電(diàn)子硬件产品原型设计的基本指南

2021-07-26

電(diàn)子硬件产品原型设计的基本指南

一种新(xīn)的消费产品在准备好进行大规模制造之前将经历多(duō)次原型迭代。我将教你确切地了解每个原型版本应该學(xué)习什么。将您的電(diàn)子产品推向市场的每个阶段都有(yǒu)不同的原型要求。不幸的是，没有(yǒu)单一的原型足以将商(shāng)业产品一路推向市场。无论计算机辅助设计变得多(duō)么先进，您的新(xīn)产品在准备好进行大规模制造之前都需要多(duō)次原型迭代。

為(wèi)您的产品设计原型就是學(xué)习。每次创建原型版本时，您都会或至少应该學(xué)习新(xīn)的东西。始终从最简单、最便宜的方式开始制作产品原型。然后，随着每个原型迭代，您应该越来越接近生产质量的原型。在原型设计的早期阶段，最好将您的产品分(fēn)成不同类型的原型，每个原型都有(yǒu)自己的目标。

概念验证 (POC) 原型

概念验证 (POC) 原型，顾名思义，是用(yòng)于证明产品基本概念的早期原型。POC 原型的功能(néng)很(hěn)少与最终产品完全相同，而且看起来永遠(yuǎn)不会像最终产品。它只有(yǒu)一个目标——以尽可(kě)能(néng)低的成本证明产品的基本概念。

对于大多(duō)数電(diàn)子硬件产品，POC 原型将建立在電(diàn)子开发套件上，例如 Arduino 或 Raspberry Pi。大多(duō)数電(diàn)子产品需要微控制器或微处理(lǐ)器。Arduino系列开发套件基于微控制器，Raspberry Pi和BeagleBone基于微处理(lǐ)器。概念验证原型通常仅用(yòng)于确定新(xīn)产品创意的实用(yòng)性；客户很(hěn)少会看到它。如果您对您的产品是否能(néng)够真正解决预期问题有(yǒu)基本的疑问，那么创建一个最有(yǒu)意义。

图 1：POC 原型由现成的组件构建，通常基于 Arduino 或 Raspberry Pi。

如果有(yǒu)多(duō)种方法可(kě)以解决目标问题，但您不确定哪种解决方案最好，那么这个原型可(kě)以提供很(hěn)多(duō)有(yǒu)价值的见解。POC 原型比定制 PCB 更能(néng)确定基本解决方案选项等基本问题。如果您有(yǒu)技术头脑，您可(kě)以使用(yòng) Arduino 或 Raspberry Pi 创建您自己的原型。如果您不具备创建自己的 POC 原型的技能(néng)，和/或您对解决方案的可(kě)行性没有(yǒu)重大疑问，最好完全跳过 POC 原型。

大多(duō)数大型科(kē)技公司绕过 POC 阶段，主要是因為(wèi)从生产版本开始，这是一种更快的上市途径。大公司也有(yǒu)更多(duō)的钱，所以他(tā)们可(kě)以走普通初创公司无法承受的昂贵捷径。

一些设计工程师还对 POC 原型的概念嗤之以鼻，因為(wèi)他(tā)们知道它们很(hěn)少与最终生产版本相似。但是，如果您对解决方案有(yǒu)基本问题或疑虑，并且预算有(yǒu)限，那么创建 POC 原型是值得的。缺点是它增加了将产品推向市场所需的时间。

看起来像原型

一个常见的策略是将产品的外观和感觉与功能(néng)分(fēn)开。这些被称為(wèi)类似外观的原型和类似作品的原型。

外观原型专注于优化产品的外观、感觉、形式和美感。对于此原型，您将使用(yòng)原型制作技术，例如泡沫、粘土、3D 打印、CNC 加工以及最终的注塑成型。

在為(wèi)新(xīn)产品设计原型时，您应该将产品的外观与产品的功能(néng)分(fēn)开。

图 2：3D 打印是制作外观原型的最常用(yòng)方法，但不应忽视 CNC 加工，甚至是粘土和泡沫等简单选项。

虽然它们可(kě)能(néng)看起来过于简单，但不要忽视泡沫和粘土等旧技术，它们在开始阶段非常有(yǒu)用(yòng)。这两种“技术”都可(kě)以让你快速、廉价地将一个概念转化為(wèi)你可(kě)以握在手中的东西。使用(yòng)泡沫或粘土可(kě)能(néng)是试验产品尺寸、形状和感觉的最便宜和最简单的方法。

