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那么您想开发一种新的电子硬件产品吗?

让我从好消息开始,您可以开发硬件产品,无论您的技术水平如何,都不必成为一名工程师就可以成功。

无论您是  企业家,初创企业,制造商,发明家还是小型企业,  本指南都将帮助您了解新产品开发过程。

我不会对你说谎。发布新的硬件产品是漫长而艰难的旅程。尽管硬件以其坚硬而闻名,但现在个人和小团队开发新硬件产品也比以往任何时候都容易。

但是,如果您正在寻找一种简单,快捷的赚钱方法,那么我建议您立即停止阅读,因为将新的硬件产品推向市场远非易事或快捷。

尽管此处以线性方式介绍步骤,但是产品开发从来都不是平稳的线性过程,有时您会发现自己向前迈出了两步。

第1部分–简化产品

在我花了多年的时间开发自己的硬件产品,然后帮助其他企业家开发他们的产品的过程中,我学到的最重要的经验教训之一就是您需要尽可能简化产品。

您必须拥护产品简化,以便在不破产的情况下及时地将产品推向市场。

产品复杂性可能成为硬件启动公司的致命陷阱!

大多数企业家,甚至大多数工程师,都不了解各种产品功能的所有后果。似乎是次要功能的添加通常会大大增加您的开发成本和上市时间。

例如,简单的按钮位置操作可能会花费数万人民币,用于生产外壳所需的注塑模具。

另一个例子来自一位企业家,他问我其他专家有关他的产品概念的反馈。

他的技术意识非常强,花了很多时间详细说明他的产品。但是他不了解这些功能对未来的影响。

我们迅速向他解释了为什么他的产品的一个功能将大大增加他的所有成本,包括:开发,原型制作,电气认证和模具成本。

提出了几种更可行的替代解决方案,他有了一个更好的起点。这些变化使他的产品更容易投放市场3倍。总体而言,通过这一更改,他至少节省了50,000美元,也许多达100,000美元!

问题是,除非您了解整个开发和制造过程,否则很难知道所有产品决策的未来含义。

如果您外包产品开发,请注意,请主要开发人员帮助简化您的产品可能会引起利益冲突。您的产品越复杂,他们得到的钱就越多。

相反,请与独立专家合作,以帮助您简化产品并更好地了解早期产品决策的长期影响。

第2部分–产品开发策略

企业家和初创企业开发新硬件产品基本上有五种选择。但是,最好的整体策略通常是这五种发展策略的组合。

如果您不具备正确管理产品开发和判断工作质量的技术知识,则无论您采用哪种开发策略,都必须拥有技术顾问。

该技术顾问可以帮助您做出关键的技术决策,并对主要开发人员进行监督。即使您是一位经验丰富的工程师,聘请一位了解从创意到市场的整个过程的顾问也是非常有益的。

1)自己开发产品

仅靠它本身很少是可行的策略。很少有人会完全依靠自己开发出面向市场的电子产品所需的全部技能。

即使您碰巧是一名工程师,您是否也是电子设计,编程,3D建模,注塑和制造方面的专家?可能不是。同样,这些专业大多数都由众多子专业组成。

话虽如此,如果您具备必要的技能,那么您自己开发产品的越远,您将节省的钱就越多。

例如,大约6年前,我将自己的硬件产品推向市场。机械产品比电气产品复杂。我是经过培训的电子工程师,而不是机械工程师,因此我最初聘请了一些自由机械工程师。

但是,我很快对进展缓慢感到沮丧。毕竟,几乎每个醒来的时候我都在思考我的产品。我着迷于尽可能快地开发产品并投放市场。听起来有点熟?

