快速原型制作案例研究 | JS Precision

快速原型制作是产品设计与市场之间的重要桥梁。在产品开发过程中，您的原型不仅代表了您想法的首次实体化，也是您与市场竞争的第一棒。

当设计迭代迫在眉睫、预算紧张、性能要求近乎苛刻时，如何才能在复杂的快速原型制作流程中找到最佳路径？

本案例研究探讨了 JS Precision 的四个真实战场，说明了我们如何利用 CNC 快速原型制作的精度、3D 打印原型制作的自由度、快速注塑成型原型制作的经济性以及金属 3D 打印的性能创新，为我们的客户提供决定性的竞争优势。

关键答案概要

为何信赖本指南？JS Precision 快速原型开发实践案例分析

为什么要相信本指南？因为它不仅仅是理论探讨，而是对 JS Precision 公司数千个实际项目经验的总结。

我和我的团队已经为世界各地 500 多家客户提供快速原型制作服务超过 8 年，客户涵盖四大主要行业：汽车、医疗、电子和航空航天。

我们的快速原型制造工艺，尤其是在增材制造方面，遵循美国材料与试验协会（ASTM International）旗下ASTM F42委员会制定的增材制造技术标准。这一系列标准是全球3D打印技术和材料认证的基石。

我们利用CNC快速成型技术，在45小时内为一家汽车零部件供应商交付了一款能够进行高速负载测试的金属齿轮箱，为其节省了数百万美元的模具损失。此外，我们还利用3D打印技术为一家医疗器械公司制作了散热器原型，使其热效率提高了200% 。

此外，我们还比较了快速注塑成型原型制作与快速钣金原型制作的成本，为一家消费电子产品客户制作了 500 个外壳，结果为他们节省了 30%的费用。

本指南总结了这些项目中的经验教训和不足之处。无论您是需要紧急交付原型，还是在流程选择方面遇到困难，本指南都能为您提供切实可行的帮助。

如果您是快速原型制作的新手，并希望避免常见陷阱，请索取《实用项目陷阱规避手册》。如果您已有具体需求，请提交您的项目信息，我们将为您提供一对一的流程指导，帮助您避免不必要的弯路。

选择快速原型制作服务的 5 个关键因素是什么？

在了解了本指南的可靠性之后，核心问题是：如何在选择快速原型服务时避免浪费？盲目选择流程会浪费时间和金钱，请关注以下三个核心因素。

项目目标首先：需要验证什么？

正确定义原型用途是选择工艺的基础：

• 概念验证：如果只需要视觉演示，可以使用 3D 打印（快速且成本低廉）。
• 功能测试：如果需要承重、耐温或密封性能，则应采用数控加工或金属 3D 打印来获得真实的材料性能。
• 小批量试生产：如果需要与批量生产的零件保持一致，可以选择快速注塑成型，以实现批量生产级的外观和性能。

材料特性：不仅包括外观，还包括内部因素

材料特性会影响制造工艺的选择。对于耐高温（>200°C）的PEEK/金属材料，应采用CNC加工；为了保证生物相容性，应选择特殊材料并采用无菌工艺，以避免因性能不佳而导致的返工。

经济性和时间安排：平衡成本和速度

应注意“单位成本+初始安装费+交货时间”的平衡情况。下表为简要参考：

少于10件：3D打印——无需高额设置费。超过500件：快速注塑成型——总成本更低。紧急项目：必须考虑3D打印/CNC加工。

如果您已有项目产出和时间要求，可以提交“成本计算表”，我们将在1小时内提供快速原型制作的详细成本明细。如果您不确定如何才能获得最佳效果，我们的工程师可以根据您的目标提出最优方案。

