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電子硬件產品原型設計的基本指南
電子硬件產品原型設計的基本指南
一種新的消費產品在準備好進行大規模制造之前將經歷多次原型迭代。我將教你確切地了解每個原型版本應該學習什么。將您的電子產品推向市場的每個階段都有不同的原型要求。不幸的是，沒有單一的原型足以將商業產品一路推向市場。無論計算機輔助設計變得多么先進，您的新產品在準備好進行大規模制造之前都需要多次原型迭代。
為您的產品設計原型就是學習。每次創建原型版本時，您都會或至少應該學習新的東西。始終從最簡單、最便宜的方式開始制作產品原型。然后，隨著每個原型迭代，您應該越來越接近生產質量的原型。在原型設計的早期階段，最好將您的產品分成不同類型的原型，每個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，是用于證明產品基本概念的早期原型。POC 原型的功能很少與最終產品完全相同，而且看起來永遠不會像最終產品。它只有一個目標——以盡可能低的成本證明產品的基本概念。
對于大多數電子硬件產品，POC 原型將建立在電子開發套件上，例如 Arduino 或 Raspberry Pi。大多數電子產品需要微控制器或微處理器。Arduino系列開發套件基于微控制器，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品創意的實用性；客戶很少會看到它。如果您對您的產品是否能夠真正解決預期問題有基本的疑問，那么創建一個最有意義。
圖 1：POC 原型由現成的組件構建，通常基于 Arduino 或 Raspberry Pi。
如果有多種方法可以解決目標問題，但您不確定哪種解決方案最好，那么這個原型可以提供很多有價值的見解。POC 原型比定制 PCB 更能確定基本解決方案選項等基本問題。如果您有技術頭腦，您可以使用 Arduino 或 Raspberry Pi 創建您自己的原型。如果您不具備創建自己的 POC 原型的技能，和/或您對解決方案的可行性沒有重大疑問，最好完全跳過 POC 原型。
大多數大型科技公司繞過 POC 階段，主要是因為從生產版本開始，這是一種更快的上市途徑。大公司也有更多的錢，所以他們可以走普通初創公司無法承受的昂貴捷徑。
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版本相似。但是，如果您對解決方案有基本問題或疑慮，并且預算有限，那么創建 POC 原型是值得的。缺點是它增加了將產品推向市場所需的時間。
看起來像原型
一個常見的策略是將產品的外觀和感覺與功能分開。這些被稱為類似外觀的原型和類似作品的原型。
外觀原型專注于優化產品的外觀、感覺、形式和美感。對于此原型，您將使用原型制作技術，例如泡沫、粘土、3D 打印、CNC 加工以及最終的注塑成型。
在為新產品設計原型時，您應該將產品的外觀與產品的功能分開。
圖 2：3D 打印是制作外觀原型的最常用方法，但不應忽視 CNC 加工，甚至是粘土和泡沫等簡單選項。
雖然它們可能看起來過于簡單，但不要忽視泡沫和粘土等舊技術，它們在開始階段非常有用。這兩種“技術”都可以讓你快速、廉價地將一個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品尺寸、形狀和感覺的最便宜和最簡單的方法。
用我自己的電子產品，我最早的原型是用粘土做的。這些粘土模型給了我關于產品在用戶手中的實際感覺的重要反饋。從粘土原型開始還可以減少升級到 3D 打印時所需的原型迭代次數?？偸菑淖詈唵巍⒆畋阋说脑驮O計方法開始。在遷移到更高級的原型制作技術之前，盡可能多地從低成本原型中學習。
隨著您在原型技術層次結構中向上工作，您會發現設計更改的實施變得越來越復雜。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，讓事情變得簡單并盡可能多地學習。
3D 打?。?span>3D 打印是一種增材成型工藝，可添加材料以創建所需的形狀。術語 3D 打印是一個廣泛使用的術語，實際上是指各種原型技術。讓我們更深入地看一下這三種類型的 3D 打印機：
熔融沉積建模 (FDM)：這是最實惠的 3D 打印方法，因此是家用 3D 打印機最常用的技術。這項技術可以生產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 打印機和專業原型店。這種類型的 3D 打印機通過用光固化樹脂來工作。光線在稱為光聚合的過程中逐層硬化液態樹脂。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 打印機還可以生產出更堅固的原型，因為這些層是通過化學方式結合在一起的。SLA 打印機生產的原型往往比 FDM 打印機創建的原型看起來更專業。許多企業家的一個好策略是購買低成本、基于 FDM 的 3D 打印機來生產早期原型。一旦 3D 打印原型的外觀和強度變得更加重要，您就可以轉而使用配備 SLA 打印機的專業原型店。
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 的一大優勢是它可用于創建金屬原型。請記住，SLS 對于家用 3D 打印機來說過于復雜，因此它只是使用專業原型公司時的一種選擇。
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，減材過程去除材料以形成所需的形狀。該過程從一塊實心塑料或金屬塊開始。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建原型，還可以選擇非常特定的塑料樹脂，這些樹脂與您將用于大規模生產的材料精確匹配。
類似作品的原型
一個類似作品的原型專注于您產品的功能，對于大多數電子產品來說，這意味著內部電子設備。POC 原型可以被認為是類工程原型的早期版本，但現在是從 POC 原型跳到生產級、類工程原型的時候了。這意味著放棄使用像 Arduino 這樣的開發套件。您現在需要開發定制的印刷電路板 (PCB) 來固定和連接您產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，開發定制 PCB 的技術技能有了巨大的飛躍。
為類似作品的原型開發定制 PCB 需要豐富的工程設計經驗。如果您有幸擁有這些技能，那么您將節省數千美元的開發費用。工程師的成本很高，而這種定制 PCB 的開發通常是您將面臨的最昂貴的開發成本。