但是我雇用的工程师正在将其与其他许多项目混为一谈,却没有给予我应有的关注。

因此,我决定自己学习机械设计所需的一切。没有人比我更有动力去开发我的产品并推向市场。最终,我能够更快地完成机械设计(并且花费更少的钱)。

故事的寓意是在技能允许的范围内尽力发展,但也不要太过分。如果您的次级专家技能使您开发的产品不尽人意,那将是一个大错误。

另外,您必须学习的任何新技能都将花费时间,最终可能会延长产品上市时间。始终请专家来填补您的专业知识方面的空白,但请确保始终参与所有关键决策。

2)聘请技术联合创始人

如果您不是技术创始人,那么聘请技术联合创始人绝对是明智的。您的启动团队的一位创始人至少需要对产品开发有足够的了解以管理流程。

如果您打算最终从专业投资者那里寻求外部资金,那么您肯定需要一个创始人团队。专业的创业投资者知道,一个团队的创始人比一个单独的创始人更有可能成功。

对于大多数硬件初创公司而言,理想的联合创始人团队是硬件工程师,程序员和营销人员。

聘请共同创始人听起来像是解决您的问题的完美解决方案,但也存在一些严重的缺点。首先,找到联合创始人很困难,可能会花费大量时间。那是宝贵的时间,没有花在开发产品上。

寻找共同创始人不是您应该着急的事情,您需要花一些时间来找到合适的人选。

他们不仅需要补充您的技能,而且您还真的需要个人喜欢它们。从本质上讲,您将至少与他们结婚几年,因此请确保您相处融洽。

聘请联合创始人的主要弊端是他们减少了您在公司中的股权。公司的所有创始人实际上应该在公司中拥有平等的权益。因此,如果您现在要独奏,请准备将公司的一半股份捐给公司。

3)外包给自由工程师

填补团队技术能力空白的最佳方法之一就是外包给自由工程师。

请记住,大多数产品将需要多个具有不同专业的工程师,因此您需要自己管理各个工程师。最终,创始团队中的某个人将需要担任项目经理。

工程师团队

图1 –开发新的电子产品通常需要一组工程师。

确保找到一位具有设计产品所需电子类型经验的电气工程师。电气工程是一个巨大的研究领域,许多工程师缺乏电路设计经验。

对于3D设计师,请确保您找到了具有注塑技术经验的人员,否则您最终可能会获得可以原型制作但不能批量生产的产品。

4)外包给开发公司

最著名的产品设计公司,例如Frog,IDEO,Fuse Project等,可以生成出色的产品设计,但它们的价格非常昂贵。

初创企业应不惜一切代价避免大型设计公司。顶级设计公司可能会收取50万-100万人民币以上的费用 来全面开发您的新产品。

即使您负担得起聘请昂贵的产品开发公司,也不要这样做!

但是,有很多较小的,鲜为人知的设计公司可以与您合作,以更合理的价格开发您的产品。这些较小的公司的成本通常更接近于雇用自由职业者的成本,同时具有更多的监督和更好的质量程序。

关于与产品设计公司合作的最后一条评论。您必须摒弃这样的错误观念,即您可以在等待时让别人来处理所有开发工作。

那些试图走这条路的人几乎总是被烧毁,并损失大量金钱和时间。您绝对需要参与开发,并且至少要了解开发过程的基础以及所进行的各种设计折衷。

5)与制造商合作

一种寻求途径是与已经生产与您的产品相似的产品的海外制造商合作。

大型制造商将拥有自己的工程和开发部门来开发自己的产品。如果您可以找到已经生产出与您自己产品相似的产品的制造商,那么他们可能能够为您做所有事情-开发,工程,原型制作,模具生产和制造。

此策略可以降低您的前期开发成本。但是,制造商将摊销这些成本,这意味着在首次生产运行时会为每种产品增加额外的成本。从本质上讲,这就像无息贷款一样,使您可以缓慢地将开发成本偿还给制造商。

听起来很棒而且很容易,那么有什么收获呢?使用此策略要考虑的主要风险是,您要将与产品相关的所有内容都放到一家公司中。

他们肯定会想要一份独家制造协议,至少要等到成本收回为止。这意味着当产量增加时,您将无法迁移到更便宜的制造方案。

还请注意,许多制造商可能希望获得您产品的部分或全部知识产权。

第三部分–开发电子产品

为您的产品开发电子产品可以分为七个步骤:初步生产设计,原理图,PCB布局,最终BOM,原型,测试和程序以及最终认证。

步骤1 –建立初步的生产设计

在开发新的电子硬件产品时,您应该首先进行初步的生产设计。请勿将其与概念验证(POC)原型相混淆。

POC原型通常使用Arduino等开发套件构建。有时,它们对于证明您的产品概念可以解决所需的问题很有用。但是POC原型远非生产设计。您很少会在产品中嵌入Arduino的情况下进入市场。

一个初步的生产设计侧重于产品的组件生产,成本,利润空间,性能,功能,开发可行性和可制造性。

您可以使用初步的生产设计来估算产品所需的每一项成本。准确了解开发,原型设计,编程,认证,扩展和制造产品的成本非常重要。

初步的生产设计 将回答以下相关问题。我的产品是否可行开发?我可以负担得起开发该产品吗?开发产品需要多长时间?我可以批量生产产品吗?我可以赚钱卖吗?

