電子硬件產(chǎn)品原型設計的基本指南

2021-07-26

電子硬件產(chǎn)品原型設計的基本指南

一種新的消費產(chǎn)品在準備好進(jìn)行大規模制造之前將經(jīng)歷多次原型迭代。我將教你確切地了解每個(gè)原型版本應該學(xué)習什么。將您的電子產(chǎn)品推向市場(chǎng)的每個(gè)階段都有不同的原型要求。不幸的是，沒(méi)有單一的原型足以將商業(yè)產(chǎn)品一路推向市場(chǎng)。無(wú)論計算機輔助設計變得多么先進(jìn)，您的新產(chǎn)品在準備好進(jìn)行大規模制造之前都需要多次原型迭代。

為您的產(chǎn)品設計原型就是學(xué)習。每次創(chuàng )建原型版本時(shí)，您都會(huì )或至少應該學(xué)習新的東西。始終從最簡(jiǎn)單、最便宜的方式開(kāi)始制作產(chǎn)品原型。然后，隨著(zhù)每個(gè)原型迭代，您應該越來(lái)越接近生產(chǎn)質(zhì)量的原型。在原型設計的早期階段，最好將您的產(chǎn)品分成不同類(lèi)型的原型，每個(gè)原型都有自己的目標。

概念驗證 (POC) 原型

概念驗證 (POC) 原型，顧名思義，是用于證明產(chǎn)品基本概念的早期原型。POC 原型的功能很少與最終產(chǎn)品完全相同，而且看起來(lái)永遠不會(huì )像最終產(chǎn)品。它只有一個(gè)目標——以盡可能低的成本證明產(chǎn)品的基本概念。

對于大多數電子硬件產(chǎn)品，POC 原型將建立在電子開(kāi)發(fā)套件上，例如 Arduino 或 Raspberry Pi。大多數電子產(chǎn)品需要微控制器或微處理器。Arduino系列開(kāi)發(fā)套件基于微控制器，Raspberry Pi和BeagleBone基于微處理器。概念驗證原型通常僅用于確定新產(chǎn)品創(chuàng )意的實(shí)用性；客戶(hù)很少會(huì )看到它。如果您對您的產(chǎn)品是否能夠真正解決預期問(wèn)題有基本的疑問(wèn)，那么創(chuàng )建一個(gè)最有意義。

圖 1：POC 原型由現成的組件構建，通?；?span> Arduino 或 Raspberry Pi。

如果有多種方法可以解決目標問(wèn)題，但您不確定哪種解決方案最好，那么這個(gè)原型可以提供很多有價(jià)值的見(jiàn)解。POC 原型比定制 PCB 更能確定基本解決方案選項等基本問(wèn)題。如果您有技術(shù)頭腦，您可以使用 Arduino 或 Raspberry Pi 創(chuàng )建您自己的原型。如果您不具備創(chuàng )建自己的 POC 原型的技能，和/或您對解決方案的可行性沒(méi)有重大疑問(wèn)，最好完全跳過(guò) POC 原型。

大多數大型科技公司繞過(guò) POC 階段，主要是因為從生產(chǎn)版本開(kāi)始，這是一種更快的上市途徑。大公司也有更多的錢(qián)，所以他們可以走普通初創(chuàng )公司無(wú)法承受的昂貴捷徑。

一些設計工程師還對 POC 原型的概念嗤之以鼻，因為他們知道它們很少與最終生產(chǎn)版本相似。但是，如果您對解決方案有基本問(wèn)題或疑慮，并且預算有限，那么創(chuàng )建 POC 原型是值得的。缺點(diǎn)是它增加了將產(chǎn)品推向市場(chǎng)所需的時(shí)間。

看起來(lái)像原型

一個(gè)常見(jiàn)的策略是將產(chǎn)品的外觀(guān)和感覺(jué)與功能分開(kāi)。這些被稱(chēng)為類(lèi)似外觀(guān)的原型和類(lèi)似作品的原型。