揭秘快速原型制作应用：材料和性能边界

在解释了选择因素之后，接下来将讨论快速原型制作的应用：每种快速原型制作应用都肯定存在局限性，应该了解它们的优点和缺点。

3D打印在原型制作中的应用：超越塑料饰品

• 优点：复杂的设计，如整体式滑轨，交付速度快，适合紧急原型制作。
• 缺点：机械性能一般较低，表面精度较低，不适用于高负载零件。

CNC快速成型：精度和强度的标杆

• 优点：精度高±0.01mm，强度高，各向同性，材料选择范围广，适用于高要求测试零件。
• 缺点：对于复杂零件，加工时间长，材料浪费大，无法加工内直角。

小众市场参与者：快速注塑成型和钣金

• 快速注塑成型：可提供大规模生产性能，但由于模具成本高，对于少于 10 件的产量而言，经济效益不高。
• 钣金加工：适用于底盘/机身，不适用于复杂的3D零件。

实际案例 1：48 小时齿轮箱——CNC 加工与快速模具在高强度验证中的比较

理论部分已经讲解完毕，让我们来看第一个实际案例：去年一家汽车变速器公司的一个紧急项目，该项目凸显了数控快速原型制作的优势。

客户的困境

客户新设计的金属齿轮箱需要在48小时内进行高速负载测试，否则批量生产的模具将被报废，造成数百万美元的损失。可选工艺：

• 方案A：快速开模。7天交货期不符合要求。
• 方案B：CNC快速成型，也是唯一能在48小时内交付的解决方案。但是，客户对精度和强度有所顾虑。

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收到需求后，我和我的团队立即启动了紧急的数控快速原型制作流程。

• 首先，我们选择6061 铝合金坯料，因为它们的强度和抗冲击性可以满足齿轮箱的负载要求。
• 然后，我们使用五轴数控加工中心一次性完成所有复杂齿形和结构的加工——这样就避免了多次装夹造成的精度误差。
• 同时，我们安排工程师进行24 小时监控，以确保整个加工过程没有任何问题。

我们的最终结果

45小时内交付了功能齐全的原型机。客户测试期间发现了齿轮干涉问题，如果当时解决这些问题，可能会造成重大损失。虽然单价为2000美元——远高于500美元的快速原型制作成本——但我们在批量生产前成功拿下了一份小批量原型订单。

图 1 CNC 加工铝制齿轮箱的快速原型制作

实际案例二：复杂的进气歧管——3D打印何时超越数控加工

第二个案例研究：进气歧管项目，展示了使用3D 打印技术对复杂结构零件进行原型制作所带来的好处。

客户需求

一家新成立的能源汽车公司需要一个功能齐全的进气歧管原型，该原型具有复杂的内部流道，需要进行优化以提高发动机效率。核心要求：无缝的内部流道，0.8MPa压力测试无漏气。

处理争议

客户最初选择的加工方式是数控加工。然而，由于需要拆卸和组装三个零件，两处接缝容易泄漏，且流道形状难以优化，因此加工过程存在一定难度。

与此相反，用于原型制作的 3D 打印采用集成制造，可以制造出光滑、无缝的内部流道，从而复制出最佳流道。

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最后，在与客户讨论后，决定采用 SLS 尼龙材料进行打印，该材料具有足够的强度和耐温性，能够满足发动机的工作环境（最高耐温 120°C）。

在打印过程中，我们还优化了激光参数，以确保内部流道表面粗糙度控制在Ra1.6μm以下，从而避免影响气流。打印完成后，我们还对表面进行了喷砂处理，以改善外观和质感。

我们的成功

该原型机通过了高达 0.8 兆帕的气压测试，提高了发动机效率 15%，同时利用一体化结构实现了轻量化，减轻了 30% 的重量。

客户重视 3D 打印在原型制作方面的颠覆性价值，并打算在未来需要复杂结构原型时，优先考虑我们的快速原型制作服务。

图2 尼龙汽车进气歧管

实际案例3：500件外壳——快速注塑成型与快速钣金成型的成本对比

第三个案例研究是关于 500 个外壳的成本，供那些在制造过程中遇到问题的客户参考。

客户目标

客户来自消费电子领域，需要500个定制外壳用于市场推广/早期测试。核心要求包括成本控制、外壳光滑平整以及与内部组件的兼容性。

成本分析

• 快速钣金原型制作：无需模具费用，每件 30 美元，500 件总价 15,000 美元（焊接缝需要打磨，会增加交货时间）。
• 快速注塑成型原型制作：铝制模具 8,000 美元，每件 10 美元，外观无缝平整，精度高，500 件总价为 13,000 美元。

