如何创建塑料原型

在当今快节奏的制造环境中，塑料原型制作已成为将想法变成有形，可测试产品的重要一步。在承诺全面生产之前，企业依靠原型来验证设计意图，评估功能并有助于最大程度地减少以后生产阶段昂贵错误的风险。在许多情况下，执行良好的塑料原型是概念和商业可行产品之间的关键桥梁。

那么，如何创建塑料原型？它包括智能设计决策，合适的材料和合适的混合制造方法 - 我们将在本文中逐步分解所有这些。

什么是塑料原型？

塑料原型制作是使用塑料材料创建早期，物理模型或产品样品的过程。这些原型可帮助制造商在全面生产之前测试和完善产品的形式，拟合度，功能和美学。该过程使工程团队可以验证设计概念，确定潜在问题，收集用户反馈，并确保产品准备好并与市场需求保持一致。

根据设计的成熟度，原型可能看起来像，工作类似或与最终产品非常相似。但是“看起来像”和“像工作”并不是对原型进行分类的唯一方法。以下是用于对其进行分类的其他常见术语：

• 视觉/触觉原型：一个初步版本，用于显示基本功能，例如产品的尺寸和形状，而没有功能或详细的外观。 FDM或SLA 3D打印通常用于快速，成本效益生产这些原型。
• 功能原型：它也称为工作原型，它包含重复最终产品的核心功能的关键功能和材料。它可以测试拟合，机械性能和可用性。对于诸如食品安全，清晰度或耐压性之类的特殊要求，通常需要加工或铸造等方法。
• 高分辨率原型：一个近决赛，与外观，功能和饰面上的最终产品非常相似。它是利益相关者演示，用户测试，营销或预生产批准的理想选择。通常使用SLA，Polyjet或真空铸造等高详细技术。

随着这些原型变得更加精致，它们会经过多个测试阶段，以确保生产准备。这些测试阶段对于验证设计完整性，性能和制造性很重要。

通常使用的测试有三种类型：

• 工程验证测试（EVT）通常在原型的早期阶段进行，验证产品的核心功能是否按预期执行。该阶段着重于确定基本设计缺陷和潜在问题，为进一步的设计改进提供了宝贵的反馈。
• 设计验证测试（DVT）通常是在初始设计验证和优化后进行的。它不仅验证了产品的功能，还可以全面测试其可用性，可靠性，遵守法规和标准以及其他方面。
• 生产验证测试（PVT）当产品设计几乎最终确定并接近质量生产时，将执行。这是从飞行员运行到全尺度制造的至关重要的过渡。 PVT专注于验证生产线设置，制造过程和设备校准。它包括生产测试，第一篇文章检查（FAI），并确认可以以一致的质量按大规模制造产品。

塑料原型的常见方法

在产品开发周期（从早期概念验证到预生产测试）中，采用了不同的技术来满足各种目标。一些方法优先考虑快速迭代，而其他方法则旨在复制最终产品的质量和性能。在塑料原型中，四种广泛使用的制造方法在其独特的优势和多功能性方面脱颖而出。

3D打印

3D打印或添加剂制造是一个伞术语，包括各种技术，这些技术通过从数字模型中添加材料来构建三维对象。这些技术支持快速的原型制作和多次迭代，并且可以产生复杂的几何形状，而无需模具或定制工具。以下是制造塑料原型的三种最受欢迎​​的方法：

• 融合沉积建模（FDM）：一种低成本的3D打印方法，广泛用于早期概念模型和简单的功能原型。它通过加热的喷嘴，一层沉积的材料来挤出热塑性细丝，例如PLA，ABS或PETG。但是，FDM零件可能具有可见的层线和降低的结构完整性。

• 立体光刻（SLA）：使用紫外线激光在桶中固化液体树脂，从而产生高精度和出色的表面饰面的零件。这使其成为视觉模型，高分辨率原型和演示级部分的首选。但是，由于专门的树脂和设备，SLA通常更昂贵，并且其印刷零件通常比热塑性塑料更脆。通常需要固化后才能实现完全的机械强度。

• 选择性激光烧结（SLS）：使用高功率激光将粉状塑料（如尼龙或TPU）融合成固体层，产生耐用且功能性的原型。由于未插入的粉末在打印过程中围绕着零件，因此不需要支撑结构 - 适合于复杂的几何形状，内部通道和封闭特征非常适合SLS。但是，印刷零件通常具有略带粒状的表面饰面，可能需要后处理才能使外观更光滑。

真空铸造

真空铸造，也称为氨基氨烷铸造，是一种使用硅树脂霉菌和聚氨酯树脂的小体积制造方法，以产生具有高表面质量和细节的塑料零件。该过程始于高质量的3D打印主模型，该模型用于创建能够复制复杂几何形状和微妙的表面特征的柔性硅胶模具。

