要，團隊會盡可能依賴現(xiàn)成的部件。

 

瑞士設(shè)計咨詢工作室 Panter & Tourron 的設(shè)計師利用 SLA 3D 打印技術(shù)，在兩周內(nèi)將概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎故咀髌贰?/span>

 

3D 打印機則是支持概念建模的理想工具。3D 打印機提供了無與倫比的周轉(zhuǎn)時間，將計算機文件轉(zhuǎn)換為實體原型，使設(shè)計師可以快速測試更多的概念。與大多數(shù)車間和制造工具相比，桌面級 3D 打印機是辦公室友好型的，不需要專門的空間。

 

2、外觀性原型

 

外觀性原型可以在抽象層次上代表最終產(chǎn)品，但與成品相比可能會缺少許多功能。此類原型的用途是幫助設(shè)計師更好地了解最終產(chǎn)品的外觀以及最終用戶與之交互的方式。在設(shè)計與工程人員花費大量時間來全面打造產(chǎn)品的各項功能與特性之前，可以使用外觀性原型來驗證產(chǎn)品的人體工程學(xué)特征、用戶界面以及整體用戶體驗。

 

外觀性原型的開發(fā)工作通常要先從草圖、泡沫或粘土模型開始，然后再進入 CAD 建模階段。隨著設(shè)計周期從一個迭代推進到下一個迭代，原型制造工作需要在數(shù)字渲染與實體模型之間反復(fù)切換。當(dāng)設(shè)計方案最終敲定后，工業(yè)設(shè)計團隊的目標(biāo)就將是利用他們?yōu)樽罱K產(chǎn)品指定的實際顏色、材料和表面處理 (CMF)，制造出與最終產(chǎn)品相似度極高的外觀性原型。

 

Form 2 SLA 3D 打印機的外觀性原型，具有不同的樹脂盒放置解決方案。

 

3、功能性原型

 

在進行工業(yè)設(shè)計的同時，工程團隊也會著手制作另一組原型，用于測試、迭代和改進產(chǎn)品中的機械、電氣和熱力系統(tǒng)。此類功能性原型的外觀可能會與最終產(chǎn)品有所不同，但其中卻包含了開發(fā)和測試工作所涉及的各項核心技術(shù)和功能。

 

通常而言，在集成到同一個產(chǎn)品原型當(dāng)中之前，這些關(guān)鍵核心功能的開發(fā)和測試工作都將分別在單獨的子單元中完成。這種子系統(tǒng)式的工作方法能夠有效分離各個變量，使不同的團隊更容易區(qū)分各自的職責(zé)，并能夠在將產(chǎn)品的所有元素融為一體之前從更微觀的層面上確保所有元素的可靠性。

 

Form 3L 大幅面 SLA 3D 打印機的早期功能性原型。

 

4、工程原型

 

工程原型的制造過程充滿了設(shè)計理念與工程原理的碰撞，其目的是打造出最終商品的最小可行版本， 即所謂的可制造性設(shè)計 (DFM)。此類原型可供選定的先導(dǎo)型用戶群體執(zhí)行基于實驗室的用戶測試， 以便在后續(xù)階段將生產(chǎn)意圖傳達給模具專家；并可在第一次銷售會議中充當(dāng)演示工具。

 

在這一階段，細節(jié)變得越發(fā)重要。3D 打印技術(shù)使工程師能夠創(chuàng)建高度保真的原型，準(zhǔn)確地展現(xiàn)最終成品。這使得在投資昂貴的工具并投入生產(chǎn)之前能夠更容易地驗證設(shè)計、擬合度、功能和可制造性，而此時進行更改的時間成本和費用成本也越來越高。

 

潛水相機制造商 Paralenz 利用 3D 打印技術(shù)創(chuàng)造了功能性原型機，經(jīng)受住了海平面以下 200 多米的測試。

 