外觀(guān)原型專(zhuān)注于優(yōu)化產(chǎn)品的外觀(guān)、感覺(jué)、形式和美感。對于此原型，您將使用原型制作技術(shù)，例如泡沫、粘土、3D 打印、CNC 加工以及最終的注塑成型。

在為新產(chǎn)品設計原型時(shí)，您應該將產(chǎn)品的外觀(guān)與產(chǎn)品的功能分開(kāi)。

圖 2：3D 打印是制作外觀(guān)原型的最常用方法，但不應忽視 CNC 加工，甚至是粘土和泡沫等簡(jiǎn)單選項。

雖然它們可能看起來(lái)過(guò)于簡(jiǎn)單，但不要忽視泡沫和粘土等舊技術(shù)，它們在開(kāi)始階段非常有用。這兩種“技術(shù)”都可以讓你快速、廉價(jià)地將一個(gè)概念轉化為你可以握在手中的東西。使用泡沫或粘土可能是試驗產(chǎn)品尺寸、形狀和感覺(jué)的最便宜和最簡(jiǎn)單的方法。

用我自己的電子產(chǎn)品，我最早的原型是用粘土做的。這些粘土模型給了我關(guān)于產(chǎn)品在用戶(hù)手中的實(shí)際感覺(jué)的重要反饋。從粘土原型開(kāi)始還可以減少升級到 3D 打印時(shí)所需的原型迭代次數?？偸菑淖詈?jiǎn)單、最便宜的原型設計方法開(kāi)始。在遷移到更高級的原型制作技術(shù)之前，盡可能多地從低成本原型中學(xué)習。

隨著(zhù)您在原型技術(shù)層次結構中向上工作，您會(huì )發(fā)現設計更改的實(shí)施變得越來(lái)越復雜。粘土原型易于更改，3D 打印原型的修改復雜/昂貴，而注塑原型的升級最復雜。所以最重要的是，在升級原型之前，讓事情變得簡(jiǎn)單并盡可能多地學(xué)習。

3D 打?。?span>3D 打印是一種增材成型工藝，可添加材料以創(chuàng )建所需的形狀。術(shù)語(yǔ) 3D 打印是一個(gè)廣泛使用的術(shù)語(yǔ)，實(shí)際上是指各種原型技術(shù)。讓我們更深入地看一下這三種類(lèi)型的 3D 打印機：

熔融沉積建模 (FDM)：這是最實(shí)惠的 3D 打印方法，因此是家用 3D 打印機最常用的技術(shù)。這項技術(shù)可以生產(chǎn)具有適度細節的原型。FDM 打印機的工作原理是將塑料送入加熱噴嘴。材料逐層熔化并沉積，每一層都與下面的層融合。FDM 打印機的細節有限，因此 SLA 打印機是復雜原型的更好選擇。

立體光刻 (SLA)：SLA 是一種成本更高的工藝，主要用于高端家用 3D 打印機和專(zhuān)業(yè)原型店。這種類(lèi)型的 3D 打印機通過(guò)用光固化樹(shù)脂來(lái)工作。光線(xiàn)在稱(chēng)為光聚合的過(guò)程中逐層硬化液態(tài)樹(shù)脂。SLA 是一種非常精確的 3D 打印方法，可以制造具有許多精細細節的零件。SLA 打印機還可以生產(chǎn)出更堅固的原型，因為這些層是通過(guò)化學(xué)方式結合在一起的。SLA 打印機生產(chǎn)的原型往往比 FDM 打印機創(chuàng )建的原型看起來(lái)更專(zhuān)業(yè)。許多企業(yè)家的一個(gè)好策略是購買(mǎi)低成本、基于 FDM 的 3D 打印機來(lái)生產(chǎn)早期原型。一旦 3D 打印原型的外觀(guān)和強度變得更加重要，您就可以轉而使用配備 SLA 打印機的專(zhuān)業(yè)原型店。