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基于此成本核算模型和两种工艺的样品，我们向客户解释说，虽然快速注塑成型有初始模具成本，但对于 500 件的数量，总成本已经比钣金加工低 2000 美元，而且外观和一致性更好，更适合市场推广。

我们还承诺，如果以后需要增加产量，这个模具仍然可以继续使用，无需额外支付模具费用。

结果

客户选择了快速注塑模具，10天内便生产出500个外壳，并成功投入市场推广使用。后续模具生产共生产了1000个预生产零件，由于快速原型制作成本效益极高，进一步降低了总成本。

如果您需要50-1000件小批量外壳/配件，请提供数量和外观要求，我们将免费提供钣金、注塑和3D打印的总成本对比。确定工艺后，我们将提供样品生产周期和优惠报价。

图 3 快速原型工具选项在小批量生产中成本较低，但就大规模生产而言，注塑成型可以提供无与伦比的单件成本。

实际案例 4：散热器性能提升 200%——金属 3D 打印与传统制造工艺对比

第四个案例：散热器性能的突破，证明了 3D 打印金属在高端快速原型制作应用中的价值。

客户的技术问题

医疗器械公司需要非常强大的激光设备散热器，需要释放大量的热量，否则会影响设备的使用寿命。

传统工艺的局限性：机械加工只能提供直通道，散热面积小；钣金焊接有接缝，容易泄漏或流动不畅；其散热效率仅为 20W/(m・K)，无法满足要求。

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根据分析结果，我们建议采用金属3D打印技术——选择性激光熔化（SLM）。首先，我们选择导热性能优异、适合用于散热器的AlSi10Mg铝合金。

然后，在此基础上，在为客户优化流道设计时，创建了一种带有保形流道的热交换器，该流道紧密贴合发热部件，并包含许多内部凸起，大大增加了散热面积。

最后，采用 SLM 技术一步打印整个散热器，得到光滑无缝的流道。

我们的最终结果

采用3D打印技术制造的金属散热器散热效率高达60W/(m·K)，比传统工艺制造的散热器提升了200%以上，完全满足了客户需求。随后，客户将此设计应用于批量生产的产品中，充分展现了先进技术带来的性能突破价值。

图 4 3D 打印铝制散热器

时间至关重要：我们的快速原型制作服务如何拯救了产品发布

由于时间紧迫，许多客户联系我们，讨论 JS Precision 如何在处理紧急项目时应用快速原型制作服务，从而挽救产品发布。

我们的“红线”协议：无缝应急流程

我们独有的“红线协议”：订单在1小时内审核完毕，设备在2小时内安排就绪，加工过程中每8小时更新一次进度，成品优先进行质量检验和物流安排。正因如此，一个48小时的变速箱案例得以提前交付。

透明沟通：您始终可以了解项目进度

为避免紧急项目出现信息断层：项目启动后成立专门小组，负责更新项目细节，小组成员包括生产和物流相关工程师，每4-8小时更新一次项目进度。如有任何问题，我们会直接提供2-3个解决方案，让您在整个过程中安心无忧。

预见性问题解决：经验丰富的工程师为您提供协助

因此，可制造性设计涉及对生产前设计流程进行DFM 分析，以预测可能存在的设计缺陷，例如壁厚不足或难以加工的内部孔，并提出修改建议，包括调整关键参数，以避免在生产返工上浪费时间。

如需在 24-72 小时内紧急制作原型，我们将开通紧急热线，以便立即响应。对于需要提前准备的紧急项目，请提交“预登记申请表”，以便我们优先安排您所需的设备。

最大化您的投资回报率：JS Precision 如何优化您的快速原型制作成本

除了时间，成本也是客户的重要考量因素之一。大多数客户认为快速原型制作成本高昂，但只要方法得当，成本就能得到显著优化。JS Precision 在这方面拥有丰富的经验，能够帮助您最大限度地提高投资回报率。

