快速成型工艺
为您的项目选择最佳流程
使用快速原型制造零件以测试组件配合度和功能可以帮助您的产品比竞争对手更快地进入市场。根据你们的测试和分析结果，可以对设计、材料、尺寸、形状、装配、颜色、可制造性和强度进行调整。
今天的产品设计团队可以使用许多快速原型制作过程。一些原型工艺使用传统的制造方法来生产原型。其他技术已经出现，并在相对较短的时间内得到了改进。制作原型的方法有几十种。随着原型制作过程的不断发展，产品设计师不断尝试确定哪种过程或技术最适合他们独特的应用。
快速参考原型制作过程比较
| 过程 | 描述 | 强度 | 完成 | 例如材料 | |
|---|---|---|---|---|---|
| SL | 有限元 | Laser-cured光敏聚合物 | 17.2 - 68.9 (mpa) | 加层0.051 - 0.152 (mm)典型 | Thermoplastic-like光敏聚合物 |
| SLS | 选择性激光烧结 | Laser-sintered粉 | 36.5 - 77.9 (mpa) | 加层:102 (mm)典型 | 尼龙、金属 |
| 摘要 | 直接金属激光烧结 | 激光烧结的金属粉末 | 37,700 - 190,000 (psi) | 添加层:0.020 - 0.030 (mm)典型 | 不锈钢，钛，铬，铝，铬镍铁合金 |
| FDM | 熔融沉积模型 | 熔融挤出 | 35.9 - 67.6 (mpa) | 添加层。127 -。330(毫米)典型 | Abs, pc, pc / Abs, ppsu |
| 3 dp | 三维打印 | 液体粘合剂喷墨印刷到粉末上 | 低 | 添加剂层0.089 - 0.203(毫米)典型 | 石膏基粉末/液体粘合剂 |
| PJET | Poly-Jet | 紫外光固化喷射光聚合物 | 7200 - 8750 (psi) (psi) | 添加剂层0.015 - 0.030(毫米)典型 | 丙烯酸基光聚合物，弹性体光聚合物 |
| 数控 | 计算机数控(加工) | 使用数控铣床加工 | 20.7 - 137.9 (mpa) | 减法加工(光滑) | 大多数商品和工程级热塑性塑料和金属 |
| 即时通讯 | 注塑 | 采用铝模具注塑成型 | 21.4 - 137.9 (mpa) | 成型光滑(或带有选定纹理) | 大多数商品和工程级热塑性塑料，金属和液体硅橡胶 |
| SL | 有限元 |
|---|---|
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SL是一种增材制造工艺，使用计算机控制的激光在可紫外光固化的光聚合物树脂池中构建零件。激光用于在液体树脂表面上跟踪和固化零件设计的横截面。然后将固化层降低到液体树脂的表面以下，并重复该过程。每一层新固化的层都附着在下一层。这个过程一直持续到零件完成为止。SL是第一个“快速原型”技术。
优点
对于用于其他原型方法的概念模型或图案，与其他增材工艺相比，SL可以生产具有复杂几何形状和出色表面光洁度的零件。成本非常有竞争力，而且技术可以从几个来源获得 缺点原型部件不如由工程级树脂制成的部件坚固，因此使用SL制成的部件通常不适合进行功能测试。此外，由于树脂是紫外光固化的，暴露在阳光下会继续固化树脂，随着时间的推移，零件会变脆。 |
| SLS | 选择性激光烧结 |
|---|---|
SL是一种增材制造工艺，使用计算机控制的激光在可紫外光固化的光聚合物树脂池中构建零件。激光用于在液体树脂表面上跟踪和固化零件设计的横截面。然后将固化层降低到液体树脂的表面以下，并重复该过程。每一层新固化的层都附着在下一层。这个过程一直持续到零件完成为止。SL是第一个“快速原型”技术。
优点
SLS零件往往比SL零件更精确和耐用。该工艺可以制造出具有复杂几何形状的耐用零件。 缺点零件具有颗粒状或沙质质地，由于其机械性能降低，通常不适合进行功能测试。 |
| 摘要 | 直接金属激光烧结 |
|---|---|
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直接金属激光烧结是一种增材制造技术，可以生产金属原型和生产质量零件。DMLS使用一种激光系统，在雾化金属粉末的表面上作画。它把粉末焊接成固体。在每一层之后，刀片会添加一层新的粉末，并重复这个过程。DMLS可以使用大多数合金，允许原型是由与生产部件相同的材料制成的全强度，功能硬件。如果在设计时考虑到可制造性，如果需要，它也有可能在增加产量时过渡到金属注射成型
