快速原型制作的类型：正确选择的成本效益指南

快速原型是解决产品开发所带来的紧迫问题的主要解决方案。

在确定了智能手环的ID之后，或者在完成了医疗设备的结构模型之后，在投入数十万美元的模具加工之前，您是否担心装配间隙或应力集中的隐藏问题？如何在关键决策点快速且经济地检查设计的有效性？

它更多的是关于“快速模型构建”，也是一种风险管理和创新的解决方案，是网络空间设计与物理产品开发之间的集成。

本文分析了快速原型制作的主流类型，阐明了快速原型制作流程，提供了具有成本效益的决策指南，为您选择功能快速原型零件或高精度原型数控加工服务提供了明确的指导。

图1 3D打印原型的工作流程

核心答案摘要

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关键要点：

1.快速原型是一种验证手段，而不是最终产品。快速原型的真正价值实际上在于快速失败，但学习成本低廉，并避免以后的巨大成本。

2.没有最好的技术，只有最合适的技术：用于高细节演示的 SLA、用于功能测试的 SLS、用于高精度、高材料原型制作的 CNC。

3.材料选择关系到原型的有效性，而最终产品的特性（例如 100°C 以上的耐温性和抗冲击性）对于功能测试至关重要。

4.专业服务提供商（例如 JS Precision）提供的服务活动可能会以较低的总体成本提供更多的技术选择和工程支持。

为什么本指南值得信赖？来自JS Precision的经验

这是一个可靠的资源，因为 JS Precision 在快速原型制作方面拥有 15 年的宝贵经验。由于 JS Precision 是一家通过 ISO 9001:2015 认证的公司，因此他们在全球拥有超过 500 家关键工业客户，并已供应超过 100,000 件快速原型组件，回购率为 78%。

我们拥有20多台精密机器，涵盖不同场景，从0.1mm精细的外观模型到精度±0.025mm的金属模型，通过我们从生物相容性医疗模型以及耐温高达150°C的汽车模型中收集的大量数据。

例如，我们能够在两周内为一家欧洲汽车制造商提供10个公差为±0.05mm的高耐齿轮快速原型，使用原型CNC加工加工铝合金7075。经过1000小时的连续运行测试，我们帮助他们提前3个月完成了验证。

凭借对快速原型制作流程的深入了解、在使用各种快速原型材料方面的丰富专业知识以及对各类快速原型技术的灵活集成，我们可以为客户提供从设计优化到原型交付的全方位服务解决方案。

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如果您正在寻找可靠的合作伙伴，请联系JS Precision的技术顾问，获取针对您的项目量身定制的免费快速原型解决方案评估，让他们的专业经验为您的项目保驾护航。

什么是快速原型设计？为什么它是现代产品开发的关键？

在当前的产品开发时期，快速原型设计已经从“可选”类别转变为“必需”类别。了解快速原型设计的定义有助于其更好的应用。

快速原型设计的定义

快速原型是使用自动化机械基于数字数据（例如 3D CAD 模型）快速生产物理原型。 它的核心是快速迭代 - 快速创建物理事物，从反馈中学习，并迭代以进行改进。

快速原型模型往往比手工模型更精确、更一致、更能处理复杂的结构。作为快速原型制作的核心，它有助于设计团队将想法快速转化为物理对象，从而弥合物理设计和虚拟设计之间存在的差距。

快速原型设计的四个关键商业价值

• 更快的上市时间：将原型制作时间从几周缩短到几天，并使产品的发布能够提前 3-6 个月完成。
• 降低开发风险：在模具生产之前识别问题的技术可以节省数万美元的修改成本，从而减少 60% 以上模具的修改。
• 提高沟通效率：创建的模型比图纸更容易理解。
• 支持众筹测试：低成本、高保真原型可以测试市场反应，从而降低业务风险。

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快速原型制作的主流类型是什么？您应该如何进行初步选择？

有许多不同的快速原型技术，人们必须选择正确的类型以确保项目的成功。下面对主流快速原型制作类型的原理、特点和适用场景进行分析，帮助您快速找到合适的解决方案。

树脂精度：立体聚合物层压 (SLA)

