Formlabs 发布《产品开发快速成型指南》

Formlabs发布《产品开发快速成型指南》

Formlabs日前发布了白皮书《产品开发快速成型指南》。

原型制作是产品开发过程中的重要环节，但这通常是产品研发中的一个瓶

颈。

产品设计师和工程师会使用基本工具创建临时的概念验证模型，但生产功能

性原型和产品级部件通常需要与生产最终成品相同的工序。传统的生产工序

（如注射成型）需要成本高昂的工具和配置，即使是生产小体积的定制原型，

成本也非常高昂。

快速成型可帮助公司将创意转化为现实的概念验证，将这些概念演变为高度

保真的原型,在外观和运作上都与最终产品一致,并指导产品通过一系列校验

阶段，从而进行大规模生产。

通过快速成型，设计师和工程师可以比以往更快地直接通过CAD数据创

建原型,并根据实际测诙口反馈快速地反复修改设计。

在本指南中，您将了解快速成型如何适用于产品开发过程及其应用，以及当

今产品开发团队可用的快速成型工具。

什么是快速成型？

快速成型是一组技术，能够使用三维计算机辅助设计(CAD)数据快速制作

物理部件或装配件的比例模型。这些部件或装配件通常使用增材制造技术构

建,而不是传统的消减制造方法，因此，这已成为增材制造和3D打印的代

名词。

增材制造与原型制作是天生一对。增材制造可以提供近乎无限的形状自由

度,无需工具，且可以生产出机械性能与传统制造方法加工各种材料紧密匹配

的部件。3D打印技术始于上世纪80年代，但因其高成本和复杂性，几乎仅

限于大企业使用，较小的公司被迫将生产外包给专门的服务机构,每次后续迭

代都需要等代数周。

设计师可以利用3D打印技术，在数字设计和实体原型之间快速迭代，以

便更快地投入生产。

桌面和台式3D打印技术的出现改变了这一现状,并引发了一股势不可挡

的热潮。通过内部3D打印，工程师和设计师可以在数字设计和实体原型之

间快速迭代。如今，创建原型可在一天之内完成,并根据实际测试分析的结

果对设计、大小、形状或装配件进行多个迭代。最终，快速成型过程能够帮助

企业比其竞争对手更快的把更好的产品推向市场C

快速成型的优势

1、更快地实现和探索概念

快速成型使初始想法上升为低风险的概念探索，这些概念探索能立刻转变为

逼真的产品。它能让设计师超越虚拟的可视化，更容易理解设计的外观和触

感，并对概念进行逐一对比。

2、有效沟通想法

实体模型能让设计师与同事、客户和合作者分享概念和想法，这是无法仅通

过屏幕上的可视化设计实现的。快速成型有助于获得清晰、可操作的用户反

馈,对于创造者了解用户需求进而改进和完善设计至关重要。

3、反复设计并随时整合变更

设计始终是一个迭代过程，需要进行多轮测试、评估和改进才能形成最终产

品。使用3D打印进行快速成型可以更快地创建更逼真的原型，并立即进行更

改,从而完善这一至关重要的试错过程。

利用FormlabsSLA打印机制作原型的机器人具零件的多个连续迭代。

一个完好的模型需要全天候的设计周期：在工作时间进行设计，夜间进行

3D打印原型部件，第二天清洗和测试，调整设计，然后重复以上流程。

4、节省成本和时间

使用3D打印技术,无需昂贵的工具和配置；相同的设备可用于生产不同

的几何形状。内部快速成型消除了外包所需的高成本和周转时间。

5、充分测试，尽量减少设计缺陷

在产品设计和制造中，尽早发现和修复设计缺陷可以帮助公司避免昂贵的设

计修改和工具变更过程。快速成型使工程师能够对外观和性能类似最终产品的

原型进行充分的测试，从而在投入生产前降低可用性和可制造性方面的风险。

快速成型的应用

由于各种可用的技术和材料，快速成型技术能在整个产品开发过程（从最初

的概念模型到工程、验证测试?口生产）中为设计师和工程师提供支持。

硬件开发过程。来源:BenEinstein,Bolt

1、概念验证(POC)原型和概念模型

概念模型或概念验证("ProofofConcept",POC)原型能够帮助产品设计

师验证想法和假设，并测试产品的可行性。实体的概念模型可以向涉众演示观

点，发起讨论，并使用低风险的概念探索推动对模型的接受与否。

PoC原型制造工作开始于整个产品开发过程中的最早阶段，这些原型中应

涵盖验证各种假设所需的最低限度的功能；验证过后，产品方可进入后续的开

发阶段。

概念验证应尽量简单，足以模拟产品的使用方式即可。例如，一个充电器的

POC可能只是将一个3D打印的外壳连接到标准USB充电电缆上而已。

成功的概念模型关键在于速度；在构建和评估实体模型之前，设计师需要产