用(yòng)我自己的電(diàn)子产品，我最早的原型是用(yòng)粘土做的。这些粘土模型给了我关于产品在用(yòng)户手中的实际感觉的重要反馈。从粘土原型开始还可(kě)以减少升级到 3D 打印时所需的原型迭代次数。总是从最简单、最便宜的原型设计方法开始。在迁移到更高级的原型制作技术之前，尽可(kě)能(néng)多(duō)地从低成本原型中學(xué)习。

随着您在原型技术层次结构中向上工作，您会发现设计更改的实施变得越来越复杂。粘土原型易于更改，3D 打印原型的修改复杂/昂贵，而注塑原型的升级最复杂。所以最重要的是，在升级原型之前，让事情变得简单并尽可(kě)能(néng)多(duō)地學(xué)习。

3D 打印：3D 打印是一种增材成型工艺，可(kě)添加材料以创建所需的形状。术语 3D 打印是一个广泛使用(yòng)的术语，实际上是指各种原型技术。让我们更深入地看一下这三种类型的 3D 打印机：

熔融沉积建模 (FDM)：这是最实惠的 3D 打印方法，因此是家用(yòng) 3D 打印机最常用(yòng)的技术。这项技术可(kě)以生产具有(yǒu)适度细节的原型。FDM 打印机的工作原理(lǐ)是将塑料送入加热喷嘴。材料逐层熔化并沉积，每一层都与下面的层融合。FDM 打印机的细节有(yǒu)限，因此 SLA 打印机是复杂原型的更好选择。

立體(tǐ)光刻 (SLA)：SLA 是一种成本更高的工艺，主要用(yòng)于高端家用(yòng) 3D 打印机和专业原型店(diàn)。这种类型的 3D 打印机通过用(yòng)光固化树脂来工作。光線(xiàn)在称為(wèi)光聚合的过程中逐层硬化液态树脂。SLA 是一种非常精确的 3D 打印方法，可(kě)以制造具有(yǒu)许多(duō)精细细节的零件。SLA 打印机还可(kě)以生产出更坚固的原型，因為(wèi)这些层是通过化學(xué)方式结合在一起的。SLA 打印机生产的原型往往比 FDM 打印机创建的原型看起来更专业。许多(duō)企业家的一个好策略是購(gòu)买低成本、基于 FDM 的 3D 打印机来生产早期原型。一旦 3D 打印原型的外观和强度变得更加重要，您就可(kě)以转而使用(yòng)配备 SLA 打印机的专业原型店(diàn)。

选择性激光烧结 (SLS)：SLS 系统使用(yòng)激光逐层烧结（即硬化）粉末材料以形成所需的形状。SLS 的一大优势是它可(kě)用(yòng)于创建金属原型。请记住，SLS 对于家用(yòng) 3D 打印机来说过于复杂，因此它只是使用(yòng)专业原型公司时的一种选择。

CNC（计算机数控）加工：与增材工艺相反的是减材工艺。顾名思义，减材过程去除材料以形成所需的形状。该过程从一块实心塑料或金属块开始。然后雕刻掉材料以形成最终的雕刻原型。与 3D 打印相比，CNC 加工的主要优势之一是您在使用(yòng)的材料方面具有(yǒu)更大的灵活性。您不仅可(kě)以使用(yòng)塑料或金属创建原型，还可(kě)以选择非常特定的塑料树脂，这些树脂与您将用(yòng)于大规模生产的材料精确匹配。

类似作品的原型

一个类似作品的原型专注于您产品的功能(néng)，对于大多(duō)数電(diàn)子产品来说，这意味着内部電(diàn)子设备。POC 原型可(kě)以被认為(wèi)是类工程原型的早期版本，但现在是从 POC 原型跳到生产级、类工程原型的时候了。这意味着放弃使用(yòng)像 Arduino 这样的开发套件。您现在需要开发定制的印刷電(diàn)路板 (PCB) 来固定和连接您产品的所有(yǒu)分(fēn)立電(diàn)子元件。

图 3：与使用(yòng)现成组件制作 POC 所需的技能(néng)相比，开发定制 PCB 的技术技能(néng)有(yǒu)了巨大的飞跃。

為(wèi)类似作品的原型开发定制 PCB 需要丰富的工程设计经验。如果您有(yǒu)幸拥有(yǒu)这些技能(néng)，那么您将节省数千美元的开发费用(yòng)。工程师的成本很(hěn)高，而这种定制 PCB 的开发通常是您将面临的最昂贵的开发成本。

