摘要：通过分析FreeForm和快速原型技术在产品开发中的作用，提出了基于FreeForm和快速原型的快速产品开发模式。通过某人物玩具开发的实际应用，表明该模式可以快速地制造出产品的样件，可实现产品开发的快速设计、快速定型、快速营销和快速制造，产品能很好地再现设计模型，加快了产品的开发速度，开发成本和风险大大降低，加速新产品的开发速度和成功率，提高企业的竞争优势。 

        21世纪是飞速发展的世纪，是无限竞争的世纪，充满着发展的机遇，又充满着严峻的挑战，速度之快，变化之多，让人猝不及防。随着市场的瞬息万变和技术的日新月异，速度正成为企业生死

        [1]存亡的关键。市场需求不断在变化、顾客对品牌的关注度与忠诚度不断在下降，潜在进入者与竞争对手在不断蚕食市场，如果企业不能够根据形势的变化，快速地开发出新产品，那么资金再雄厚的企业也无法生存下去。速度就是生命，时间就是效率，速度已经取代规模成为竞争中的重中之重。

        [2]迅速者胜，迟缓者死，快着通吃，是今天竞争的新规则。 

        现代的设计是充满创意的设计，现代的产品是基于知识的产品。现代的产品开发是速度竞赛的快速产品开发。“工欲善其事，必先利其器”，企业要在市场竞争中取胜，很大程度上取决于所使用的技术和工具。 

        快速原型和FreeForm系统就是快速设计开发的有效工具，催化着设计创意，推动着创新设计的不断提速。本文在对快速原型技术和FreeForm系统进行分析的基础上，构建了基于快速原型和FreeForm的快速产品开发系统，并通过实例说明该系统对加快产品开发速度的作用，以提高制造企业的竞争能力。 

        2 FreeForm 

        常用的三维CAD系统存在无法回避的缺点，即设计者面前只是模型的一个视图，造型设计只停留在平面和视觉的三维上，而无法让人们全方位地“感受”设计；另外，设计师仍然没有从二维的鼠标与键盘上解放出来，在整个设计过程中把大量时间花在模型的表达上，而没有更多的时间去思考和发掘新的创意，在一定程度上使设计成了一种简单的初级模仿，从而限制了设计师的积极与创造性的发挥。 

        FreeForm系统是美国SensAble公司开发的可以从视觉、听觉和触觉上全方位地感受到产品存在

        [3]的虚拟现实系统；在造型设计过程中，不但能够看到、听到计算机屏幕上的数字模型，而且可以“触摸”到这个模型，感受到模型的存在，设计师可以通过力反馈设备上机械式手臂的移动和旋转，

        感受到真实的创作，从而快捷地创造出具有设计灵感和创新思维的产品造型，提高产品开发的设计效率。FreeForm系统及构成简图见图1和图2所示。 

        [4]快速原型（Rapid Prototyping,简称RP）融合了当今计算机、数控、激光、材料和机械等方面最先进的技术发展起来的一种先进的先进制造方法，其采用全新的增长加工法，用一层层的毛坯逐步叠加成产品模型, 无需配置其他工模具，即可直接快速地制造出产品模型。快速原型技术可以制作出形状任意复杂的产品样件和模具，其制造工艺过程几乎与成本和零件几何形状复杂程度无关。在产品设计开发的各个阶段都要用到原型件或样机，传统制造实物样件或样机的方法是采用机加工的方法进行制作，产品形状较复杂时，甚至采用手工制作模型的方法。这种制作实物样件或样机的方法，时间长，成本高，有时模型的精度还较难保证。而快速原型技术制作的模型是基于精确的三维电子模型，精度较高，对形状复杂的产品一样可精确地制作模型样件。这样从产品规划设计、制造、征求用户意见、修改定型、检测、试验、正式生产、营销、运行等环节所需的时间大大减少，从最初阶段的产品设计开始，设计者、制造者和营销人员和用户都能拿到实实在在的样品，或者是小批量生产的试制产品。 

        因此在新产品开发过程中，快速原型技术起到快速设计、快速定性、快速营销和快速制造的作用，从而加速新产品的快速开发，提高新产品上市的速度，带来了新产品快速开发的革命。 

        （1）快速原型的快速设计作用 

        在产品的设计阶段，需要用到产品的模型，使设计意图很快转化为三维实体，以进行设计评价、设计验证、装配实验和功能实验，验证并优化设计方案。如果通过功能实验和装配实验，发现设计缺陷，就可立即修改设计。由于快速原型技术开辟了不用刀具和夹具加工工件的工艺方法，减少了加工工件的装夹工序，而且快速原型技术采用的堆积原理而不是去除加工方法，可以加工制造任意复杂形状的产品，使加工时间大大缩小。因此，快速原型技术可快速地提供设计阶段的产品原型件，促进产品的快速设计。 

        （2）快速原型技术的快速定型作用 

        新产品在开发研制过程中具有高度的不确定性，这种不确定性一方面是机会和挑战，另一方面这种不确定性也意味着可能走旁路，走错路，甚至有失败的风险。在快速原型技术上的新产品的快速定型是基于精确的实物模型的，原型启发就是捕捉灵感，抓住机遇、排除风险的重要途径，尤其在捕捉灵感方面，有很大作用。快速原型样件这种立体语言不需任何讲解、说明，仅靠自身的立体形象，就能够客观地真实地从各个方向、各种角度、各种位置表现出产品的信息，实现产品与消费者的对接，促进产品的快速定型。 