SLA采用紫外激光将感光树脂逐层固化。精度可达±0.1mm，表面粗糙度Ra 0.8-1.6μm。它具有非常出色的细节显示，适合用于验证外观和医学模型。

单件手机零部件的成本在150美元到300美元之间，1-10件批量的性价比最高。

无支持功能：选择性激光烧结 (SLS)

SLS是指尼龙粉末通过激光烧结而成，无需支撑。精度±0.3mm，表面Ra3.2-6.3μm。机械性能与注塑件非常相似，因此SLS适用于功能测试和具有复杂内腔结构的零件。

对于手机大小的零件，成本在200-400美元之间，如果需要1-50件的批量，则具有巨大的效率优势。

桌面主流：熔融沉积建模 (FDM)

熔融沉积成型（FDM）是一种使用热塑性长丝并通过挤出长丝生产复合材料的工艺。 FDM提供成本最低、材料多样，分辨率为±0.2-0.5mm，表面Ra为6.3-12.5μm，适合PoC和廉价的内部审查。

手机大小的物体的成本为50-150美元，是一种非常常见的自建3D打印形式。

小批量生产的强大工具：真空铸造

真空铸造使用 SLA/CNC 母模对聚氨酯进行真空铸造，以复制软塑料、透明组件等，表面光洁度为 Ra = 1.6-3.2μm，接近生产质量。此方法适用于出于美观或功能目的而小批量复制 10-50 个组件。一套模具的成本为 500-1500 美元。

核心问题	要点	对您有价值
技术展望	主要分为两类：增材制造（3D打印）和减材制造（CNC）。 SLA精度为±0.1mm，SLS为±0.3mm，CNC可以达到±0.025mm。材质涵盖树脂、尼龙、金属等	了解技术的局限性，避免为错误的技术路径付出代价。
决策核心	决策涉及五个因素：预算、时间、数量、材料性能需求（耐温、耐冲击）和精度公差。	科学的决策方法包含短期原型制作费用和长期项目风险因素。
外包优势	专业的快速原型制作服务供应商拥有技术集成能力、设备支持和工程专业知识，与内部开发相比，总体拥有成本降低30%至50%。	降低进入成本壁垒，获得灵活且经济的专业知识，并加快项目开发。

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图2 SLA是一种快速原型制作技术，属于3D打印领域。它使用光敏树脂制造零件，并通过紫外光束固化树脂。

如何规划高效可靠的快速原型制作流程？

科学的快速原型制作流程，确保事半功倍，不浪费任何时间和成本。 下面列出了从数字文件到验证反馈的整个流程，包括数字集成的关键组成部分。

五步闭环流程 - 从数字文件到验证反馈的标准流程

快速原型制作流程五步闭环：

• 3D 数据准备和优化：必须提供准备好的 STP/IGES 或 STL 文件。 JS Precision 对设计结构进行数据分析以进行 DFM 优化。
• 技术和流程选择：根据标准选择技术，例如 SLA、SLS、CNC 等。
• 原型后处理：全面打磨、喷漆等。
• 质量控制：卡尺、坐标测量机等可用于检查重要尺寸。
• 测试和迭代：获取反馈以优化模型，并开始新的流程迭代。

数字集成：使快速原型制作流程更加精确和高效

将快速原型制作与 CAD 和 CAE 工具链集成可以提高效率。 CAE模拟可以预先分析应力、流场等，从而可以及早识别和优化薄弱点，减少迭代次数。

例如，一些电子设备的原型散热器外壳，通过CAE仿真，发现散热孔布局不合理。优化减少了两次迭代，节省了 10 天的时间和 30% 的成本。 JS Precision 提供 CAD 优化和 CAE 仿真支持。

图3三座标测量机检查汽车发动机零件尺寸。

快速原型材料如何影响原型的成功或失败？您应该如何选择？

快速原型材料的选择直接决定原型验证是否有效，选择不当可能导致测试失真。下面分析一下主流材料的特点和选择逻辑。

光敏树脂：从通用级到工程级

SLA用感光树脂有四种类型：

• 通用树脂，成本在 80 至 150 美元/升之间，适合外观验证。
• 高韧性树脂价格从 180 美元到 250 美元/升，适用于承重结构件。
• 耐高温树脂，250至350美元/L，80至120°C，适合高温测试。
• 生物相容性树脂，价格从$350到$500/L，符合ISO10993-1标准，适用于医疗部件。