選擇性激光燒結 (SLS)：SLS 系統使用激光逐層燒結（即硬化）粉末材料以形成所需的形狀。SLS 的一大優(yōu)勢是它可用于創(chuàng )建金屬原型。請記住，SLS 對于家用 3D 打印機來(lái)說(shuō)過(guò)于復雜，因此它只是使用專(zhuān)業(yè)原型公司時(shí)的一種選擇。

CNC（計算機數控）加工：與增材工藝相反的是減材工藝。顧名思義，減材過(guò)程去除材料以形成所需的形狀。該過(guò)程從一塊實(shí)心塑料或金屬塊開(kāi)始。然后雕刻掉材料以形成最終的雕刻原型。與 3D 打印相比，CNC 加工的主要優(yōu)勢之一是您在使用的材料方面具有更大的靈活性。您不僅可以使用塑料或金屬創(chuàng )建原型，還可以選擇非常特定的塑料樹(shù)脂，這些樹(shù)脂與您將用于大規模生產(chǎn)的材料精確匹配。

類(lèi)似作品的原型

一個(gè)類(lèi)似作品的原型專(zhuān)注于您產(chǎn)品的功能，對于大多數電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)內部電子設備。POC 原型可以被認為是類(lèi)工程原型的早期版本，但現在是從 POC 原型跳到生產(chǎn)級、類(lèi)工程原型的時(shí)候了。這意味著(zhù)放棄使用像 Arduino 這樣的開(kāi)發(fā)套件。您現在需要開(kāi)發(fā)定制的印刷電路板 (PCB) 來(lái)固定和連接您產(chǎn)品的所有分立電子元件。

圖 3：與使用現成組件制作 POC 所需的技能相比，開(kāi)發(fā)定制 PCB 的技術(shù)技能有了巨大的飛躍。

為類(lèi)似作品的原型開(kāi)發(fā)定制 PCB 需要豐富的工程設計經(jīng)驗。如果您有幸擁有這些技能，那么您將節省數千美元的開(kāi)發(fā)費用。工程師的成本很高，而這種定制 PCB 的開(kāi)發(fā)通常是您將面臨的最昂貴的開(kāi)發(fā)成本。

電子產(chǎn)品原型設計：

您如何開(kāi)始對產(chǎn)品的電子元件進(jìn)行原型設計取決于您要回答的問(wèn)題。每次創(chuàng )建新原型時(shí)，您都應該有明確定義的問(wèn)題，原型應該回答這些問(wèn)題。如果您對您的產(chǎn)品是否會(huì )起作用，或者它是否會(huì )解決預期問(wèn)題有廣泛的疑問(wèn)，那么您應該已經(jīng)開(kāi)始使用基于開(kāi)發(fā)套件（例如 Arduino 或 Raspberry Pi）的早期類(lèi)似作品的原型。

如果您的產(chǎn)品功能沒(méi)有大問(wèn)題，那么您可能應該直接設計定制 PCB。大多數開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的大公司都是從定制 PCB 開(kāi)始的。這是最快的上市途徑，雖然可能不是最便宜的。定制 PCB 的原型設計包括兩個(gè)步驟：生產(chǎn)裸 PCB 和焊接所有組件。我們將分別討論每個(gè)過(guò)程。

雖然有在家生產(chǎn)自己的 PCB 的技術(shù)，但它們僅限于簡(jiǎn)單的設計。因此，您很可能需要將 PCB 原型生產(chǎn)外包。假設您不制造和組裝自己的 PCB 板，您將使用相同的過(guò)程來(lái)生產(chǎn)原型板，以及大批量制造您的板。

PCB生產(chǎn)歸納為以下幾個(gè)步驟：

該過(guò)程從由編織玻璃環(huán)氧樹(shù)脂制成的層壓芯開(kāi)始。它用作導電層之間的絕緣體，并為電路板提供物理強度。

單面板由一個(gè)疊層核心和一側的銅層組成。雙面板由一個(gè)層壓芯組成，每側都有銅層。多層板由交替的銅層與層壓芯層的堆疊組成。大多數電路板將使用兩層、四層、六層或八層導電層。