電(diàn)子产品原型设计：

您如何开始对产品的電(diàn)子元件进行原型设计取决于您要回答(dá)的问题。每次创建新(xīn)原型时，您都应该有(yǒu)明确定义的问题，原型应该回答(dá)这些问题。如果您对您的产品是否会起作用(yòng)，或者它是否会解决预期问题有(yǒu)广泛的疑问，那么您应该已经开始使用(yòng)基于开发套件（例如 Arduino 或 Raspberry Pi）的早期类似作品的原型。

如果您的产品功能(néng)没有(yǒu)大问题，那么您可(kě)能(néng)应该直接设计定制 PCB。大多(duō)数开发产品的大公司都是从定制 PCB 开始的。这是最快的上市途径，虽然可(kě)能(néng)不是最便宜的。定制 PCB 的原型设计包括两个步骤：生产裸 PCB 和焊接所有(yǒu)组件。我们将分(fēn)别讨论每个过程。

虽然有(yǒu)在家生产自己的 PCB 的技术，但它们仅限于简单的设计。因此，您很(hěn)可(kě)能(néng)需要将 PCB 原型生产外包。假设您不制造和组装自己的 PCB 板，您将使用(yòng)相同的过程来生产原型板，以及大批量制造您的板。

PCB生产归纳為(wèi)以下几个步骤：

该过程从由编织玻璃环氧树脂制成的层压芯开始。它用(yòng)作导電(diàn)层之间的绝缘體(tǐ)，并為(wèi)電(diàn)路板提供物(wù)理(lǐ)强度。

单面板由一个叠层核心和一侧的铜层组成。双面板由一个层压芯组成，每侧都有(yǒu)铜层。多(duō)层板由交替的铜层与层压芯层的堆叠组成。大多(duō)数電(diàn)路板将使用(yòng)两层、四层、六层或八层导電(diàn)层。

每个导電(diàn)铜层的布局设计都用(yòng)激光绘制在薄膜上，并应用(yòng)光敏化學(xué)“抗蚀剂”。然后将铜层暴露于穿透薄膜的高强度紫外線(xiàn)下。这种光使任何铜迹線(xiàn)和焊盘上的抗蚀剂层变硬。

然后通过化學(xué)溶液处理(lǐ)铜层，去除任何未被紫外線(xiàn)硬化的抗蚀剂层。这仅在所需的铜迹線(xiàn)和焊盘上留下硬化的抗蚀剂材料。然后使用(yòng)另一种化學(xué)品去除未被抗蚀剂覆盖的任何暴露的铜。然后去除硬化的抗蚀剂层，只留下所需的铜以形成迹線(xiàn)和焊盘。

接下来使用(yòng)层压工艺将所有(yǒu)层粘合在一起以形成堆叠的 PCB。

在 PCB 堆叠上钻孔以形成用(yòng)于连接不同层上的信号的通孔。通孔组件的任何孔也被钻孔。但是，通常最好只使用(yòng)表面贴装技术 (SMT) 组件来最大限度地降低焊接成本。

接下来将铜沉积在所有(yǒu)暴露的金属表面上，包括任何孔的内壁。额外的铜電(diàn)镀到所有(yǒu)暴露的铜表面。

现在裸PCB已完成，下一步是放置和焊接所有(yǒu)電(diàn)子元件。被称為(wèi)拾放机的机器人设备使用(yòng)真空系统来拾取元件并将它们精确地放置在 PCB 上。焊膏（焊料和助焊剂的粘性混合物(wù)）用(yòng)于临时固定零件。

最后，電(diàn)路板通过回流炉以熔化焊膏，并在元件和 PCB 焊盘之间形成永久的電(diàn)气连接。

工程样机

工程原型（有(yǒu)时也称為(wèi)类似作品的外观原型）是第一次将外观和功能(néng)结合在一个原型中。一旦你有(yǒu)了一个工程原型，你就终于有(yǒu)足够质量的东西向客户和投资者展示了。

图 4 - 工程原型将类似作品和类似外观的设计合并為(wèi)一个原型。

这是寻求外部投资者变得更加实际的时候。到了这个阶段，您已经克服了大部分(fēn)工程和制造风险。投资者显然喜欢这种风险的降低。

对于我自己的硬件产品，我自己资助了这个阶段的产品开发。我用(yòng)我的原型让一家大型的全國(guó)零售商(shāng)对我的产品感兴趣。从那里，我利用(yòng)这一成功找到了愿意為(wèi)剩余原型阶段提供资金的制造商(shāng)。

