快速原型

涉及多学科的新型综合制造技术

快速原型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术。80年代后，随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高，然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并对产品设计的可行性作出评估、论证。在市场竞争日趋激烈的今天，时间就是效益。为了提高产品市场竞争力，从产品开发到批量投产的整个过程都迫切要求降低成本和提高速度。快速原型技术的出现，为这一问题的解决提供了有效途径，倍受国内外重视。

简介

原型是指模拟某种产品的原始模型，在其他产业中经常使用。软件开发中的原型是软件的一个早期可运行的版本，它反映了最终系统的重要特性。

快速原型模型又称原型模型，它是增量模型的另一种形式；它是在开发真实系统之前，构造一个原型，在该原型的基础上，逐渐完成整个系统的开发工作。例如，客户需要一个ATM机软件，可以先设计一个仅包含刷卡、密码检测、数据输入和账单打印的原型软件提供给客户，此时还不包括网络处理与数据库存取以及数据应急、故障处理等服务。快速原型模型的第一步是建造一个快速原型，实现客户或未来的用户与系统的交互，用户或客户对原型进行评价，进一步细化待开发软件的需求。通过逐步调整原型使其满足客户的要求，开发人员可以确定客户的真正需求是什么；第二步则在第一步的基础上开发客户满意的软件产品。

思想产生

由于种种原因，在需求分析阶段得到完全、一致、准确、合理的需求说明是很困难的，在获得一组基本需求说明后，就快速地使其“实现”，通过原型反馈，加深对系统的理解，并满足用户基本要求，使用户在试用过程中受到启发，对需求说明进行补充和精确化，消除不协调的系统需求，逐步确定各种需求，从而获得合理、协调一致、无歧义的、完整的、现实可行的需求说明。又把快速原型思想用到软件开发的其他阶段，向软件开发的全过程扩展。即先用相对少的成本，较短的周期开发一个简单的、但可以运行的系统原型向用户演示或让用户试用，以便及早澄清并检验一些主要设计策略，在此基础上再开发实际的软件系统。

基本原理

快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。

该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。

运作方式

由于运用原型的目的和方式不同，在使用原型时也采取不同的策略，有抛弃策略和附加策略。

1、抛弃策略是将原型用于开发过程的某个阶段，促使该阶段的开发结果更加完整、准确、一致、可靠，该阶段结束后，原型随之作废。探索型和实验型就是采用此策略的。

2、附加策略是将原型用于开发的全过程，原型由最基本的核心开始，逐步增加新的功能和新的需求，反复修改反复扩充，最后发展为用户满意的最终系统，演化型快速原型就是采用此策略。

采用何种形式、何种策略运用快速原型主要取决于软件项目的特点、人员素质、可供支持的原型开发工具和技术等，这需要根据实际情况的特点来决定。

开发步骤

快速分析

在分析人员与用户密切配合下，迅速确定系统的基本需求，根据原型所要体现的特征描述基本需求以满足开发原型的需要。

构造原型

在快速分析的基础上，根据基本需求说明尽快实现一个可行的系统。这里要求具有强有力的软件工具的支持，并忽略最终系统在某些细节上的要求，如安全性、坚固性、例外处理等等，主要考虑原型系统能够充分反映所要评价的特性，而暂时删除一切次要内容。

运行原型

这是发现问题、消除误解、开发者与用户充分协调的一个步骤。

评价原型

在运行的基础上，考核评价原型的特性，分析运行效果是否满足用户的愿望，纠正过去交互中的误解与分析中的错误，增添新的要求，并满足因环境变化或用户的新想法引起的系统要求变动，提出全面的修改意见。

修改

根据评价原型的活动结果进行修改。若原型未满足需求说明的要求，说明对需求说明存在不一致的理解或实现方案不够合理，则根据明确的要求迅速修改原型。

加工特点

快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

1、可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。

2、属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。

3、无振动、噪声和切削废料。

4、可实现夜间完全自动化生产。

5、加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

发展历程

快速原型技术概念即RP(Rapid Prototyping Technology)概念的提出可追溯到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，该设想提出后，由丸谷洋二于1984年继续研究，并于1987年进行产品试制。

1988年，美国3D Systems公司率先推出快速原型实用装置—激光立体造型即SLA(Stereo Lithography Apparatus),并以年销售增长率为30%～40%的增幅在世界市场出售。随着扫描振镜性能的提高，以及材料科学和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并于1994年正式进入推广普及阶段。

分类

目前世界上投入应用的快速成形的方法有十多种，主要包括光敏液相固化法(SLA-StereoLithgraphyApparatus)、分层实体制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)、选择性激光烧结(SLS—SelectiveLaser Sintering)、熔化沉积制造(FDM—Fused Deposition Modeling)、固基光敏液相(SGC—Solid GroundCuring)等方法。

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