每個(gè)導電銅層的布局設計都用激光繪制在薄膜上，并應用光敏化學(xué)“抗蝕劑”。然后將銅層暴露于穿透薄膜的高強度紫外線(xiàn)下。這種光使任何銅跡線(xiàn)和焊盤(pán)上的抗蝕劑層變硬。

然后通過(guò)化學(xué)溶液處理銅層，去除任何未被紫外線(xiàn)硬化的抗蝕劑層。這僅在所需的銅跡線(xiàn)和焊盤(pán)上留下硬化的抗蝕劑材料。然后使用另一種化學(xué)品去除未被抗蝕劑覆蓋的任何暴露的銅。然后去除硬化的抗蝕劑層，只留下所需的銅以形成跡線(xiàn)和焊盤(pán)。

接下來(lái)使用層壓工藝將所有層粘合在一起以形成堆疊的 PCB。

在 PCB 堆疊上鉆孔以形成用于連接不同層上的信號的通孔。通孔組件的任何孔也被鉆孔。但是，通常最好只使用表面貼裝技術(shù) (SMT) 組件來(lái)最大限度地降低焊接成本。

接下來(lái)將銅沉積在所有暴露的金屬表面上，包括任何孔的內壁。額外的銅電鍍到所有暴露的銅表面。

現在裸PCB已完成，下一步是放置和焊接所有電子元件。被稱(chēng)為拾放機的機器人設備使用真空系統來(lái)拾取元件并將它們精確地放置在 PCB 上。焊膏（焊料和助焊劑的粘性混合物）用于臨時(shí)固定零件。

最后，電路板通過(guò)回流爐以熔化焊膏，并在元件和 PCB 焊盤(pán)之間形成永久的電氣連接。

工程樣機

工程原型（有時(shí)也稱(chēng)為類(lèi)似作品的外觀(guān)原型）是第一次將外觀(guān)和功能結合在一個(gè)原型中。一旦你有了一個(gè)工程原型，你就終于有足夠質(zhì)量的東西向客戶(hù)和投資者展示了。

圖 4 - 工程原型將類(lèi)似作品和類(lèi)似外觀(guān)的設計合并為一個(gè)原型。

這是尋求外部投資者變得更加實(shí)際的時(shí)候。到了這個(gè)階段，您已經(jīng)克服了大部分工程和制造風(fēng)險。投資者顯然喜歡這種風(fēng)險的降低。

對于我自己的硬件產(chǎn)品，我自己資助了這個(gè)階段的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。我用我的原型讓一家大型的全國零售商對我的產(chǎn)品感興趣。從那里，我利用這一成功找到了愿意為剩余原型階段提供資金的制造商。

工程原型接近量產(chǎn)原型，但仍未經(jīng)過(guò)測試或準備進(jìn)行批量生產(chǎn)。

預生產(chǎn)原型

這是一個(gè)外觀(guān)相似的原型，已針對制造進(jìn)行了優(yōu)化。這與您的客戶(hù)將看到的最終產(chǎn)品非常接近。在大多數情況下，如果產(chǎn)品將通過(guò)零售店銷(xiāo)售，它還應包括零售包裝。

盡管預生產(chǎn)原型的外觀(guān)和功能可能與類(lèi)似作品的原型非常相似，但關(guān)鍵的區別在于可制造性。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，許多企業(yè)家低估了從原型遷移到可以高效制造的產(chǎn)品所需的工作。制作幾個(gè)原型與制造數百萬(wàn)個(gè)單元完全不同。在大多數情況下，需要大量額外的設計工作來(lái)準備大規模制造的設計。

例如，在對產(chǎn)品外殼進(jìn)行原型制作時(shí)通常會(huì )使用 3D 打印或 CNC 加工。對于大規模制造，高壓注射成型將是用于生產(chǎn)外殼的技術(shù)。

