3D打印介绍及四种快速成型技术在CMF设计中的运用

3D打印介绍及四种快速成型技术在CMF设计中的运用

作为产品设计师，工艺是必须要去了解的内容，最新工艺3D打印，快速成型工艺过来了解一下。相信不少设计师对于快速成型工艺不陌生，因为不少手板模型制作都采用了这样的工艺，那么你知道它有多少种工艺呢？以及作为工业设计师的我们应该如何利用好它，换言之它在cmf设计中应该如何利用呢？下面优概念工业设计就为大家解析3D打印介绍及四种快速成型技术在CMF设计中的运用。

CMF设计师在工作时候，免不了做想法的快速验证，通常会做出手板验证设计理念、结构、装配、色彩和纹理效果，分析ID设计与CMF设计的落地工艺与最终效果。

通常在设计中，制作手板会用到真空灌注、低压浇注、CNC等传统成型方式，以及新型的3D打印等工艺，快速准确地将设计构思转化为有一定结构和功能的实体原型产品，为产品投产提供快速、准确的实体评价信息，优化提高产品质量，并且能缩短产品设计开发周期。

优质的手板，可谓是CMF设计过程中的必备神器。

本次带大家了解制作手板中的一类方法——快速原型制造技术（或快速成型技术，Rapid Prototype, RP），又称增材制造技术，很多时候，大家更喜欢用3D打印技术来模糊地统称这类工艺。

所以理解了3D打印的过程，就理解了快速成型工艺的核心原理——增材成型：分层制造，逐层累加。

熔融堆积成型FDM的路径轨迹

SLA工艺示意

快速成型（RP）原理

分解过程

模型信息

Z向离散化（分层）

信息层面处理

组合过程

层面加工粘结

层层堆积

后处理

从上面快速成型工艺原理可以看到，快速成型工艺从技术上摆脱了传统制造工艺上的“减法成型”，采用“加法成型”将复杂的三维加工分解成简单的二维加工组合，从有模具到无模具生产的加工方式为设计的验证降低了大量成本。

01.立体光刻成型——SLA成型工艺

立体光刻成型SLA，属于光固化成型一种。说到光固化，可能大家更多会想到UV光固化。从机理上说，SLA成型和UV固化有相似的地方：通过特定波长的光源引发光敏树脂聚合，将单体和低聚物等固化形互连成高分子聚合物。例如SLA采用的多为激光，而UV本身的就是ultraviolet，紫外线英文的缩写。当然，UV光固化和光固化成型在应用上是完全不一样的，这里只是对比下原理。

SLA成型过程与大家经常看到的FDM成型（后面会介绍）也非常类似。这是因为快速成型的种种工艺，多为采用堆叠方法来成型，在成型原理角度来说，下面介绍的几种快速成型工艺原理均类似。

采用FDM工艺的3D打印机

SLA成型与FMD成型的区别通俗点说，就是FDM成型类似挤牙膏，把“牙膏”挤出来堆叠，自然冷却固化，形成立体模型。

而SLA成型工艺类似于传统激光打印机，不过纸张变成了液态光敏树脂，激光通过在液体光敏树脂上扫过，使得部分区域光敏树脂固化，完成表面这一层的打印后，浸没在树脂液中的平台会下降一层，固化成上又被周围的树脂液淹没，激光再在新的“纸面”上扫描“打印”，这个过程会一直循环，直到最终形成三维实体原型。

SLA工艺过程，来自《设计材料及加工工艺》

SLA光刻成型后的产品

02.选择性激光烧结成型——SLS成型工艺

SLS成型工艺与上面的SLA成型工艺的成型原理相似，只是将液态光敏树脂换成在激光束照射下，可烧结成型的各种固态烧结粉末。比如：覆膜金属粉末，覆膜陶瓷粉末，塑料粉末等。

工艺流程是用计算机控制激光束，投射到覆盖一层烧结粉末的工作面上，按照分解过程得到的零件截面信息对粉末层进行有选择的逐点扫描，受到激光照射的粉末层熔化烧结，粉末之间互相粘结形成实体。同样，每一层烧结完成后，工作平台下降一层，作业面重新铺上一层粉末，反复进行，形成立体零件。

SLS工艺过程，来自《设计材料及加工工艺》

SLS制件的精度、表面效果与外观品质比SLA制件低，这是因为SLS是烧结过程，通过高温熔化粉末来形成制件，高温区域控制的精度不如光固化的光斑控制准确。但SLS可以间接快速成型金属件，且总体成本相对其他金属成型非常低。

03.熔融堆积成型——FDM成型工艺

这个成型技术是现有多数民用3D打印机采用的工艺，使用的是使用的是线材（石蜡、塑料、含有金属粉末的塑料线材等等），通过电加热等方式将丝材在喷头中加热至略高于融化温度，使材料呈熔融状态，在计算机控制下，喷头做X-Y平面扫描运动，将熔融材料送出喷头，涂覆在工作台上，冷却后形成一层截面。之后，喷头上移一个高度，进行下一层涂覆，逐层堆积成三维实体。

FDM工艺过程，来自《设计材料及加工工艺》

FDM成型工艺适合体量较小的塑料件，制件体积越大，时间成本就越高。此外FDM成型工艺的原材料价格较高，精度通常在±0.1mm到±0.25mm，精度越高，设备越贵，但总体来说，FDM精度不会达到SLA那么高。

04.叠层实体成型——LOM成型工艺

LOM工艺通常以薄片材（如纸片，塑料薄膜或复合木片等材料）堆叠，配合激光切割而形成模型，适合制造较大尺寸的快速成型件，成型后可以非常方便地对其进行打磨、抛光、着色、上漆，在家具、建筑、雕刻艺术等领域用的较多。

LOM成型工艺的原理是先根据计算机提取的截面轮廓数据，将背面涂有热熔胶的的片材进行激光切割，切割完成后，工作台下降一层，在刚形成的层面上叠加一层新的片材，热压机将片材会主体粘合在一起，之后重复切割过程。这样一层一层切割，一层一层粘合，最终形成三维实体。

LOM工艺过程，来自《设计材料及加工工艺》

LOM成型的制件因为具有机械加工性能，所以可以通过后处理来修正制品，而且成型速度快，制造成本低。

四种快速成型技术特点比较：

快速成型技术在CMF设计中的运用

快速成型（RP）在CMF上最重要的运用就是快速验证新产品，在新产品开发中，可以快速做出手板，通过对手板的观察，优化ID设计，优化产品结构，找到复杂的模型批量化生产的可能工艺。

同时，还能通过快速成型，搭建设计师与市场部等等评估部门之间的桥梁，让项目组，或者非设计师的参与者直观地 get 到这款产品的优缺点，使设计、交流、评估与生产更加形象化。

最后，CMF设计师需要通过快速成型制造的手板，分析加工工艺性能、装配性能、有关模具校验分析，进行产品功能特性的测试，及时找到生产中会出现问题的地方，提高量产良品率。而通过手板进行翻模，也能节约模具制造时间与成本。

当然，快速成型工艺中还有其他一些工艺，常用的比如3DP三维打印成型（或称粘合剂喷射成型）、PolyJet多材料喷射全彩3D打印技术等，这些都是3D打印市场火热后，逐渐技术进步，适用在不同场景的快速成型工艺。