许多企业家错误地跳过了初步的生产设计步骤,而是跳入了设计原理图的电路图。

这样一来,您最终可能会发现自己已经花了所有这些努力和来之不易的钱购买了一种无法负担得起的开发,制造或最重要的是无法获利的产品。

步骤1A –系统框图

在创建初步生产设计时,应首先定义系统级框图。该图指定了每个电子功能以及所有功能组件的互连方式。

系统框图

图2 –框图指定了每个功能和系统级连接。

大多数产品需要具有各种组件(显示器,传感器,存储器等)的微控制器或微处理器,这些组件通过各种串行端口与微控制器连接。

通过创建系统框图,您可以轻松识别所需的串行端口的类型和数量。这是为您的产品选择正确的微控制器必不可少的第一步。

步骤1B –选择生产组件

接下来,您必须根据所需的功能和产品的目标零售价格选择各种生产组件:微芯片,传感器,显示器和连接器。然后,您可以创建初步的物料清单(BOM)。

电子元器件

图3:选择生产组件是关键的第一步。

在美国,  NewarkDigikey,  Arrow,  Mouser和  Future  是最受欢迎的电子组件供应商。您可以购买大多数电子组件(用于原型设计和初始测试),也可以购买多达数千个(用于小批量制造)。

一旦达到更高的产量,您将可以直接从制造商那里购买一些组件来节省金钱。

步骤1C –估算生产成本

现在,您应该估算产品的生产成本(或销售成本– COGS)。尽快了解制造您的产品的成本至关重要。

您需要知道产品的制造单位成本,才能确定最佳的销售价格,库存成本,最重要的是您的利润。

电子产品制造

图4 –尽早估算生产成本至关重要。

您选择的生产组件当然会对制造成本产生重大影响。

但是,要获得准确的制造成本估算,您还必须包括PCB组装,最终产品组装,产品测试,零售包装,报废率,退货,物流,关税和仓储的成本。

要获得有关估算制造成本的更多帮助,请务必阅读此博客并查看此(付费)课程

步骤2 –设计原理图

现在是时候根据您在步骤1中创建的系统框图来设计电路原理图了。

电路原理图

图5:电路原理图示例。

示意图显示了从微芯片到电阻器的每个组件如何连接在一起。尽管系统框图主要集中在更高级别的产品功能上,但示意图仅涉及一些小细节。

诸如原理图中组件上的引脚编号错误之类的简单问题可能会导致功能的完全丧失。

在大多数情况下,系统框图的每个模块都需要一个单独的子电路。这些不同的子电路然后将被连接在一起以形成完整的原理图。

专用的电子设计软件用于创建原理图并帮助确保其没有错误。我建议使用 价格合理,功能强大且易于使用的DipTrace软件包  。

其他流行的PCB软件包包括Altium DesignerEagle。但是请注意,它们非常昂贵,最适合设计多种产品的人员。

要获得免费的开源PCB设计工具,还请务必查看KiCad

步骤3 –设计印刷电路板(PCB)

完成原理图后,您现在将设计印刷电路板(PCB)。PCB是固定并连接所有电子组件的物理板。

本质上,系统框图和原理图电路的开发主要是概念性的。PCB设计是非常真实的世界。

图6:现在必须将原理图电路图转换为PCB布局设计。

使用与创建原理图相同的软件来设计PCB。该软件将具有各种验证工具,以确保PCB布局符合所用PCB工艺的设计规则,并且PCB与原理图匹配。

通常,产品越小,组件封装得越紧密,创建PCB布局所花费的时间就越长。如果您的产品路由大量电源或提供无线连接,那么PCB布局就显得尤为重要和耗时。

PCB布局示例

图7 –印刷电路板(PCB)布局设计示例

对于大多数PCB设计而言,最关键的部分是电源布线,高速信号(晶体时钟,地址/数据线等)和任何无线电路。

步骤4 –生成最终物料清单(BOM)