工程原型接近量产原型，但仍未经过测试或准备进行批量生产。

预生产原型

这是一个外观相似的原型，已针对制造进行了优化。这与您的客户将看到的最终产品非常接近。在大多(duō)数情况下，如果产品将通过零售店(diàn)销售，它还应包括零售包装。

尽管预生产原型的外观和功能(néng)可(kě)能(néng)与类似作品的原型非常相似，但关键的區(qū)别在于可(kě)制造性。在产品开发过程中，许多(duō)企业家低估了从原型迁移到可(kě)以高效制造的产品所需的工作。制作几个原型与制造数百万个单元完全不同。在大多(duō)数情况下，需要大量额外的设计工作来准备大规模制造的设计。

例如，在对产品外壳进行原型制作时通常会使用(yòng) 3D 打印或 CNC 加工。对于大规模制造，高压注射成型将是用(yòng)于生产外壳的技术。

3D 打印和 CNC 加工是非常宽容的技术，您可(kě)以制作几乎任何可(kě)以想象的塑料形状的原型。注射成型不是这种情况。注塑成型有(yǒu)非常严格的生产要求。完成 3D 打印原型后，有(yǒu)必要进一步升级注塑成型设计。

注塑成型：3D 打印非常适合生产数十个零件。然而，生产成百上千个零件是不切实际的。最终，注塑成型对于大量生产您的产品外壳是必要的。毫不奇怪，注塑过程从创建模具开始。模具由金属加工而成，金属的硬度决定了模具的使用(yòng)寿命和成本。

对于原型制作或早期生产，铝模具通常是最佳选择。铝制模具的成本通常為(wèi)几千美元，最多(duō)可(kě)生产约 10,000 个零件。当热的熔融塑料在高压下注入模具时，模具形成两半。為(wèi)了在零件中产生精细的细节，高压是必要的。一旦塑料冷却并固化，就打开模具并取出零件。

大多(duō)数设计都需要进行重大修改，以便為(wèi)注塑做好准备。确保设计您的外壳的人了解注塑成型，否则您最终可(kě)能(néng)会得到可(kě)以进行原型制作但不能(néng)大批量生产的产品。达到拥有(yǒu)功能(néng)齐全、工作正常、外观相似的原型是一项巨大的成就，所以一旦你达到这个里程碑，请拍拍自己的后背！

但是不要太兴奋……从原型到大规模制造的过渡是将新(xīn)硬件产品推向市场的最被低估的步骤之一。

工程验证测试 (EVT)

一旦您完成了工程原型，就可(kě)以开始对其进行测试以验证它是否完全按照规定工作。

图 5 - EVT 阶段的目标是证明您的产品设计满足功能(néng)、性能(néng)和可(kě)靠性要求。

此测试的第一阶段称為(wèi)工程验证测试 (EVT)。此测试阶段的重点是電(diàn)子产品。通常在 EVT 期间将测试 10-50 个单元。EVT 将包括测试基本功能(néng)，但也会进行各种压力测试以确保没有(yǒu)隐藏的问题。这包括功率、热和 EMI 测试。EVT 的目标是验证您的原型是否满足功能(néng)、性能(néng)和可(kě)靠性规范。

设计验证测试 (DVT)

设计验证测试 (DVT) 是最复杂的阶段之一。其目标是确保产品符合任何必要的外观和环境规范。与 EVT 阶段相比，需要的单元数量要多(duō)得多(duō)，通常為(wèi) 50-200 个单元。这些装置将经过非常严格的测试，包括跌落、防火和防水测试。验证产品是否足够耐用(yòng)以承受日常使用(yòng)是设计验证测试的主要目标之一。这通常也是获得電(diàn)气认证的阶段。这包括 FCC、CE、UL 和 RoHS 等认证。由于获得必要的電(diàn)气认证所需的成本和时间，该过程通常会延迟到 DVT 阶段。这是為(wèi)了确保在认证测试开始后不需要其他(tā)设计更改。当然，如果在认证测试过程中发现任何问题，则可(kě)能(néng)需要修改设计以进行纠正。

生产验证和测试 (PVT)

PVT 阶段将是您的第一次正式生产运行。您将建立一条中试生产線(xiàn)，优先考虑优化您的生产过程。此处的重点将是通过优化生产線(xiàn)来提高废品率、装配时间和质量控制流程，而不是通过进一步更改产品设计（除非发现严重的设计问题）。几百台的小(xiǎo)试生产运行是典型的，如果没有(yǒu)发现问题，这些可(kě)能(néng)是您可(kě)以出售的第一台设备！