核心选择：根据测试场景确定性能优先级，然后选择通用树脂进行外观检查或功能测试高韧性或耐高温树脂。

工程塑料和金属：功能测试的基石

功能测试的核心材料是工程塑料和金属，例如：

• SLS尼龙（PA12/PA11，150-200美元/公斤，高强度，耐疲劳）。
• FDM材料（ABS耐温70-90°C，PETG高韧性）。
• 金属材料（铝合金6061/不锈钢316等，采用SLM或原型CNC加工，机械性能符合量产）。

商业考虑因素：平衡性能和预算

快速原型材料占成本20%-50%，需要性能和预算之间的平衡：可以选择低成本材料进行外观审查，但必须使用性能匹配的材料进行功能测试，否则测试结果会失真。

快速原型制作的类型	准确度范围	表面粗糙度	单位成本（手机尺寸）	适用的批量大小	核心优势
SLA（光聚合）	±0.1mm	0.8-1.6μm	150-300 美元	1-10 件	细节丰富，表面光滑
SLS（烧结激光）	±0.3mm	3.2-6.3μm	200-400 美元	1-50 件	功能出色，无需支持
FDM（熔融沉积成型）	±0.2-0.5mm	6.3-12.5μm	50-150 美元	1-20 件	低成本、材质多样
真空成型	±0.2mm	1.6-3.2μm	80-200 美元	10-50 件	小批量，接近量产的品质

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想要准确选择快速原型制作材料？告诉JS Precision您的测试需求（例如耐温、抗冲击、人体接触），我们会推荐匹配材料并提供免费样品测试，确保样机能够有效验证设计。

如何设计易于制造且实用的快速原型零件？

通过适当的设计，可以降低制造快速原型零件的难度、成本和时间，从而提高其可用性。以下显示了桥接增材制造和大规模生产的一些设计标准。

增材制造 (DFAM) 专用设计原则

3D打印中DFAM的具体设计原则：

• SLA 壁厚应最小为0.6mm，SLS 应最小为1mm，FDM 应最小为1.2mm。
• 45° 或更大角度的表面可以是自支撑的，也可以需要额外的支撑。
• 利用晶格结构将重量减轻30%-50%。
• 集成设计减少了组装步骤。

原型设计和批量生产 (DFM)

快速原型零件的设计应提前考虑量产的可行性：

• 避免太深且没有出水口。
• 保留1°-3°的拔模角。
• 统一壁厚以防止收缩痕迹。
• 通过将尖角改为≥0.5mm圆角来提高强度。

我们什么时候应该放弃3D打印并选择原型数控加工？

3D打印，总的来说，是快速原型制作的主要趋势，但在某些条件下，原型CNC加工更好。 下面讨论其特点和应用。

减材制造精度的巅峰：原型数控加工的深入讲解

原型 CNC 加工是一种减材制造方法，采用 CNC 机床去除材料，从固体材料中制造零件。

• 技术参数：精度高，最大±0.025mm，表面粗糙度Ra0.8μm以下，所用材料为最终工程材料（6061铝、316不锈钢、POM、PC等）。
• 材料特性：材料具有各向同性，机械性能与量产材料完全一致，层间无粘结问题，能够准确表征产品的使用状态。
• 加工范围：可加工金属、工程塑料等多种材料，适用于结构简单到复杂的零件。单件的处理时间通常为1-3天。

什么时候应该使用数控加工？

原型 CNC 加工的改进场景：

• 需要对最终材料的机械/热/化学性能进行测试。
• 公差小于±0.1mm。
• 中小批量，包含 1-100 个高可靠性原型。
• 结构简单，适合机械加工（成本较低）。