3D 打印和 CNC 加工是非常寬容的技術(shù)，您可以制作幾乎任何可以想象的塑料形狀的原型。注射成型不是這種情況。注塑成型有非常嚴格的生產(chǎn)要求。完成 3D 打印原型后，有必要進(jìn)一步升級注塑成型設計。

注塑成型：3D 打印非常適合生產(chǎn)數十個(gè)零件。然而，生產(chǎn)成百上千個(gè)零件是不切實(shí)際的。最終，注塑成型對于大量生產(chǎn)您的產(chǎn)品外殼是必要的。毫不奇怪，注塑過(guò)程從創(chuàng )建模具開(kāi)始。模具由金屬加工而成，金屬的硬度決定了模具的使用壽命和成本。

對于原型制作或早期生產(chǎn)，鋁模具通常是最佳選擇。鋁制模具的成本通常為幾千美元，最多可生產(chǎn)約 10,000 個(gè)零件。當熱的熔融塑料在高壓下注入模具時(shí)，模具形成兩半。為了在零件中產(chǎn)生精細的細節，高壓是必要的。一旦塑料冷卻并固化，就打開(kāi)模具并取出零件。

大多數設計都需要進(jìn)行重大修改，以便為注塑做好準備。確保設計您的外殼的人了解注塑成型，否則您最終可能會(huì )得到可以進(jìn)行原型制作但不能大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。達到擁有功能齊全、工作正常、外觀(guān)相似的原型是一項巨大的成就，所以一旦你達到這個(gè)里程碑，請拍拍自己的后背！

但是不要太興奮……從原型到大規模制造的過(guò)渡是將新硬件產(chǎn)品推向市場(chǎng)的最被低估的步驟之一。

工程驗證測試 (EVT)

一旦您完成了工程原型，就可以開(kāi)始對其進(jìn)行測試以驗證它是否完全按照規定工作。

圖 5 - EVT 階段的目標是證明您的產(chǎn)品設計滿(mǎn)足功能、性能和可靠性要求。

此測試的第一階段稱(chēng)為工程驗證測試 (EVT)。此測試階段的重點(diǎn)是電子產(chǎn)品。通常在 EVT 期間將測試 10-50 個(gè)單元。EVT 將包括測試基本功能，但也會(huì )進(jìn)行各種壓力測試以確保沒(méi)有隱藏的問(wèn)題。這包括功率、熱和 EMI 測試。EVT 的目標是驗證您的原型是否滿(mǎn)足功能、性能和可靠性規范。

設計驗證測試 (DVT)

設計驗證測試 (DVT) 是最復雜的階段之一。其目標是確保產(chǎn)品符合任何必要的外觀(guān)和環(huán)境規范。與 EVT 階段相比，需要的單元數量要多得多，通常為 50-200 個(gè)單元。這些裝置將經(jīng)過(guò)非常嚴格的測試，包括跌落、防火和防水測試。驗證產(chǎn)品是否足夠耐用以承受日常使用是設計驗證測試的主要目標之一。這通常也是獲得電氣認證的階段。這包括 FCC、CE、UL 和 RoHS 等認證。由于獲得必要的電氣認證所需的成本和時(shí)間，該過(guò)程通常會(huì )延遲到 DVT 階段。這是為了確保在認證測試開(kāi)始后不需要其他設計更改。當然，如果在認證測試過(guò)程中發(fā)現任何問(wèn)題，則可能需要修改設計以進(jìn)行糾正。

生產(chǎn)驗證和測試 (PVT)

PVT 階段將是您的第一次正式生產(chǎn)運行。您將建立一條中試生產(chǎn)線(xiàn)，優(yōu)先考慮優(yōu)化您的生產(chǎn)過(guò)程。此處的重點(diǎn)將是通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)提高廢品率、裝配時(shí)間和質(zhì)量控制流程，而不是通過(guò)進(jìn)一步更改產(chǎn)品設計（除非發(fā)現嚴重的設計問(wèn)題）。幾百臺的小試生產(chǎn)運行是典型的，如果沒(méi)有發(fā)現問(wèn)題，這些可能是您可以出售的第一臺設備！