摘要：通過分析FreeForm和快速原型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的作用，提出了基于FreeForm和快速原型的快速產(chǎn)品開發(fā)模式。通過某人物玩具開發(fā)的實際應(yīng)用，表明該模式可以快速地制造出產(chǎn)品的樣件，可實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速設(shè)計、快速定型、快速營銷和快速制造，產(chǎn)品能很好地再現(xiàn)設(shè)計模型，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，開發(fā)成本和風險大大降低，加速新產(chǎn)品的開發(fā)速度和成功率，提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢。 

        21世紀是飛速發(fā)展的世紀，是無限競爭的世紀，充滿著發(fā)展的機遇，又充滿著嚴峻的挑戰(zhàn)，速度之快，變化之多，讓人猝不及防。隨著市場的瞬息萬變和技術(shù)的日新月異，速度正成為企業(yè)生死

        [1]存亡的關(guān)鍵。市場需求不斷在變化、顧客對品牌的關(guān)注度與忠誠度不斷在下降，潛在進入者與競爭對手在不斷蠶食市場，如果企業(yè)不能夠根據(jù)形勢的變化，快速地開發(fā)出新產(chǎn)品，那么資金再雄厚的企業(yè)也無法生存下去。速度就是生命，時間就是效率，速度已經(jīng)取代規(guī)模成為競爭中的重中之重。

        [2]迅速者勝，遲緩者死，快著通吃，是今天競爭的新規(guī)則。 

        現(xiàn)代的設(shè)計是充滿創(chuàng)意的設(shè)計，現(xiàn)代的產(chǎn)品是基于知識的產(chǎn)品?，F(xiàn)代的產(chǎn)品開發(fā)是速度競賽的快速產(chǎn)品開發(fā)。“工欲善其事，必先利其器”，企業(yè)要在市場競爭中取勝，很大程度上取決于所使用的技術(shù)和工具。 

        快速原型和FreeForm系統(tǒng)就是快速設(shè)計開發(fā)的有效工具，催化著設(shè)計創(chuàng)意，推動著創(chuàng)新設(shè)計的不斷提速。本文在對快速原型技術(shù)和FreeForm系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于快速原型和FreeForm的快速產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，并通過實例說明該系統(tǒng)對加快產(chǎn)品開發(fā)速度的作用，以提高制造企業(yè)的競爭能力。 

        2 FreeForm 

        常用的三維CAD系統(tǒng)存在無法回避的缺點，即設(shè)計者面前只是模型的一個視圖，造型設(shè)計只停留在平面和視覺的三維上，而無法讓人們?nèi)轿坏亍案惺堋痹O(shè)計；另外，設(shè)計師仍然沒有從二維的鼠標與鍵盤上解放出來，在整個設(shè)計過程中把大量時間花在模型的表達上，而沒有更多的時間去思考和發(fā)掘新的創(chuàng)意，在一定程度上使設(shè)計成了一種簡單的初級模仿，從而限制了設(shè)計師的積極與創(chuàng)造性的發(fā)揮。 

        FreeForm系統(tǒng)是美國SensAble公司開發(fā)的可以從視覺、聽覺和觸覺上全方位地感受到產(chǎn)品存在

        [3]的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；在造型設(shè)計過程中，不但能夠看到、聽到計算機屏幕上的數(shù)字模型，而且可以“觸摸”到這個模型，感受到模型的存在，設(shè)計師可以通過力反饋設(shè)備上機械式手臂的移動和旋轉(zhuǎn)，

        感受到真實的創(chuàng)作，從而快捷地創(chuàng)造出具有設(shè)計靈感和創(chuàng)新思維的產(chǎn)品造型，提高產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計效率。FreeForm系統(tǒng)及構(gòu)成簡圖見圖1和圖2所示。 

        [4]快速原型（Rapid Prototyping,簡稱RP）融合了當今計算機、數(shù)控、激光、材料和機械等方面最先進的技術(shù)發(fā)展起來的一種先進的先進制造方法，其采用全新的增長加工法，用一層層的毛坯逐步疊加成產(chǎn)品模型, 無需配置其他工模具，即可直接快速地制造出產(chǎn)品模型。快速原型技術(shù)可以制作出形狀任意復(fù)雜的產(chǎn)品樣件和模具，其制造工藝過程幾乎與成本和零件幾何形狀復(fù)雜程度無關(guān)。在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的各個階段都要用到原型件或樣機，傳統(tǒng)制造實物樣件或樣機的方法是采用機加工的方法進行制作，產(chǎn)品形狀較復(fù)雜時，甚至采用手工制作模型的方法。這種制作實物樣件或樣機的方法，時間長，成本高，有時模型的精度還較難保證。而快速原型技術(shù)制作的模型是基于精確的三維電子模型，精度較高，對形狀復(fù)雜的產(chǎn)品一樣可精確地制作模型樣件。這樣從產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計、制造、征求用戶意見、修改定型、檢測、試驗、正式生產(chǎn)、營銷、運行等環(huán)節(jié)所需的時間大大減少，從最初階段的產(chǎn)品設(shè)計開始，設(shè)計者、制造者和營銷人員和用戶都能拿到實實在在的樣品，或者是小批量生產(chǎn)的試制產(chǎn)品。 