图 4 一些难以 3D 打印的材料，例如某些特定金属或聚合物，是 CNC 加工技术的理想选择。

案例研究：智能可穿戴设备如何使用混合原型将开发周期缩短 60%

挑战

该公司是一家消费电子制造商，需要四个月的时间来完成智能手表的开发，从设计ID布局到提交全球众筹的工程原型。

公司面临多项挑战：复杂的弧形外壳、细致的金属框架和橡胶表带，总共需要生产 50 个工作原型。

JS精密解决方案

JS Precision遵循“混合技术路径+并行流程管理”的方法，根据不同零件的要求融合不同的技术路径。

1.外壳及按键：采用SLA光聚合技术，选用高透明度的感光树脂，成功实现±0.1mm的精度水平。随后进行表面抛光和喷涂，恢复高光泽质感并筛选装配间隙。

<强>2。内部组件：采用 SLS 激光烧结设计和制造，这种材料（PA12 尼龙）具有高功率和耐用性，使其能够经受超过 1000 次组装测试而不会发生破损/变形。

<强>3。金属框架和连接器：该部分采用的技术是加工6061铝合金材料的原型CNC加工技术。其目的是通过使用5轴数控机床确保最高精度±0.025mm，并且能够进行表面阳极氧化以实现美观和耐磨性。

<强>4。硅胶腕带：采用SLA生产的母模，采用真空成型工艺复制50套腕带，并采用医用级硅胶，复制最终产品的触感和防水功能。

<强>5。并行流程：开始处理由其他流程创建的快速原型零件，设计优化、材料采购、通过后处理步骤后验证质量同时进行制造，力争使每个迭代周期达到5天。

结果

该项目提前两周完成了 50 个工作众筹原型，并且在预算要求范围内，成功众筹达到目标金额的 150%。量产模具一次成功试运行，无需进行重大设计变更，避免了至少8万美元的模具设计修改成本。

客户反馈：“JS Precision 的混合原型解决方案使我们能够在短时间内获得接近生产就绪的原型，从而验证设计可行性，给投资者留下深刻印象。”

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在智能硬件、消费电子产品或任何其他产品系列的原型开发中遇到困难？联系JS Precision，与我们分享您的项目困难。我们将安排与此案例类似的定制混合快速原型解决方案，帮助您的项目快速推进并把握市场机会。

图5 智能手表快速原型制作

我们应该建立自己的生产能力还是外包快速原型设计服务？如何计算实际成本？

使用快速原型的企业面临两种选择：内部开发或外包。拥有成本将有助于做出选择。

专业服务提供商的重要性

像JS Precision这样经验丰富的快速原型制作服务公司还提供一站式服务，包括技术咨询以避免选型错误、DFM分析以提高可制造性、根据需求匹配技术组合的能力以及后处理质量分析，无需在企业内安装必要的基础设施。

总拥有成本 (TCO) 分析：揭示隐藏成本

材质类型	适用技术	核心特征	适用场景	成本范围（每单位）
通用树脂 SLA	SLA	易于成型，表面光滑	外观验证、组装测试	$80-150/升
高韧性树脂SLA	SLA	耐冲击，不易破碎	结构组件功能测试	180-250美元/升
PA12尼龙SLS	SLS	高强度、耐疲劳	齿轮、带扣和其他功能组件	150-200美元/公斤
铝合金6061	数控/SLM	轻质、高强度	金属结构部件、散热部件	80-120美元/公斤
不锈钢316	数控/SLM	耐腐蚀、高强度	医疗和工业精密零件	150-200美元/公斤

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终极决策指南：为您的项目匹配最佳快速原型路径

当谈到快速原型技术时，人们不必只考虑“最好”，而是考虑选择“最合适”。下面提供了一些决策方面的指导原则以及合作方面的一些技巧。

四维决策指南

• Select prototype CNC machining for accuracy ± 0.025mm, SLA for ± 0.1mm, SLS for ± 0.3mm.
• Choose prototype CNC machining/SLM for metal/engineering plastics and SLA/SLS for resin/nylon based on their actual performance.
• Select SLA/CNC for 1-10 pieces and vacuum replica for 10-50 pieces.
• Delivery time is 24-48 hours for SLA/FDM, and 3-7 days for SLS/CNC.