尽管您应该已经在初始生产设计中创建了一个初始BOM,但是现在是时候使用完整生产BOM。

两者之间的主要区别在于众多低成本组件,例如电阻器和电容器。这些组件通常只花费一两个便士,因此我不会在初步BOM中单独列出它们。

但是要实际制造PCB,您需要一个完整的BOM,其中列出了每个组件。该BOM通常是由原理图设计软件自动创建的。BOM表列出了零件号,数量和所有组件规格。

步骤5 –订购PCB原型

创建电子原型是一个两步过程。第一步是生产裸露的印刷电路板。您的电路设计软件将允许您以称为Gerber的格式输出PCB布局,每个PCB层都有一个文件。

这些Gerber文件可以发送到原型商店进行小批量运行。相同的文件也可以提供给较大的制造商,以进行大批量生产。

完全组装的电路板

图8:完全组装的印刷电路板(PCB)的示例。

第二步是将所有电子组件焊接到板上。从设计软件中,您将能够输出一个文件,该文件显示了放置在板上的每个组件的确切坐标。这使装配车间能够完全自动化PCB上每个组件的焊接。

您最便宜的选择是在中国生产PCB原型。尽管通常最好将原型制作到离家较近的地方,以减少运输延误,但对许多企业家而言,最小化成本更为重要。

除非您为急需的服务付费(我很少建议这样做),否则组装板通常需要1-2周的时间。

步骤6 –评估,编程,调试和重复

现在是时候评估电子产品的原型了。请记住,您的第一个原型很少能完美工作。

在完成设计之前,您很可能会经历几次迭代。这是您确定,调试和修复原型问题的时候。

测试电子电路板

图9 –大多数设计需要多次原型迭代才能为市场做好准备。

就成本和时间而言,这是一个很难预测的阶段。您发现的任何错误当然都是意外的,因此需要花费一些时间来找出错误的来源以及如何最好地修复它。

评估和测试通常与对微控制器编程并行进行。在开始编程之前,您至少需要进行一些基本测试,以确保开发板没有重大问题。

微控制器固件

图10:大多数新的电子产品都需要固件编程才能起作用。

几乎所有现代电子产品都包含称为微控制器单元(MCU)的微芯片,该微芯片充当该产品的“大脑”。微控制器与计算机或智能手机中的微处理器非常相似。

微处理器擅长快速移动大量数据,而微处理器擅长连接和控制开关,传感器,显示器,电动机等设备。微控制器几乎是简化的微处理器。

需要对微控制器进行编程以执行所需的功能。微控制器几乎总是以常用的计算机语言“ C”进行编程。该程序称为固件,存储在微控制器芯片内部的永久但可重新编程的存储器中。

第4部分–开发机箱

现在,我们将介绍任何定制塑料件的开发和原型制作。对于大多数产品,这至少包括将所有部件固定在一起的外壳。

定制形状的塑料或金属件的开发将需要3D建模专家,或者需要更好的工业设计师。

塑料外壳

图11:对于大多数新产品,必须开发定制外壳。

如果外观和人体工程学对您的产品至关重要,那么您将需要雇用一名工业设计师。例如,工业设计师就是使像iPhone这样的便携式设备看起来如此酷炫时尚的工程师。

如果外观对您的产品不是很关键,那么您可以聘请3D建模者,而且它们通常比工业设计师便宜得多。

步骤1 –建立3D模型

开发产品外观的第一步是创建3D计算机模型。用于创建3D模型的两个主要软件包是Solidworks  和  PTC Creo  (以前称为Pro / Engineer)。

但是,Autodesk现在提供了基于云的3D建模工具,该工具完全免费供学生,爱好者和初创企业使用。这就是  Fusion 360。如果您想进行自己的3D建模,而又不依赖Solidworks或PTC Creo,那么绝对可以考虑使用Fusion 360。