        因此在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，快速原型技術(shù)起到快速設(shè)計、快速定性、快速營銷和快速制造的作用，從而加速新產(chǎn)品的快速開發(fā)，提高新產(chǎn)品上市的速度，帶來了新產(chǎn)品快速開發(fā)的革命。 

        （1）快速原型的快速設(shè)計作用 

        在產(chǎn)品的設(shè)計階段，需要用到產(chǎn)品的模型，使設(shè)計意圖很快轉(zhuǎn)化為三維實體，以進行設(shè)計評價、設(shè)計驗證、裝配實驗和功能實驗，驗證并優(yōu)化設(shè)計方案。如果通過功能實驗和裝配實驗，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，就可立即修改設(shè)計。由于快速原型技術(shù)開辟了不用刀具和夾具加工工件的工藝方法，減少了加工工件的裝夾工序，而且快速原型技術(shù)采用的堆積原理而不是去除加工方法，可以加工制造任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，使加工時間大大縮小。因此，快速原型技術(shù)可快速地提供設(shè)計階段的產(chǎn)品原型件，促進產(chǎn)品的快速設(shè)計。 

        （2）快速原型技術(shù)的快速定型作用 

        新產(chǎn)品在開發(fā)研制過程中具有高度的不確定性，這種不確定性一方面是機會和挑戰(zhàn)，另一方面這種不確定性也意味著可能走旁路，走錯路，甚至有失敗的風險。在快速原型技術(shù)上的新產(chǎn)品的快速定型是基于精確的實物模型的，原型啟發(fā)就是捕捉靈感，抓住機遇、排除風險的重要途徑，尤其在捕捉靈感方面，有很大作用。快速原型樣件這種立體語言不需任何講解、說明，僅靠自身的立體形象，就能夠客觀地真實地從各個方向、各種角度、各種位置表現(xiàn)出產(chǎn)品的信息，實現(xiàn)產(chǎn)品與消費者的對接，促進產(chǎn)品的快速定型。 

        （3）快速原型技術(shù)的快速制造作用 

        經(jīng)過快速設(shè)計和快速定型的的產(chǎn)品，需要通過批量制造才能投放市場。雖然快速原型制造有很多優(yōu)點，但目前的技術(shù)條件，作為零件用于實際生產(chǎn)受到一定的限制，而且原型的制造成本高，不適合批量生產(chǎn)。只有通過制造出產(chǎn)品的模具，利用模具進行批量生產(chǎn)，才能降低制造成本。因此，模具的生產(chǎn)加工時間直接影響了產(chǎn)品投放市場的快速性。傳統(tǒng)的模具制造因其工藝粗糙、精度低、壽命短，很難完全滿足用戶的要求。應(yīng)用快速原型技術(shù)可以解決模具制造的快速要求，即快速制模，實現(xiàn)最終零件或產(chǎn)品的快速制造。 

        （4）快速原型的快速營銷作用 

        利用快速原型技術(shù)快速制造的新產(chǎn)品可提供個性化服務(wù)和技術(shù)指導，可以借助快速原型件，征求客戶意見，進行個性化設(shè)計，滿足特殊要求，實現(xiàn)新產(chǎn)品的快速營銷。 

        4FreeForm 

        在進行產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計師與FreeForm系統(tǒng)可以進行直觀的交互式設(shè)計，使設(shè)計師操作起來就如同真的拿著刻刀進行雕刻一樣，感覺到操作物體的存在，感覺到物體表面的紋理，感覺到模型對刻刀的阻力，解除了鼠標和鍵盤對人的束縛。reeForm自然的操作方式可刺激設(shè)計師產(chǎn)生富有創(chuàng)意的思想，得到具有新穎的、具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品模型，支持產(chǎn)品的快速設(shè)計?？焖僭图夹g(shù)可實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的快速設(shè)計、快速定型、快速營銷和快速制造。 