先進的 3D 打印材料可以與傳統(tǒng)制造工藝（如注射成型）所生產(chǎn)部件的外觀、手感和材料特性緊密匹配。各種材料可以模擬細節(jié)紋理豐富的部件，含有包含觸感柔軟、光滑且低摩擦的表面、剛性堅固的外殼或透明的組件。3D 打印部件可以通過打磨、拋光、涂色、或電鍍等進行二次加工， 以復(fù)制最終部件的所有視覺屬性，也可以通過螺紋連接創(chuàng)建具有多種部件和材料的裝配。

 

Wöhler 的工程師用多種材料制造了一個具有濕度計外觀和功能的原型，帶有剛性外殼和觸感柔軟的按鈕。

 

工程原型需要進行廣泛的功能和可用行性測試，以了解部件或裝配件在受到應(yīng)力和現(xiàn)場使用條件的影響時的運轉(zhuǎn)情況。3D 打印則能夠為打造可承受熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力和機械應(yīng)力的高性能原型提供工程塑料。

 

5、驗證測試與制造

 

通過快速成型，工程師可以創(chuàng)建小批量生產(chǎn)，定制一次性解決方案，以及用于工程、設(shè)計和產(chǎn)品驗證測試（EVT、DVT 和 PVT）構(gòu)建的子組件，以測試可制造性。

 

在考慮實際制造過程時，3D 打印更易于測試工差，并在進入批量生產(chǎn)之前進行全面的內(nèi)部和現(xiàn)場測試。

 

3D 打印快速制模技術(shù)還可與注射成型、熱成型或硅膠成型等傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合，并通過提高這些工藝的靈活性、敏捷性、可擴展性和成本效益來改進生產(chǎn)流程。該技術(shù)還為創(chuàng)建定制測試夾具和固定裝置提供了有效的解決方案，通過收集一致的數(shù)據(jù)來簡化功能測試和認證。

 

有了 3D 打印，設(shè)計不必止步于生產(chǎn)開始時?？焖俪尚褪乖O(shè)計師和工程師可以不斷改進產(chǎn)品， 通過夾具和固定裝置快速有效地解決生產(chǎn)線上的問題，以強化裝配或 QA 過程。

 

快速成型工具和方法

 

1、增材制造

 

如今快速成型基本已成為了增材制造和 3D 打印的代名詞?？晒┻x擇的 3D 打印工藝有許多種， 其中最常用于快速成型的工藝有熔融沉積成型 (FDM)、立體光固化 (SLA) 和選擇性激光燒結(jié) (SLS)。

 

熔融沉積成型 (FDM)

 

FDM 3D 打印又稱熔絲制造 (FFF)，是一種 3D 打印方法；該方法通過熔化和擠出熱塑性長絲使部件成型，打印機噴嘴會將熱塑性長絲逐層沉積在成型區(qū)域。

 

FDM 是消費者群體中使用最廣泛的 3D 打印形式，業(yè)余級 3D 打印機的出現(xiàn)加速了該技術(shù)的發(fā)展進程。不僅如此，專業(yè) FDM 打印機同樣很受設(shè)計師和工程師們的歡迎。

 

與其他塑料 3D 打印工藝相比，F(xiàn)DM 的分辨率和精度都要更低，因此并非打印復(fù)雜設(shè)計或具有精細特征的部件的最佳選擇。通過化學(xué)和機械拋光工藝可提高表面處理質(zhì)量。一些專業(yè)級FDM 3D 打印機能夠使用可溶性支撐來緩解其中的部分問題。

 

FDM 可使用一系列標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料（如 ABS、PLA 及其各種混合材料），而較為先進的FDM 打印機還可以使用品類更為廣泛的工程熱塑性塑料甚至復(fù)合材料。在快速成型方面， FDM 打印機特別適合生產(chǎn)簡單的部件，比如通?？梢约庸さ牟考?/span>

 

立體光固化 (SLA)

 