3D模型范例

图12:创建3D模型是产品设计必不可少的第一步。

工业或3D建模设计师完成3D模型后,即可将其转换为物理原型。3D模型也可以用于营销目的,尤其是在您可以使用功能性原型之前。

如果您打算将3D模型用于营销目的,则需要创建该模型的逼真的照片版本。Solidworks和PTC Creo都提供照片逼真的模块。

您还可以完成产品的逼真的3D动画照片。请记住,您可能需要聘请单独的设计师来专门研究动画并使3D模型看起来逼真。

为您的机箱开发3D模型时,最大的风险是最终获得的设计可以原型化,但无法批量生产。

最终,您的外壳将通过一种称为高压注塑成型的方法生产(更多信息,请参见下面的步骤4)。

使用注塑成型生产零件可能非常复杂,需要遵循许多规则。另一方面,几乎任何东西都可以通过3D打印制作原型。

因此,请确保只雇用完全了解注塑成型所有复杂性和设计要求的人员。

第2步–订购案例原型(或购买3D打印机)

塑料原型是使用加法(最常见)或减法来构建的。诸如3D打印之类的加法过程通过堆叠塑料薄层以创建最终产品来创建原型。

到目前为止,加性过程是最常见的,因为它们能够创建几乎可以想象的任何东西。

3D打印机

图13:低成本3D打印机彻底改变了新产品原型。

减法过程,例如CNC加工,取而代之的是一块固态生产塑料,然后切出最终产品。

减法工艺的优点是您可以使用与最终使用的塑料完全匹配的塑料树脂。这对于某些产品而言很重要,但是对于大多数产品而言,这并不是必需的。

在添加过程中,使用了特殊的原型树脂,并且其感觉可能与生产的塑料不同。添加剂工艺中使用的树脂已得到显着改善,但仍与注塑中使用的生产塑料不匹配。

我已经提到了这一点,但是值得再次强调。请注意,原型制作过程(加法和减法)与生产(注塑)技术完全不同。您必须避免创建无法制造的原型(尤其是带有附加原型的原型)。

开始时,您不一定需要使原型遵循所有注塑成型规则,但是您需要牢记这些规则,以便您的设计可以更轻松地过渡到注塑成型。

许多公司都可以采用您的3D模型并将其转变为物理原型。 Proto Labs  是我个人推荐的公司。它们提供加性和减性原型,以及小批量注射成型。

您也可以考虑购买自己的3D打印机,尤其是如果您认为需要多次迭代才能使产品正确。现在只需花费几百美元就可以购买3D打印机,使您可以创建所需的任意原型版本。

拥有自己的3D打印机的真正优势在于,它使您几乎可以立即迭代原型,从而缩短了上市时间。

步骤3 –评估机柜原型

现在是时候评估外壳原型并根据需要更改3D模型了。几乎总是需要多次原型迭代才能使外壳设计正确。

尽管3D计算机模型使您可以直观地看到外壳,但没有什么比将手中的真实原型握在手中。拥有第一个真正的原型后,几乎肯定会同时进行功能和外观上的更改。

计划需要多个原型版本以使一切正确。

为新产品开发塑料不一定容易或便宜,尤其是在美学对您的产品至关重要的情况下。但是,当您从原型阶段过渡到全面生产时,就会出现真正的复杂性和成本。

步骤4 –过渡到注塑成型

尽管电子产品可能是产品开发中最复杂,最昂贵的部分,但塑料将是制造中最昂贵的。使用注塑成型来生产塑料零件非常昂贵。

今天售出的大多数塑料产品都是使用称为注射成型的真正古老的制造技术制成的。对您来说,了解此过程非常重要。

您从钢模具开始,该模具是用高压将两块钢固定在一起的模具。模具具有所需产品形状的雕刻型腔。然后,将热的熔融塑料注入模具中。

注塑机

图14:注塑机。

注射成型技术有一个很大的优势–这是一种廉价的制造数百万个相同塑料件的方法。当前的注射成型技术使用巨大的螺杆将塑料高压进入模具,这是1946年发明的工艺。与3D打印相比,注射成型是古老的!