技术无关的建议：我们为您推荐最具成本效益的解决方案。

许多公司拥有用于其推荐工艺的特定设备，但我们没有。我们提供多种工艺，并且我们的建议完全基于您的需求：

• 当您需要10 个原型时，我们建议使用 3D 打印，因为无需模具成本。
• 对于500个原型，建议采用快速注塑成型，因为总体成本更低。

这意味着我们不会仅仅因为您的数控设备闲置就建议您对不合适的零件进行数控加工。相反，我们会帮助您选择最具成本效益的加工方案。

可制造性设计 (DFM) 分析：免费成本节约服务

我们提供免费的DFM分析，从设计阶段开始帮助您降低成本。

• 例如，如果某个部件的壁太厚，我们会建议将其减薄，以节省材料，从而节省成本。
• 如果图形包含复杂的曲面，我们建议简化曲面，以减少加工时间和人力。

通过使用我们的 DFM 分析，许多客户将快速原型制作成本降低了 20%-30%。

智能采购与物流：节省隐性成本的利器

我们拥有成熟的供应链和物流系统，可以帮助您节省隐性成本：

• 在材料方面，我们与多家国际材料供应商合作以降低价格，然后将这些优惠转让给您。
• 在物流方面，我们拥有优化的物流合作伙伴，能够为项目提供快速、廉价的运输服务，对于紧急项目可享受空运折扣，对于大宗项目可享受海运折扣。

这些不易察觉的成本节约反过来又会帮助你进一步降低总支出。

从设计阶段开始节省成本：发送您的图纸即可获得免费的 DFM 分析报告；对于长期批量需求，您可以填写“合作意向表”以定制分级定价，这将帮助您进一步降低快速原型制作成本。

常见问题解答

问题1：3D打印、CNC加工和快速注塑成型的主要区别是什么？

复杂的几何形状和高速打印技术使3D打印成为紧急复杂结构原型制作的理想选择。CNC加工的优势在于材料性能和精度，因此适用于高负载测试。而快速注塑成型技术则可以在小批量生产中实现最低的单位成本和高质量的生产。

Q2：我的原型需要耐高温（>200°C）。哪种工艺比较合适？

最佳方案是对PEEK等耐高温工程塑料进行CNC加工，或者采用金属3D打印/CNC金属加工。这样可以满足普通3D打印树脂和塑料无法达到的耐高温要求。

Q3：为什么选择你们而不是当地的快速原型制作服务提供商？

JS Precision 提供一站式多流程解决方案、专业的 DFM 分析和全球物流支持，以确保您获得最佳的技术匹配和成本效益，而不受单一流程的限制。

Q4：如何进一步降低快速原型制作成本？

通过优化设计以减少材料用量和加工时间，在适当情况下放宽非关键零件的公差要求，以及选择与生产规模相适应的工艺，可以最大限度地降低快速原型制作的成本。

Q5：从下单到收到原型需要多长时间？

对于一些简单的紧急订单，例如小型塑料零件，我们可以在24-48 小时内发货。例如，我们曾经在 48 小时内交付过一个变速箱。

Q6：你们提供喷漆或喷砂等后期处理服务吗？

是的，我们提供全面的后处理服务，包括喷砂、阳极氧化、喷涂、丝网印刷等，以满足您对原型外观的各种要求，并使其更适合实际使用。

Q7：下列哪种工艺能为非常小的原型（例如微型齿轮）提供最精确的精度？

在材料允许的情况下，高精度SLA 3D打印或微米级CNC加工是最佳选择。SLA适用于塑料微型齿轮，微米级CNC适用于金属微型齿轮。

Q8：我还不知道该选择哪个流程，我该怎么办？

请提供您的3D 文件和要求（应用、生产数量、时间等），我们的专业团队将提供详细的解决方案，包括工艺对比和报价，以帮助您做出最终决定。

概括

在创新竞赛中，速度和精准度是决定性因素。JS Precision开展的四个案例研究生动地展示了如何通过选择合适的流程，不仅节省成本和时间，还能实现性能突破。

无论是紧急交付、成本控制还是复杂的设计，如果您目前有快速原型制作项目，请随时联系我们：凭借我们 8 年的实践经验，我们将帮助您选择合适的流程并制作高质量的原型，从而节省您项目的时间和精力。

不要让流程选择成为您创新的瓶颈。立即行动！

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