生大量的想法。在这一阶段,可用性和质量没有那么重要，团队会尽可能依赖

现成的部件。

瑞士设计咨询工作室Panter&Tourron的设计师利用SLA3D打印技

术，在两周内将概念转变为展示作品。

3D打印机则是支持概念建模的理想工具。3D打印机提供了无与伦比的周

转时间，将计算机文件转换为实体原型，使设计师可以快速测试更多的概念。

与大多数车间和制造工具相比，桌面级3D打印机是办公室友好型的,不需要

专门的空间。

2、外观性原型

外观性原型可以在抽象层次上代表最终产品，但与成品相比可能会缺少许多

功能。此类原型的用途是帮助设计师更好地了解最终产品的外观以及最终用户

与之交互的方式。在设计与工程人员花费大量时间来全面打造产品的各项功能

与特性之前,可以使用外观性原型来验证产品的人体工程学特征、用户界面以

及整体用户体验。

外观性原型的开发工作通常要先从草图、泡沫或粘土模型开始，然后再进入

CAD建模阶段。随着设计周期从一个迭代推进到下一个迭代，原型制造工作

需要在数字渲染与实体模型之间反复切换。当设计方案最终敲定后，工业设计

团队的目标就将是利用他们为最终产品指定的实际颜色、材料和表面处理

(CMF),制造出与最终产品相似度极高的外观性原型。

Form2SLA3D打印机的外观性原型，具有不同的树脂盒放置解决方案。

3、功能性原型

在进行工业设计的同时，工程团队也会着手制作另一组原型，用于测试、迭

代和改进产品中的机械、电气W热力系统。此类功能性原型的外观可能会与最

终产品有所不同，但其中却包含了开发和测试工作所涉及的各项核心技术和功

能。

通常而言，在集成到同一个产品原型当中之前，这些关键核心功能的开发和

测试工作都将分别在单独的子单元中完成。这种子系统式的工作方法能够有效

分离各个变量，使不同的团队更容易区分各自的职责，并能够在将产品的所有

元素融为一体之前从更微观的层面上确保所有元素的可靠性。

Form3L大幅面SLA3D打印机的早期功能性原型。

4、工程原型

工程原型的制造过程充满了设计理念与工程原理的碰撞，其目的是打造出最

终商品的最小可行版本，即所谓的可制造性设计（DFM）。此类原型可供选定

的先导型用户群体执行基于实验室的用户测试,以便在后续阶段将生产意图传

达给模具专家；并可在第一次销售会议中充当演示工具。

在这一阶段，细节变得越发重要。3D打印技术使工程师能够创建高度保真

的原型，准确地展现最终成品。这使得在投资昂贵的工具并投入生产之前能够

更容易地验证设计、拟合度、功能和可制造性，而此时进行更改的时间成本和

费用成本也越来越高。

潜水相机制造商Paralenz利用3D打印技术创造了功能性原型机，经受

住了海平面以下200多米的测试。

先进的3D打印材料可以与传统制造工艺（如注射成型）所生产部件的外

观、手感和材料特性紧密匹配。各种材料可以模拟细节纹理丰富的部件,含有

包含触感柔软、光滑且低摩擦的表面、刚性坚固的外壳或透明的组件。3D打

印部件可以通过打磨、抛光、涂色、或电镀等进行二次加工，以复制最终部件

的所有视觉属性，也可以通过螺纹连接创建具有多种部件和材料的装配。

Wohler的工程师用多种材料制造了一个具有湿度计外观和功能的原型，带

有刚性外壳和触感柔软的按钮。

工程原型需要进行广泛的功能和可用行性测试，以了解部件或装配件在受到

应力和现场使用条件的影响时的运转情况。3D打印则能够为打造可承受热应

力、化学应力和机械应力的高性能原型提供工程塑料。

5、验证测试与制造

通过快速成型，工程师可以创建小批量生产，定制一次性解决方案，以及用

于工程、设计和产品验证测试（EVT、DVT和PVT）构建的子组件，以测试

可制造性。

在考虑实际制造过程时，3D打印更易于测试工差，并在进入批量生产之前

进行全面的内部和现场测试。

3D打印快速制模技术还可与注射成型、热成型或硅胶成型等传统制造工艺

相结合,并通过提高这些工艺的灵活性、敏捷性、可扩展性和成本效益来改进

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。

有了3D打印，设计不必止步于生产开始时。快速成型使设计师和工程师

可以不断改进产品，通过夹具和固定装置快速有效地解决生产线上的问题，以

强化装配或QA过程。

快速成型工具和方法

1、增材制造

如今快速成型基本已成为了增材制造和3D打印的代名词。可供选择的

3D打印工艺有许多种,其中最常用于快速成型的工艺有熔融沉积成型

(FDM)、立体光固化(SLA)和选择性激光烧结(SLS)0

熔融沉积成型(FDM)