优点
DMLS从各种金属中生产出坚固(通常密度为97%)的原型，可用于功能测试。由于组件是逐层构建的，因此可以设计无法铸造或其他机械加工的内部特征和通道。 缺点
如果生产多个DMLS部件，成本就会上升。由于直接金属加工的粉末金属来源，这些零件的表面光洁度略显粗糙。 |
| FDM | 熔融沉积模型 |
|---|---|
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FDM过程通过使用计算机控制的打印头自下而上地构建零件。该工艺的原料是挤压树脂的长丝，机器选择性地将其重新熔化并沉积在所需部件的每个横截面的前一层上。FDM工艺主要生产ABS或PC的零件，因此它们往往比其他增材工艺生产的零件更坚固。然而，这些部件有时是多孔的，并且在外部完成时有明显的阶梯或波纹纹理，特别是在层连接处。在加工过程中也很难达到严格的公差。
优点
FDM部件相对坚固，可以很好地进行一些功能测试。该工艺可以制造出具有复杂几何形状的零件。 缺点零件表面光洁度差，有明显的波纹效应。从构建时间的角度来看，它也是一个比SL或SLS更慢的添加过程。 |
| 3 dp | 三维打印 |
|---|---|
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在3d打印中，喷墨打印头在粉末床上移动，选择性地沉积液体结合材料，并重复该过程，直到形成完整的部件。完成后，除去未结合的粉末，留下成品。
优点
3d打印提供了任何增材工艺中最快的构建时间之一，也是原型数量最便宜的选择之一。彩色模型可以传达更多的信息，并具有审美吸引力。这种石膏材料无毒、便宜、易得。该工艺可以制造出具有复杂几何形状的零件。 缺点零件粗糙而脆弱，材料选择很少。虽然3d打印可以制造具有复杂几何形状的零件，但它无法洞察设计的最终可制造性。 |
| PJET | Poly-Jet |
|---|---|
PJET使用喷墨头在非常薄的层中以高分辨率喷射紫外线固化材料。这些材料被一层一层地喷射到构建托盘上，直到零件完成。每个光聚合物层在喷射后立即用紫外光固化。凝胶状的支撑材料是专门为支撑复杂的几何形状而设计的，可以很容易地通过手工和水喷射去除。
优点
这个过程产生良好的表面光洁度;最好的加法工艺之一。对于有凹痕的复杂零件，它是一个很好的增材选择。该工艺可以支持复杂的几何形状和多种材料和颜色的零件。 缺点PJET零件强度较差(与SL相当)。虽然PJET可以制造具有复杂几何形状的零件，但它无法洞察设计的最终可制造性。 |
| 数控加工 | 计算机数控加工 |
|---|---|
将塑料或金属的固体块夹入数控铣床，并通过减法过程切割成成品。这种方法产生的强度和表面光洁度优于任何添加剂工艺。它还具有塑料的完整、均匀的特性，因为它是由挤出或压缩成型的热塑性树脂的固体块制成的，而不是大多数添加剂工艺，它们使用类似塑料的材料并分层构建。材料选择范围允许部件具有所需的材料特性，例如:拉伸强度，抗冲击性，热偏转温度，耐化学性和生物相容性。良好的公差产生适合配合和功能测试的零件。 原型可以像增材加工一样在几天内交付。因为这个过程是去除材料而不是添加材料，所以铣槽有时会很困难。机械加工也往往比增材加工更昂贵。
优点
机加工零件具有良好的表面光洁度，它们非常坚固，因为它们使用了真正的工程级热塑性塑料和金属。 缺点 CNC加工有一些几何限制，而且由于程序员和机械师需要为零件创建CNC刀具路径和夹具的成本，在内部进行这种加工要比加法加工昂贵得多。 |
| 即时通讯 | 注塑 |
|---|---|
快速注射成型的工作原理是将热塑性树脂注射到模具中，就像生产注射成型一样。使这一过程“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。成型的零件很坚固，可以有很好的表面处理。它也是塑料零件的行业标准生产工艺，因此如果情况允许，在相同的工艺中进行原型制作具有固有的优势。几乎任何工程级树脂都可以使用，因此设计师不受原型制作过程的材料限制。此外，金属注射成型(MIM)和液体硅橡胶(LSR)成型分别提供不锈钢和LSR等金属的快速成型零件。 |
选择流程
通过使用下面所示的工具来确定最适合您项目的流程。
步骤1:
根据你在原型制作过程中所处的阶段，首先使用下面的决策树来缩小对你来说最重要的因素。
步骤2:
基于步骤1中最重要因素的推荐属性，使用矩阵比较过程，以确定哪个过程最适合您的项目。
定义
定义各不相同，不同的组织可能会有所不同，但以下定义可以作为起点。
概念模型-用来演示一个想法的物理模型。概念模型允许来自不同职能领域的人看到这个想法，激发思考和讨论，并推动接受或拒绝。
重要的原型属性:
速度-将电脑文件转换为实物原型所需的周转时间
外观-任何视觉属性:颜色，纹理，大小，形状等。
装配/配合测试—组装一些或所有部件，把它们放在一起，看它们是否合适。在总体水平上，这检查设计错误，例如在2英寸处放置两个标签。间距和配合槽在1英寸。间距。在精细水平上，这是一个微小的尺寸差异和公差问题。显然，任何涉及公差的测试都需要使用实际的制造工艺或具有类似公差的工艺。
重要的原型属性:
形式-零件的形状:特征和尺寸
适合-该部分如何与其他部分匹配
功能测试-看到一个零件或组件在实际应用中所看到的压力下如何工作。
重要的原型属性:
抗化学腐蚀-耐化学物质，包括酸，碱，碳氢化合物，燃料等。
机械性能-零件的强度由抗拉强度、抗压强度、抗折强度、冲击强度、抗撕裂性等测量。
电气性能-电场与零件的相互作用。这可能包括介电常数、介电强度、耗散系数、表面和体积电阻率、静态衰减等。
热性能-随温度变化而发生的机械性能变化。这些可能包括热膨胀系数、热挠曲温度、维卡软化点等。
光学-传输光的能力。可包括折射率、透光率和雾度。
寿命试验-测试可能随时间变化的特性，以及对产品在其预期寿命内保持功能至关重要的特性。寿命测试通常包括将产品置于极端条件下(例如温度、湿度、电压、紫外线等)，以在较短的时间内估计产品在其预期寿命内的反应。
重要的原型属性:
机械性能-疲劳强度:在各种应力水平下承受大量载荷循环的能力。
老化性能(UV，蠕变)-在可接受的降解量下承受紫外线照射的能力;在可接受的永久挠度水平下，能够承受长时间施加在零件上的力。
管理测试-由监管或标准组织或机构指定的测试，以确保部件适合特定用途，如医疗，食品服务或消费者应用。例如美国保险商实验室(UL)、加拿大标准协会(CSA)、美国食品和药物管理局(FDA)、美国联邦通信委员会(FCC)、国际标准组织(ISO)和欧盟委员会(EC)。
重要的原型属性:
可燃性属性-树脂或部件在火焰存在时的耐燃性。
EMI / RFI属性-树脂、零件或组件屏蔽或阻挡电磁干扰或射频干扰的能力。
食品评级-树脂或部件在制备、供应或消费过程中与食品接触的应用中使用的批准。
生物相容性-树脂或部件与人体或动物身体接触的能力，无论是体外还是体内，而不会产生不当的不良反应(如刺激、血液相互作用、毒性等)。生物相容性对于外科器械和许多医疗器械是很重要的。
总结
原型模型通过从原型的性能和对原型的反应中获得宝贵的数据，帮助设计团队做出更明智的决策。在产品开发周期的这个阶段收集的数据越多，就越有可能防止潜在的产品或生产问题。如果遵循一个深思熟虑的原型策略，那么产品将有更大的机会按时推向市场，被接受，可靠地执行并盈利。
制作原型的最佳方法是什么?答案取决于你在这个过程中所处的位置以及你想要完成的目标。在设计过程的早期，当想法自由流动时，概念模型是非常有帮助的。随着设计的进行，具有最终产品的尺寸、光洁度、颜色、形状、强度、耐久性和材料特性的原型变得越来越重要。因此，使用正确的原型制作过程至关重要。为了最有效地验证您的设计，请密切关注设计的这三个关键元素:功能，可制造性和可行性。
如果你的原型能够忠实地呈现出最终产品的属性，那么它就是被定义的功能. 这些要求通常包括材料性能(如耐燃性)、配合部件的尺寸精度以及外观的表面处理。
如果你的原型设计能够以一种支持最终产品需求的方式重复且经济地生产，那么从定义上讲，它就是可制造的. 这些要求包括维持上述设计功能的能力，保持零件成本低于要求的水平，并支持生产计划。无论多么伟大的设计，如果不能被制造出来，它将一事无成。确保你的原型制作过程考虑到这一点。
最后，即使你的原型设计具有功能性和可制造性，也不意味着任何人都会想要使用它。 原型是验证的唯一正确方法生存能力在这个意义上的设计。 如果你的设计也能通过与市场试验相关的挑战(例如，贸易展览展示，可用性测试)和监管测试(例如，FDA对医疗设备的测试)，你就在成功的产品发布之路上走得很好。
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