注塑模具能够以非常低的单位成本制造大量相同的东西,非常高效。但是模具本身非常昂贵。设计用于制造数百万种产品的模具可以达到10万美元!如此高的成本主要是因为塑料是在如此高的压力下注入的,这在模具上非常困难。

为了承受这些条件,模具是用硬质金属制成的。所需的注射次数越多,所需的金属越硬,成本也越高。

例如,您可以使用铝模制作数千个单元。铝很软,因此会很快降解。但是,由于它更柔软,也更容易制作模具,因此成本较低-简单模具的成本仅为1-2k美元。

随着模具所需体积的增加,所需的金属硬度也随之增加。使用钢之类的硬质金属也会增加模具的交货时间。与软铝模具相比,模具制造商需要更长的时间来雕刻(称为机加工)钢模具。

您最终可以通过使用多个型腔模具来提高生产速度。它们使您可以一次注射塑料来生产零件的多个副本。

但是在对初始模具进行任何修改之前,请不要进入多个型腔模具。在升级到多腔模具之前,至少要运行几千个单元是明智的。

第5部分–验证您的产品

所有出售的电子产品都必须具有各种认证。所需的认证取决于产品将在哪个国家/地区销售。我们将涵盖美国,加拿大和欧盟所要求的认证。

尽管这些都是电气认证,但在大多数情况下,它们将需要在包括外壳在内的成品上完成,而不仅仅是在裸露的电子产品上完成。

您需要从一开始就在设计产品时就考虑到认证,但是实际的认证通常会在设置制造过程中尽可能晚地完成。

如果您认证得太早,那么任何设计更改都可能需要您重新认证,因此最好等到产品完成后再进行其他更改。

认证是一个复杂的主题,因此我建议您在深入开发产品之前先咨询认证专家。如果从一开始就实施许多技巧可以帮助您大幅降低认证成本。

电气产品认证

图15 –几乎所有电气产品都需要一定程度的认证。

FCC(联邦通讯委员会)

在美国销售的所有电子产品都必须具有FCC认证。所有电子产品都会发射一定量的电磁辐射(即无线电波),因此FCC希望确保产品不会干扰无线通信。

FCC认证分为两类。您的产品需要哪种类型取决于您的产品是否具有无线通信功能,例如蓝牙,WiFi,ZigBee或其他无线协议。

FCC将具有无线通信功能的产品归为  故意辐射器。不故意发射无线电波的产品被归类为  非故意辐射器。故意散热器认证的费用大约是非故意散热器认证的10倍。

首先考虑将电子模块用于产品的任何无线功能。这样一来,您只能获得非故意的散热器认证,这将为您节省至少1万美元。

UL(保险商实验室)/ CSA(加拿大标准协会)

对于在美国或加拿大出售的,插入交流电源插座的所有电气产品,必须具有UL或CSA认证。

未插入交流电源插座的仅电池产品不需要UL / CSA认证。但是,大多数主要的零售商和/或产品责任保险公司都会要求您的产品获得UL或CSA认证。

欧盟行政长官(ConformitéEuropéene)

在欧盟(EU)出售的大多数电子产品都需要CE认证。它类似于美国要求的FCC和UL认证。

RoHS指令

RoHS认证可确保产品无铅。在欧盟(EU)或加利福尼亚州出售的电气产品都需要RoHS认证。由于加利福尼亚的经济如此重要,因此在美国销售的大多数产品都通过了RoHS认证。

锂电池认证(UL1642,IEC61233和UN38.3)

可充电锂离子/聚合物电池存在一些严重的安全隐患。如果短路或过度充电,它们甚至可能会起火

您还记得由于这个问题在三星Galaxy Note 7上的两次召回吗?还是有关各种飞翔器爆炸的故事?

由于这些安全问题,必须对可充电锂电池进行认证。对于大多数产品,我建议最初使用已经获得这些认证的现成电池。但是,这将限制您的选择,并且大多数锂电池尚未通过认证。

这主要是由于大多数硬件公司选择定制电池来利用产品中所有可用空间的事实。因此,大多数电池制造商都不必为获得现成的电池认证而烦恼。

结论

无论您的技术水平如何,本文都为您提供了开发新的电子硬件产品的过程的基本概述。此过程包括选择最佳的开发策略,并为您的产品开发电子设备和外壳。

您将获得整个专家团队的帮助,以帮助您使用产品,此外,您还将获得江工 186-1102-0250(通微科技)的私人咨询。

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