当设计成熟并且需要一小部分一致的原型时，该技术通常用于以后的原型制作阶段。它特别适合生产功能性原型，演示模型和拟合组件，例如套管，外壳或覆盖物。

特别是，真空铸造是一种具有成本效益的解决方案，用于生产10至100个单位用于工程验证测试。当需要多个相同的零件时，它通常提供的单位成本低于3D打印，尤其是用于短期复制。此外，硅胶模具比金属模具便宜，但寿命有限，通常每霉菌产生20至25个零件。

CNC加工

CNC加工塑料使用计算机控制的机床从实心块中删除材料。该过程支持紧密的公差并提供出色的可重复性，从而可以创建复杂的几何形状，包括细线，底切和其他复杂的特征。

CNC加工通常用于需要高准确性和强度的中级阶段功能原型。它为可靠的拟合，形式和功能测试提供了均匀的材料特性 - 不像3D打印，可能会遭受层间弱点的困扰。该过程还允许使用各种材料，使您可以灵活地选择满足特定需求的最佳选择。可用的服务包括铣削，转弯和齿轮滚动。

注入成型

注射成型通常不是原型制作的首选，因为它需要很长时间，而且成本更高。但是，Chiggo可以在生产前的最终测试阶段快速，成本效率地生产钢模具，并以T1样品（生产工具生产的第一部分）的速度快速提供10天。

此外，当生产100个或更多的塑料原型时，使用铝制或具有标准模具底座的3D打印模具的快速转移方法可以降低时间和成本而不会牺牲质量，尽管它们通常提供较低的精度，并且不如钢模具耐用。

塑料原型的常见材料

总体而言，四种塑料原型制定方法支持多种塑料树脂材料。但是，如下表所示，每种方法支持的内容存在差异。 

请记住：

1。真空铸造等级反映了类似PU树脂的可行性，而不是基碱基聚合物的直接铸造。

2。3D打印等级基于每种材料的最成熟和成本效益的添加剂过程：

• FDM/FFF：适用于ABS，PLA，PETG，TPU（低至中温度塑料）。它在高收缩PP/PE上挣扎。高温计算机可以打印窥视，但需要严格的过程控制。
• SLS/MJF：尼龙PA11/PA12及其复合材料非常出色。专用的PP粉是公平的。 PE，PVC，TPU仍然是利基或实验性。
• SLA/DLP：印刷类似于丙烯酸，类似的丙烯酸和PP，如光聚合物，具有出色的清晰度和表面表面，但机械性能滞后于天然塑料后面。不适用于半晶工程塑料，例如POM或PEEK。

3。相同的材料可以根据方法的不同。例如，由于结构差异，由CNC制造的ABS部分可能与注射量的强度或饰面不符。

4。始终将您的物质选择和制造方法与当前的测试阶段和性能目标保持一致。

制作塑料原型的分步指南

接下来，我们将逐步解释如何构建塑料原型并在此过程中突出显示关键注意事项。

步骤1：澄清您需要哪种类型的原型

在进入技术过程之前，要确定原型的目的和预期使用至关重要。该应用程序将确定哪种类型的原型最合适：

• 如果您处于早期构想阶段，需要探索或介绍产品的形式，大小或人体工程学（不用担心功能），则概念模型是合适的。
• 如果目标是测试机械行为，评估零件交互或模拟用户体验，则功能原型是正确的选择。
• 为了进行视觉验证，利益相关者的演示或营销材料，高分辨率原型提供了所需的精致外观和准确性。
• 如果您正在准备大规模生产，并且需要验证材料，制造性或遵守行业标准，那么生产水平的原型将有助于确保准备就绪。

步骤2：准备CAD型号

一旦澄清了所需的原型类型，第二步就是创建一个CAD（计算机辅助设计）模型，该模型可作为原型的数字蓝图。 CAD模型定义了零件的几何形状，尺寸和组装接口。清晰且准备充分的CAD文件可以减少歧义，最大程度地减少生产错误并加速原型制作过程。

为了确保可制造性，您可以遵循以下几点：

• 定义关键维度和公差，尤其是对于运动部件或接口。
• 如果您的产品是多组件，则包括组装关系。
• 如果您打算使用成型技术，请考虑草稿角，壁厚和底切。
• 如果需要，请准备2D图纸，以突出显示3D模型中可能并不明显的密钥规格。

步骤3：选择正确的原型方法

设计完成后，选择一种适合您时间表，预算，材料需求和性能要求的原型方法。每种方法都提供独特的优势和权衡 - 有些有利于快速迭代，而其他方法则在功能测试或生产验证方面表现出色。下表根据成本，交货时间和适合不同开发阶段的适用性比较了四种常见的原型制作方法，以帮助您决定。

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