The Three Core Processes in Prototype Manufacturing — The Advantages, Disadvantages and Applications of CNC, 3D Printing and Moulding

处于手板模型这个行业里, 工艺进行选择, 会直接判定手板的精度、成本、周期以及性能, 这是企业研发决策里极为关键的一环。历经数十年的发展, 手板制作构建起了以CNC精密加工、3D printing快速成型、真空复模作核心的三大工艺体系。这三大工艺各自存有优点与缺点, 各自履行相应职责, 去适配不同场景、不同需求的手板制作。对于企业来讲, 唯有精确把握三大工艺的特性、差异以及应用边界, 才能够挑选出最优方案, 使得手板模型发挥出最大价值。这篇文章会从工艺原理这个方面, 优势短板这个角度, 材料适配这个要点, 应用场景这个范畴, 从这四大层面去深刻剖析手板模型的三大关键工艺, 从而给行业里的从业者给予全面的参照。

I. CNC Precision Machining: The “Gold Standard” for High-Precision Prototypes”

CNC精密加工, 在手板模型行业里, 是应用最为广泛且最为成熟的工艺, 被称作“高精度手板的黄金标准”。它的核心原理是, 借助计算机编程来生成G代码, 以此控制三轴、四轴、五轴数控加工中心, 针对塑胶、金属等块状毛坯实施精准切削, 一步步去除多余材料, 最终成型为契合设计要求的手板模型。

Key strengths:

特别高的精度, CNC machining精度能够达到正负0.02到0.05毫米, 有一些五轴设备甚至能够达成正负0.01毫米精度, 它是所有手板工艺里精度最高的那种选择, 可以非常完美地满足航空航天、汽车、医疗器械等领域的特别高的精度需求。

材料种类多样, 适配范围广泛, 几乎能适配所有常用的手板材料, 其中涵盖了如 ABS、PC、POM、亚克力等塑胶材料, 还有铝合金、不锈钢、铜、钛合金等金属材料, 特别擅长对高强度、高硬度的金属材料进行加工, 相较于 3D 打印, 有着无法比拟的优势。

性能出色到超乎寻常: CNC手板借由实体材料通过切削来达成成型, 其结构具备的强度, 力学方面展现出的性能, 耐热所拥有的性能, 耐腐拥有的特性, 和量产产品完全是同一个水准, 能够直接去开展装配测试, 实施强度测试, 做环境测试这般严格的功能验证之处呢。

其表面质感良好, 在经过加工之后, 表面具备较高的光洁度, 后处理情况较为简便, 能够轻易地达成高光、哑光、喷砂、电镀等各类效果, 其外观质感和量产产品不存在差异。

Weaknesses and shortcomings:

成本处于较高水平, 这是因为设备投入规模大, 编程所耗费的时间长, 材料利用率又比较低, 最终致使单件小批量手板的成本比 3D 打印的成本要高。

复杂结构存在限制: 针对内部呈现镂空状况的结构, 还有构成复杂曲面的结构, 以及异形腔体结构, 再加上细小深孔这类结构, 采用 CNC 进行切削时, 难度极大, 甚至会出现无法实施加工的情况。

耗费时间较长，其中编程、装夹、粗加工以及精加工这些流程极为繁杂琐碎, 而复杂手板的制造周期一般来讲需要2至5天。

Use cases:

CNC加工是手板的首选, 那些手板是高精度的, 是高强度的, 是大尺寸的, 是金属材质的。其主要应用于以下方面: 新能源汽车的, 结构件；发动机的, 零部件；变速箱的，壳体。还应用于医疗器械的, 精密配件；手术器械。又应用于航空航天飞行器的零件部分以及飞机、天上飞船等的, 卫星结构件。另外应用于工业设备的外壳以及在操控运动中起重要作用的, 机械臂关节。并且应用于对精度要求极高的, 消费电子中的中框部分以及对强度、表面质感要求都很高的, 消费电子的外壳这些地方。

II. 3D Printing Rapid Prototyping: The “King of Efficiency” for Complex Structural Prototypes”

近十年兴起的具有革命性的手板工艺名叫3D打印, 也就是增材制造, 其核心原理是基于“分层叠加”这个理念, 先把3D模型进行切片处理, 之后通过激光、热熔、光固化这些方式, 把材料一层一层地堆积起来从而成型。手板行业主流的3D打印技术目前有SLA光固化、SLS选择性激光烧结、FDM熔融沉积、MJF多射流熔融等等。

Key strengths:

其结构具备无极限特性, 即不会受到切削工艺的限制, 能够轻松地制作出那些 CNC 没办法进行加工的复杂结构, 像镂空结构、薄壁结构、异形曲面结构、内部流道结构、多孔结构、一体化拼装件结构等, 它能完美地适配创意设计以及复杂产品的需求。

极为迅速: 不用进行编程, 无需实施装夹, 连换刀操作也不用, 把3D模型导入进去之后就能自动打印, 简单的手板在几个小时内就能成型, 复杂的手板在1至2天便可交付, 其效率远远超过CNC, 是快速打样以及紧急需求的最优选择。

成本能够得到有效控制: 单件小批量生产时成本处于较低水平, 不需要进行开模操作, 材料的利用率比较高, 特别适宜 1 到 10 件这种数量较少的手板制作, 能够大幅度地降低企业的研发成本。

设计自由度极高, 能够支持个性化定制, 还能进行多版本同时并行开发, 设计师可不被加工限制牵挂的情况下, 自由自在地发挥创意。

Weaknesses and shortcomings:

误差范围内可允许的值偏低: 一般常见的那种三维打印的误差范围大概是正负零点一到零点二毫米, 这一数值低于计算机数字控制机床, 打印出来每一层的纹路痕迹显著清晰, 打印完成后物体表面需要进行精细细致打磨这样的后续处理。

存在性能差异, 3D 打印件的结构是逐层堆积而成的, 其力学性能、耐热性以及强度, 略微比实体切削件要低一些, 并且, 有部分高性能材料没办法适配。

由于设备成型空间存在限制, 所以大尺寸手板要进行拆分拼接, 这会对整体精度以及强度造成影响, 这就是尺寸限制。

Use cases:

首选, 是那用于复杂结构、小批量、快速打样、外观验证手板的3D打印。它主要应用于这些方面: 消费电子创意外观, 还有智能穿戴设备那儿；机器人复杂关节那边, 以及仿生结构这块；医疗器械外壳, 加上个性化植入物这儿；文创产品、雕塑摆件、玩具这些领域；以及产品初期设计验证、外观评估、展会展示、专利申报等场景。3D打印手板模型。

III. Vacuum Casting (Silicone Moulding): A “Cost-Effective Solution” for Small-Batch Trial Production”

有着硅胶复模别称的真空复模, 属于一种用于小批量复制手板的工艺, 其核心流程如下, 首先要借助CNC或者3D打印来制作原型, 接着使用硅胶包裹原型从而制作软模具, 随后在真空环境之下把液态的PU、ABS、软胶等材料注入模具, 待材料固化之后进行脱模, 最后经过后处理得到复制件。

Key strengths:

当处于10至1000件的数量范围进行小批量生产时, 成本会远远低于CNC逐个单件加工以及3D打印单个产品的价, 其模具成本低廉, 复制效率又超高, 适合企业用于对市场开展测试以及进行小批量的试生产。

一套硅胶模具能够实现20至50件的复制, 复制周期极为短暂, 在2至3天的时间内就能够完成批量制作, 能够快速地满足小批量的需求, 效率高到了极点。

材质种类丰富多样, 其中包含可复制的硬质塑胶, 还有软胶, 以及透明材质, 另外还有耐高温材质等等, 其手感、其质感与量产产品十分相近, 通过这些材质能够满足装配的需求, 也能够满足功能测试的需求。

硅胶模具柔韧性良好, 能完美复制原型里精细的纹路, 能完美复制原型中的文字, 能完美复制原型上的凹槽等细节, 其细节还原度高, 复制件与原型一致性强。

Weaknesses and shortcomings:

精度存在限制, 复制精度大概是正负零点一至零点三毫米, 其低于数控机床加工精度下限, 在进行批量复制操作期间会现出程度略轻的误差。

硅胶模具的寿命存在时限, 一般往往仅能凭借20到50次的使用次数维续, 一旦涉及到大批量进行生产, 就必须得频繁地去更换模具, 而这般情况也就导致表现出寿命短促这种后果。

性能处于平常水平: 复模材料的性能处于3D打印和CNC二者之间, 其耐热性以及强度比实体材料要低, 不适用于超高性能的有关测试。

Use cases:

首先, 10 – 1000件小批量试产、市场测试、产品铺货的首选是真空复模, 它主要应用于家电外壳小批量试产, 数码配件小批量试产于它, 汽车内饰件批量制作靠它, 改装件批量制作也用它, 医疗器械外壳批量生产借助它, 耗材批量生产依赖它, 文创产品小批量上市经由它, 玩具小批量上市通过它, 企业新品需它进行市场测试, 展会样品靠它, 客户定制等场景也由它来完成。