        （3）快速原型技术的快速制造作用 

        经过快速设计和快速定型的的产品，需要通过批量制造才能投放市场。虽然快速原型制造有很多优点，但目前的技术条件，作为零件用于实际生产受到一定的限制，而且原型的制造成本高，不适合批量生产。只有通过制造出产品的模具，利用模具进行批量生产，才能降低制造成本。因此，模具的生产加工时间直接影响了产品投放市场的快速性。传统的模具制造因其工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。应用快速原型技术可以解决模具制造的快速要求，即快速制模，实现最终零件或产品的快速制造。 

        （4）快速原型的快速营销作用 

        利用快速原型技术快速制造的新产品可提供个性化服务和技术指导，可以借助快速原型件，征求客户意见，进行个性化设计，满足特殊要求，实现新产品的快速营销。 

        4FreeForm 

        在进行产品设计时，设计师与FreeForm系统可以进行直观的交互式设计，使设计师操作起来就如同真的拿着刻刀进行雕刻一样，感觉到操作物体的存在，感觉到物体表面的纹理，感觉到模型对刻刀的阻力，解除了鼠标和键盘对人的束缚。reeForm自然的操作方式可刺激设计师产生富有创意的思想，得到具有新颖的、具有创新性的产品模型，支持产品的快速设计。快速原型技术可实现产品开发过程的快速设计、快速定型、快速营销和快速制造。 

        FreeForm虚拟现实系统是先进的产品设计手段，它和快速原型技术都支持同一种数据格式，即STL数据格式，这样不会造成数据丢失，可实现无缝链接。即从FreeForm系统中的电子模型转到快速原型制造系统中时，产品的数据信息不会出现丢失，快速原型制造出的原型件能很好地再现设计模型。因此，在产品开发过程中，将快速原型技术和FreeForm虚拟现实系统相结合，可实现产品的快速开发，可大大提高产品的开发速度，使设计师的创意在很短的时间内就可变为产品 

        图3是基于快速原型技术和FreeForm系统的快速产品开发流程示意图。在产品开发的各阶段，快速原型样件或样机可帮助设计师利用FreeForm系统实现产品的快速设计、快速定型，并实现销售的快速营销，最终实现快速制造。 

        总体方案设计 

        市场 

        信息 产品造型设计 

        快速原型样件 造型设计评估 快速原型样件 虚拟设计与建模 

        设计验证 装配验证 快速原型样件 功能验证 

        快速原型样机 样机鉴定评估 

        快速原型样机 市场营销与试销 

        快速原型样件 模具制造 

        批量生产  

        以下是某企业利用FreeForm和快速原型技术进行一款玩具开发的实例。经过市场调查和企业内

        部讨论后，设计师初步形成了这款玩具的概念原型，并采用FreeForm进行快速表达。设计师在FreeForm系统中先勾勒所需“黏土”的大致形状，然后使用FreeForm的二维草图绘制工具，握着电子笔快速准确地绘制二维草图。通过操作电子笔的运动，使虚拟的雕刻刀去刮、削或长出素材来以获得产品的详细特征，并进行“肌肉”的雕刻。完成模型的制作后，就可进行渲染与动画，并用STL格式输出。模型的制作过程见图4所示。 

        这样一个任务玩具的玩性比较复杂，其建模工作如果在传统的CAD系统中进行，就将是一个复杂而繁琐的工作，并且由于传统CAD系统的种种限制，产品的3D模型很可能不能建立。但是，在FreeForm系统中，这个模型的建立仅需数十分钟。由此可见，使用FreeForm进行设计的方便和快捷。，有着其他CAD系统无法比拟的优势和无法替代的便捷。 

        通过FreeForm系统快速设计出产品模型后，为了更直观地对设计模型进行设计评价和分析，需要产品的物理模型进行。由于该产品外形复杂，采用传统的模型制造方法将费工费时，而且不一定与电子模型很好地吻合。而采用快速原型技术快速制造出的玩具模型只需要半天时间，而且由于FreeForm和快速原型技术都支持STL数据格式，因此很好地再现设计模型。这样，就可帮助设计师进行设计评价，以快速确定设计方案，实现快速定型。由于有实实在在的产品样机，可以通过营销手段，实现快速营销。在任务人物玩具的制造阶段，通过FreeForm系统和快速原型技术快速地设计开发出汽车外形模具，利用快速原型技术制造出汽车外形原型作为母模，浇注硅橡胶模具，从而实现批量生产，实现产品的快速制造。这种方法制作模具的时间仅仅需要2—3天即可完成，而采传统的模具制造方法则最少也要10天以上时间，而且精度不一定能满足要求。从人物玩具快速开发的实例可以看出，采用快速原型技术和FreeForm虚拟现实系统的产品开发模式，可大大缩短产品的开发时间，这是传统产品开发远远达不到的。 

        FreeForm系统是具有力反馈的虚拟现实设备，可以使设计师的创造灵感得以快速地表达出来，弥补了常用CAD软件的不足，有助于实现产品的创新设计。快速原型技术可以快速地制造出产品的样件，可实现产品开发的快速设计、快速定型、快速营销和快速制造。基于FreeForm系统和快速原型技术的产品开发模式，制造的产品能很好地再现设计模型，可以使产品的开发时间大大缩短，开发成本和风险大大降低，提高企业的竞争优势，加速新产品的开发速度和成功率。