FDM3D打印又称熔丝制造(FFF),是一种3D打印方法；该方法通过熔

化和挤出热塑性长丝使部件成型，打印机喷嘴会将热塑性长丝逐层沉积在成型

区域。

FDM是消费者群体中使用最广泛的3D打印形式，业余级3D打印机的

出现加速了该技术的发展进程。不仅如此，专业FDM打印机同样很受设计师

和工程师们的欢迎。

与其他塑料3D打印工艺相比，FDM的分辨率和精度都要更低，因此并

非打印复杂设计或具有精细特征的部件的最佳选择。通过化学和机械抛光工艺

可提高表面处理质量。一些专业级FDM3D打印机能够使用可溶性支撑来缓

解其中的部分问题。

FDM可使用一系列标准的热塑性塑料（如ABS、PLA及其各种混合材

料），而较为先进的FDM打印机还可以使用品类更为广泛的工程热塑性塑料

甚至复合材料。在快速成型方面，FDM打印机特别适合生产简单的部件，比

如通常可以加工的部件。

立体光固化（SLA）

SLA3D打印机使用激光将液态树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚

合。由于具备高分辨率、高精度和材料用途广泛等特点，SLA已经成为了专业

人士眼中最受欢迎的工艺之一。

SLA部件具备所有塑料3D打印技术中最高的分辨率和精度、最清晰的细

节以及最高的表面光洁度，这使得SLA成为了制作公差要求严格的高保真外

观性原型和功能性原型时的绝佳选择。

然而，SLA的主要优势在于其树脂库广泛的应用范围。材料制造商创造了

创新的SLA树脂配方，具有广泛的光学、机械和热性能，以匹配标准、工程

和工业热塑性塑料。

DraftResin的出现使SLA3D打印机成为了速度最快的原型制造工具之

-,其最快打印速度要比FDM3D打印快10倍。

选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结是工业应用中最为常用的增材制造技术，因其能够生产坚固

的功能性部件而受到不同行业工程师和制造商的信赖。

SLS3D打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔合的粉末

在打印过程中支撑部件，不再需要专门的支撑结构。这使得SLS成为构造内

部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状的理想选择。使用SLS打印

技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注塑成型部件。

用户可利用SLS3D打印制造出坚固的功能性原型和工程原型，并将其用

于严格的产品功能性测试。

在快速成型方面，SLS3D打印主要用于制造严格的产品（例如管道系统、

支架）功能性测试以及现场客户反馈所需的功能性原型和工程原型。

2、CNC工具

不同于FDM、SLA或SLS,计算机数控（CNC）工具适用于减材制造流

程。此类流程以塑料、金属或其他材料的实心块、棒或杆作为原材料，通过

切、链、钻、磨等方式去除多余材料实现成形。

CNC工具采用CNC加工技术，可通过旋转刀具搭配固定部件（铳削）或

旋转部件搭配固定刀具（车床）的方式来去除材料。激光切割机可使用激光对

多种材料进行高精度的雕刻或切割作业。超高压水切割机可以使用混有磨料的

高压水来切割几乎任何材料。可为CNC铳床和车床配备多个轴，以便能够根

据更为复杂的设计方案来执行加工任务。激光切割福口超高压水切割机比较适

合加工扁平部件。

CNC工具可以加工塑料、软金属、硬金属（工业机器）、木材、亚克力、

石材、玻璃、复合材料等材质的部件。与增材制造工具相比，CNC工具的设

置和操作过程更为复杂，而且某些材料和设计方案可能需要用到特殊的工具、

处理、定位和加工方式，因此与增材工艺相比，此类工具的一次性部件生产成

本要更局。

在快速成型方面，此类工具对于设计简单的结构部件、金属组件以及其他无

法使用增材工具进行经济型生产的部件而言堪称理想的选择。

快速成型工具对比

烟融沉积成型（FDM）立体光明化（SLA）透攥住激光烧结（SLS）CNC工具

分辨率♦•000

港确度

表面光活度••ooo♦••♦O

。。

使用方便性•••

♦♦♦。。

设计复杂度••eoo

取决于工具

成型尺寸殿高300x300x600mmflSS300x335x200nur.最高165x165x300mm

（桌面和台式3D打印机）（桌面和台式3。打印机）（台式工业3D打印机）

小型CNC加工机的

价格范围经济性打印机和3D打印专业京面级H卬机否价台式工业系统售价

起价约为2000美

机套件包价几百美元起.3500美元起，大型台式18500美元起，

元,但专业级工具的

亥屋更起的树泉面吸印机代价11000美元传统工IkH印机图介

价格远不止于此。基

打印机售价约2000美元起，大型工业打出机售价100000美元起.

此款媾刻机的价格仅

起，工业系统售价80000新起.

为不到500美元，而

15000美元起.

中档融切

价约为3S00美元

超高压水切割机的管

价为20000美元起.

里科、软金属、理金

材料标准的热理性塑料，各种捌脂（热国性型料）.工程泅型性型图，通常

属皿机器｝、