        FreeForm虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是先進的產(chǎn)品設(shè)計手段，它和快速原型技術(shù)都支持同一種數(shù)據(jù)格式，即STL數(shù)據(jù)格式，這樣不會造成數(shù)據(jù)丟失，可實現(xiàn)無縫鏈接。即從FreeForm系統(tǒng)中的電子模型轉(zhuǎn)到快速原型制造系統(tǒng)中時，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息不會出現(xiàn)丟失，快速原型制造出的原型件能很好地再現(xiàn)設(shè)計模型。因此，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，將快速原型技術(shù)和FreeForm虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)，可大大提高產(chǎn)品的開發(fā)速度，使設(shè)計師的創(chuàng)意在很短的時間內(nèi)就可變?yōu)楫a(chǎn)品 

        圖3是基于快速原型技術(shù)和FreeForm系統(tǒng)的快速產(chǎn)品開發(fā)流程示意圖。在產(chǎn)品開發(fā)的各階段，快速原型樣件或樣機可幫助設(shè)計師利用FreeForm系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計、快速定型，并實現(xiàn)銷售的快速營銷，最終實現(xiàn)快速制造。 

        總體方案設(shè)計 

        市場 

        信息 產(chǎn)品造型設(shè)計 

        快速原型樣件 造型設(shè)計評估 快速原型樣件 虛擬設(shè)計與建模 

        設(shè)計驗證 裝配驗證 快速原型樣件 功能驗證 

        快速原型樣機 樣機鑒定評估 

        快速原型樣機 市場營銷與試銷 

        快速原型樣件 模具制造 

        批量生產(chǎn)  

        以下是某企業(yè)利用FreeForm和快速原型技術(shù)進行一款玩具開發(fā)的實例。經(jīng)過市場調(diào)查和企業(yè)內(nèi)

        部討論后，設(shè)計師初步形成了這款玩具的概念原型，并采用FreeForm進行快速表達。設(shè)計師在FreeForm系統(tǒng)中先勾勒所需“黏土”的大致形狀，然后使用FreeForm的二維草圖繪制工具，握著電子筆快速準確地繪制二維草圖。通過操作電子筆的運動，使虛擬的雕刻刀去刮、削或長出素材來以獲得產(chǎn)品的詳細特征，并進行“肌肉”的雕刻。完成模型的制作后，就可進行渲染與動畫，并用STL格式輸出。模型的制作過程見圖4所示。 

        這樣一個任務(wù)玩具的玩性比較復(fù)雜，其建模工作如果在傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中進行，就將是一個復(fù)雜而繁瑣的工作，并且由于傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的種種限制，產(chǎn)品的3D模型很可能不能建立。但是，在FreeForm系統(tǒng)中，這個模型的建立僅需數(shù)十分鐘。由此可見，使用FreeForm進行設(shè)計的方便和快捷。，有著其他CAD系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢和無法替代的便捷。 

        通過FreeForm系統(tǒng)快速設(shè)計出產(chǎn)品模型后，為了更直觀地對設(shè)計模型進行設(shè)計評價和分析，需要產(chǎn)品的物理模型進行。由于該產(chǎn)品外形復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的模型制造方法將費工費時，而且不一定與電子模型很好地吻合。而采用快速原型技術(shù)快速制造出的玩具模型只需要半天時間，而且由于FreeForm和快速原型技術(shù)都支持STL數(shù)據(jù)格式，因此很好地再現(xiàn)設(shè)計模型。這樣，就可幫助設(shè)計師進行設(shè)計評價，以快速確定設(shè)計方案，實現(xiàn)快速定型。由于有實實在在的產(chǎn)品樣機，可以通過營銷手段，實現(xiàn)快速營銷。在任務(wù)人物玩具的制造階段，通過FreeForm系統(tǒng)和快速原型技術(shù)快速地設(shè)計開發(fā)出汽車外形模具，利用快速原型技術(shù)制造出汽車外形原型作為母模，澆注硅橡膠模具，從而實現(xiàn)批量生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。這種方法制作模具的時間僅僅需要2—3天即可完成，而采傳統(tǒng)的模具制造方法則最少也要10天以上時間，而且精度不一定能滿足要求。從人物玩具快速開發(fā)的實例可以看出，采用快速原型技術(shù)和FreeForm虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式，可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，這是傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)遠遠達不到的。 

        FreeForm系統(tǒng)是具有力反饋的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，可以使設(shè)計師的創(chuàng)造靈感得以快速地表達出來，彌補了常用CAD軟件的不足，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。快速原型技術(shù)可以快速地制造出產(chǎn)品的樣件，可實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速設(shè)計、快速定型、快速營銷和快速制造?；贔reeForm系統(tǒng)和快速原型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)模式，制造的產(chǎn)品能很好地再現(xiàn)設(shè)計模型，可以使產(chǎn)品的開發(fā)時間大大縮短，開發(fā)成本和風險大大降低，提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢，加速新產(chǎn)品的開發(fā)速度和成功率。