Collaborate with your suppliers to develop a process

Successful rapid prototyping needs a good partnership with the service providers. We recommend that:

<强>1。 Transparent communication requirements: Clearly define project goals (such as verifying appearance, functional testing, crowdfunding display), timeline, budget, and accuracy requirements to JS Precision to avoid information bias.

<强>2。 Team Design Information: The article encompasses entire 3D design requirements along with specifications such as critical design dimensions, points of stress, and test requirements that ensure assistance through design optimization by design suppliers.

<强>3。 Participate in iteration feedback: Provide timely feedback on prototype testing results, work with service providers to adjust design or process, and ensure that each iteration can solve core problems.

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JS Precision, as a professional rapid prototyping services provider, can tailor mixed technology solutions and phased rapid prototyping process based on your project needs, maximizing every investment you make.

常见问题解答

Q1: How much does it cost to make a rapid prototype of a simple part?

The cost depends on the type of technology, size, and materials. A SLA prototype for a mobile phone size would cost around $150-$300, for SLS $200-$400, for FDM $50-$150, whereas the cost of CNC metal parts may exceed $800.

Q2: Which has higher precision, 3D printing or CNC machining?

General prototype cnc machining is more precise, with a tolerance of ±0.025mm, and the material properties are close to that of the end product. High-resolution SLA models have a tolerance of ±0.1mm, and it is appropriate for aesthetic and disassembly verification checks.

Q3: Can I use 3D-printed prototypes for small-batch production?

It's possible, but not economical. Small batch production of 50-500 pieces, vacuum replication or rapid prototyping is a better choice. The cost per piece is 30% -50% lower than 3D printing, and the surface texture is closer to mass-produced products.

Q4: What 3D file format is best?

The files should be STEP or IGES format solids, as these files are more suited to capturing design detail, STL files are acceptable, provided they are "watertight" (not holey), with a precision of 0.05mm.

Q5: What types of testing can rapid prototyping be used for?

It can be used for cosmetic inspection, functional tests, ergonomic tests, airflow and heat dissipation tests, and other functional tests, as well as market exhibitions and crowdfunding. But life fatigue tests are normally conducted using final production material.

Q6: How can I ensure the confidentiality of my design data when outsourcing?

Hire trustworthy service providers, such as JS Precision, which have Non-Disclosure Agreements (NDAs). These service providers have tight data security management practices, which include encryption and secure storage of projects and files.

Q7: How long does it typically take from placing an order to receiving the prototype?

Small components can ship within 24-48 hours with SLA/FDM, SLS/CNC generally requires 3-7 days, vacuum molding for small batch production can ship within 5-10 business days.

Q8: What are JS Precision's unique advantages in rapid prototyping?

JS Precision offers a full “hybrid manufacturing" facility ranging from 3D printing to precision CNC machining. It is ISO 9001 certified, has 15 years of experience in the industry, and can deliver engineering support from design optimization to mass production transfer.

摘要

The basic risk in product development is the 'unknown' and one of the most important approaches to overcome this "unknown" phenomenon is rapid prototyping. This is because, by employing rapid prototyping, the "unknown" can be turned into the "known."

There isn’t a best prototyping technique, but rather a most appropriate one for a particular situation. Whether it’s high detail SLA, functional SLS, or precise prototype CNC machining, JS Precision will be there for you with professional assistance.

Take Action Now & Let Experts Fast Track Innovation.

If you are seeking a trusted partner that can help with complete rapid prototyping services and has knowledge in a variety of techniques, as well as being an extension of your R&D department, JS Precision is always ready to serve you. Contact our technical advisor for a free solution and quote tailored to your project, to take your next product from concept to market, one step ahead.

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成本明细	自建能力	外包快速原型制作服务
设备采购	$50,000 - $500,000（单个高精度设备）。	$0
维护成本	每年设备价格的 10%-15%（消耗品、维修）。	$0
人员费用	操作员和工程师每人工资为 80,000 - 150,000 美元。	$0
材料库存	多种材料囤货，占用资金。	按件收费，无库存成本。
网站费用	设备放置、材料存放空间。	$0
处理成本	材料损失+设备折旧。	按件付款（包括材料、加工和后加工）。