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在产品的设计/开发生命周期中,原型生成的时间不可避免。传统上,这个过程既耗时又昂贵。

原型加工零件——即使是在数控机床上创建的——具有较低的效益与努力比,因为所有的编程都是为可能只是几个零件完成的(因此有时间因素)。这些零件也不能生产任何规模经济,通常是通过生产操作实现的(成本因素)。

对于准备成型的零件(例如,手机壳),创建原型模具也涉及时间和费用,这些原型模具很可能不够坚固,无法在整个产品生命周期内维持生产。

随着CAD技术(特别是3D模型生成)的发展,开发了一套流程,以大幅减少与传统原型相关的时间和成本。这些过程通常被归类在“快速原型”的保护伞下。

什么是快速原型?

快速原型工艺本质上是3D打印的工艺变体,每一个都有独特的目的和功能。它们确实有一个共同点,那就是它们都是基于使用通过CAD程序生成的3D模型(比如CATIA,SolidWorks,以及西门子NX)。

快速原型的一个核心组成部分是3D打印,它可以简单定义为:“在计算机控制下,将材料连接或凝固以创造三维物体的各种过程(如将液体分子或粉末颗粒熔合在一起)。”

3D打印的基本过程元素涉及到3D CAD模型的后处理,将其分解为层或“片”的集合。然后通过特定工艺所固有的技术生产出这些层,并在彼此之上沉积。最终的3D对象具有原始3D模型的所有物理形式、适合度和功能;将无形的数值数据转化为实际的物理对象是一个快速的过程。

由于所有这些过程都是“从无到有”,并逐步构建物理模型,因此它们被称为加法过程(与传统加工等减法过程相反)。

不同的快速成型工艺可获得不同的预期结果

快速原型机使用几种不同的技术,每一种不同的工艺都将适用于有限范围的材料。因此,每种方法都有其最佳应用。市场上有许多技术;以下是最流行、应用最广泛的几种:

有限元(SLA)

通过使用两个镜子(X和Y坐标)引导激光束通过光聚合树脂浴,SLA在彼此之上构建了连续的物体层。

典型的层厚平均为0.004”,但可以低至0.002”,以实现更精确的精度。(注:这种精度水平在几乎所有3D打印工艺中都很常见;有些打印机甚至可以达到比这更高的分辨率。)高水平的精度使生产细致的模型和复杂的零件设计具有光滑的表面光洁度。成本是可控的,因为它是一个广泛使用的解决方案。

虽然SLA制造的零件在确定形状、贴合和功能方面通常是完美的,但由于所用材料的类型,它们可能不是最耐用的。它们对紫外线和湿度也很敏感。立体平版3D打印服务2022足球世界杯预选赛时间都可以在Cad Crowd找到。2022世界杯直播时间

选择性激光烧结(SLS)

SLS使用脉冲激光穿过一层含有尼龙的粉末。激光在表面绘制出3D模型层的图案,并将材料熔合在一起;然后沉积一层新的粉末(通常是用滚轮),重复这个过程。

通过使用尼龙和工程级热塑性塑料,由SLS产生的部件往往比使用SLA制造的部件更坚固和耐用。然而,表面光洁度可能是个问题,因为该过程容易产生有点“沙质”或“颗粒状”的光洁度,这可能会在重复的功能测试中导致问题。

直接金属激光烧结(DMLS)

采用的工艺摘要与SLS非常相似,都是将激光聚焦在粉床上。激光束的热量使粉末在连续的层中熔合(烧结),直到物体完成。最大的区别在于,DMLS使用的是金属基粉末,而不是尼龙或其他塑料。

激光实际上是在每一层产生的时候融化粉末,所以从结构的角度来看,这些零件几乎可以被认为是和CNC加工产生的金属零件一样坚韧。DMLS打印技术的另一个优势是,它可以用来创造减法加工无法实现的内部细节。

与SLS一样,表面光面可能有点粗糙,所以后加工可能要根据零件的意图来完成。这也不一定是一个快速的过程,如果要打印大量的零件,这可能会导致更高的成本。

熔融沉积建模(FDM)

FDM,一个热塑性树脂灯丝主要沉积在小“串”材料来自挤压喷嘴,横贯在X和Y方向。这些细绳彼此相邻地沉积,并建立连续的层,以创建完成的3D模型。

价格具有竞争力,可以获得相对较高的细节水平,但这些部件可能不如其他技术生成的部件强大。由于琴弦的性质,它们的光洁度也相对较差,而且往往是一个较慢的过程。

Multi Jet Fusion (MJF)

MJF借用了标准喷墨打印机背后的想法,使用喷墨式的喷头在一层尼龙粉末上沉积熔合催化剂。一旦基础部分完成,涉及真空的二次加工就会被用来去除任何未熔合的粉末残渣。然后可以对原型进行喷砂和染色,以实现成品的逼真颜色表现。

MJF是一种快速的工艺,表面光洁度好,细节水平高,但目前仅限于使用尼龙。

值得注意的是,这些只是商业上可用于快速原型设计目的的少数技术。还有一些其他的技术,每一种都有自己的优缺点,它们包括:

  • 弹道粒子制造(BPM)
  • 定向光制造(DLF)
  • 直接壳生产铸造(DSPC)
  • 层压树脂印刷(LRP)

点击这里了解更多关于用于原型的3D打印技术!

快速原型工程对产品设计公司的好处

如前所述,从宏观的角度来看,成本和时间的节省是迁移到快速原型策略最显著的好处。导致这些节约效益的因素有很多:

设计意图验证

在电脑显示器上观看一个完成的设计当然很容易,但大多数设计师会告诉你,有时当原型部件实际制造出来时,事情就是不正确。整个产品可能完全没有达到初衷。有了快速原型,这些类型的产品缺陷可以在设计过程中更早地被识别出来。

提高了设计修订的效率

除了设计意图验证之外,快速原型法也是识别设计本身缺陷或异常的绝佳工具。传统的原型制作过程可能会导致昂贵和耗时的修改。有了快速原型,可以使用CAD软件快速对设计进行修改,修改后的模型可以重新发送到3D打印机进行打印。

降低工具成本

对于最终将使用成型工艺或模具生成的零件(如小钣金冲压件)尤其如此。创建一个新工具(或修改一个现有工具)所涉及的成本和时间可以显著增加总体设计时间框架。在不需要开发那些昂贵工具的情况下,真正实现一个零件或产品的能力是不可忽视的。

设计问题的识别

如果对给定的一组部件采用正确的快速成型工艺,那么就有可能将所有的部件打印并组装成一个完整的功能原型。

对于没有活动部件的产品(如许多基于电气的项目),有机会验证装配精度(例如,在模压外壳内的PC板的安装孔挤压)是一个巨大的好处。带有活动部件的模型也可以进行组装,以识别与产品预期操作有关的任何缺陷,并且可以很容易地实现更改。

限量生产的利用率

通过快速原型技术生产的对象有时可以作为成品使用。对于小型和有限的生产运行来说,这是一个极好的选择,而且各种技术还可以实现一定程度的大规模定制,这是传统上无法以任何可测量的效率提供的。

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