電子產品原型設計：
您如何開始對產品的電子元件進行原型設計取決于您要回答的問題。每次創建新原型時，您都應該有明確定義的問題，原型應該回答這些問題。如果您對您的產品是否會起作用，或者它是否會解決預期問題有廣泛的疑問，那么您應該已經開始使用基于開發套件（例如 Arduino 或 Raspberry Pi）的早期類似作品的原型。
如果您的產品功能沒有大問題，那么您可能應該直接設計定制 PCB。大多數開發產品的大公司都是從定制 PCB 開始的。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步驟：生產裸 PCB 和焊接所有組件。我們將分別討論每個過程。
雖然有在家生產自己的 PCB 的技術，但它們僅限于簡單的設計。因此，您很可能需要將 PCB 原型生產外包。假設您不制造和組裝自己的 PCB 板，您將使用相同的過程來生產原型板，以及大批量制造您的板。
PCB生產歸納為以下幾個步驟：
該過程從由編織玻璃環氧樹脂制成的層壓芯開始。它用作導電層之間的絕緣體，并為電路板提供物理強度。
單面板由一個疊層核心和一側的銅層組成。雙面板由一個層壓芯組成，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“抗蝕劑”。然后將銅層暴露于穿透薄膜的高強度紫外線下。這種光使任何銅跡線和焊盤上的抗蝕劑層變硬。
然后通過化學溶液處理銅層，去除任何未被紫外線硬化的抗蝕劑層。這僅在所需的銅跡線和焊盤上留下硬化的抗蝕劑材料。然后使用另一種化學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和焊盤。
接下來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 (SMT) 組件來最大限度地降低焊接成本。
接下來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。被稱為拾放機的機器人設備使用真空系統來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）用于臨時固定零件。
最后，電路板通過回流爐以熔化焊膏，并在元件和 PCB 焊盤之間形成永久的電氣連接。
工程樣機
工程原型（有時也稱為類似作品的外觀原型）是第一次將外觀和功能結合在一個原型中。一旦你有了一個工程原型，你就終于有足夠質量的東西向客戶和投資者展示了。
圖 4 - 工程原型將類似作品和類似外觀的設計合并為一個原型。
這是尋求外部投資者變得更加實際的時候。到了這個階段，您已經克服了大部分工程和制造風險。投資者顯然喜歡這種風險的降低。
對于我自己的硬件產品，我自己資助了這個階段的產品開發。我用我的原型讓一家大型的全國零售商對我的產品感興趣。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。
工程原型接近量產原型，但仍未經過測試或準備進行批量生產。
預生產原型
這是一個外觀相似的原型，已針對制造進行了優化。這與您的客戶將看到的最終產品非常接近。在大多數情況下，如果產品將通過零售店銷售，它還應包括零售包裝。
盡管預生產原型的外觀和功能可能與類似作品的原型非常相似，但關鍵的區別在于可制造性。在產品開發過程中，許多企業家低估了從原型遷移到可以高效制造的產品所需的工作。制作幾個原型與制造數百萬個單元完全不同。在大多數情況下，需要大量額外的設計工作來準備大規模制造的設計。
例如，在對產品外殼進行原型制作時通常會使用 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外殼的技術。
3D 打印和 CNC 加工是非常寬容的技術，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要求。完成 3D 打印原型后，有必要進一步升級注塑成型設計。
注塑成型：3D 打印非常適合生產數十個零件。然而，生產成百上千個零件是不切實際的。最終，注塑成型對于大量生產您的產品外殼是必要的。毫不奇怪，注塑過程從創建模具開始。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，鋁模具通常是最佳選擇。鋁制模具的成本通常為幾千美元，最多可生產約 10,000 個零件。當熱的熔融塑料在高壓下注入模具時，模具形成兩半。為了在零件中產生精細的細節，高壓是必要的。一旦塑料冷卻并固化，就打開模具并取出零件。
大多數設計都需要進行重大修改，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，否則您最終可能會得到可以進行原型制作但不能大批量生產的產品。達到擁有功能齊全、工作正常、外觀相似的原型是一項巨大的成就，所以一旦你達到這個里程碑，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渡是將新硬件產品推向市場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，就可以開始對其進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品設計滿足功能、性能和可靠性要求。
此測試的第一階段稱為工程驗證測試 (EVT)。此測試階段的重點是電子產品。通常在 EVT 期間將測試 10-50 個單元。EVT 將包括測試基本功能，但也會進行各種壓力測試以確保沒有隱藏的問題。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。其目標是確保產品符合任何必要的外觀和環境規范。與 EVT 階段相比，需要的單元數量要多得多，通常為 50-200 個單元。這些裝置將經過非常嚴格的測試，包括跌落、防火和防水測試。驗證產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間，該過程通常會延遲到 DVT 階段。這是為了確保在認證測試開始后不需要其他設計更改。當然，如果在認證測試過程中發現任何問題，則可能需要修改設計以進行糾正。
生產驗證和測試 (PVT)
PVT 階段將是您的第一次正式生產運行。您將建立一條中試生產線，優先考慮優化您的生產過程。此處的重點將是通過優化生產線來提高廢品率、裝配時間和質量控制流程，而不是通過進一步更改產品設計（除非發現嚴重的設計問題）。幾百臺的小試生產運行是典型的，如果沒有發現問題，這些可能是您可以出售的第一臺設備！