SLA 3D 打印機使用激光將液態(tài)樹脂固化成硬化塑料，這一過程稱為光聚合。由于具備高分辨率、高精度和材料用途廣泛等特點，SLA 已經(jīng)成為了專業(yè)人士眼中最受歡迎的工藝之一。

 

SLA 部件具備所有塑料 3D 打印技術(shù)中最高的分辨率和精度、最清晰的細節(jié)以及最高的表面光潔度，這使得 SLA 成為了制作公差要求嚴格的高保真外觀性原型和功能性原型時的絕佳選擇。

 

然而，SLA 的主要優(yōu)勢在于其樹脂庫廣泛的應(yīng)用范圍。材料制造商創(chuàng)造了創(chuàng)新的 SLA 樹脂配方，具有廣泛的光學(xué)、機械和熱性能，以匹配標(biāo)準(zhǔn)、工程和工業(yè)熱塑性塑料。

 

Draft Resin 的出現(xiàn)使 SLA 3D 打印機成為了速度最快的原型制造工具之一，其最快打印速度要比FDM 3D 打印快 10 倍。

 

選擇性激光燒結(jié) (SLS)

 

選擇性激光燒結(jié)是工業(yè)應(yīng)用中最為常用的增材制造技術(shù)，因其能夠生產(chǎn)堅固的功能性部件而受到不同行業(yè)工程師和制造商的信賴。

 

SLS 3D 打印機使用高功率激光來熔合小顆粒的聚合物粉末。未熔合的粉末在打印過程中支撐部件， 不再需要專門的支撐結(jié)構(gòu)。這使得 SLS 成為構(gòu)造內(nèi)部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等復(fù)雜幾何形狀的理想選擇。使用 SLS 打印技術(shù)制造的部件具有優(yōu)良的機械特性，強度類似于注塑成型部件。

 

用戶可利用 SLS 3D 打印制造出堅固的功能性原型和工程原型，并將其用于嚴格的產(chǎn)品功能性測試。

 

在快速成型方面，SLS 3D 打印主要用于制造嚴格的產(chǎn)品（例如管道系統(tǒng)、支架）功能性測試以及現(xiàn)場客戶反饋所需的功能性原型和工程原型。

 

2、CNC 工具

 

不同于 FDM、SLA 或 SLS，計算機數(shù)控 (CNC) 工具適用于減材制造流程。此類流程以塑料、金屬或其他材料的實心塊、棒或桿作為原材料，通過切、鏜、鉆、磨等方式去除多余材料實現(xiàn)成形。

 

CNC 工具采用 CNC 加工技術(shù)，可通過旋轉(zhuǎn)刀具搭配固定部件（銑削）或旋轉(zhuǎn)部件搭配固定刀具（車床）的方式來去除材料。激光切割機可使用激光對多種材料進行高精度的雕刻或切割作業(yè)。超高壓水切割機可以使用混有磨料的高壓水來切割幾乎任何材料。可為 CNC 銑床和車床配備多個軸，以便能夠根據(jù)更為復(fù)雜的設(shè)計方案來執(zhí)行加工任務(wù)。激光切割機和超高壓水切割機比較適合加工扁平部件。

 

CNC 工具可以加工塑料、軟金屬、硬金屬（工業(yè)機器）、木材、亞克力、石材、玻璃、復(fù)合材料等材質(zhì)的部件。與增材制造工具相比，CNC 工具的設(shè)置和操作過程更為復(fù)雜，而且某些材料和設(shè)計方案可能需要用到特殊的工具、處理、定位和加工方式，因此與增材工藝相比，此類工具的一次性部件生產(chǎn)成本要更高。

 

在快速成型方面，此類工具對于設(shè)計簡單的結(jié)構(gòu)部件、金屬組件以及其他無法使用增材工具進行經(jīng)濟型生產(chǎn)的部件而言堪稱理想的選擇。

 

快速成型工具對比