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将您的电子产品推向市场的每个阶段都会有不同的原型要求。不幸的是,没有单一的原型足以将商业产品一直推向市场。

无论计算机辅助设计多么先进,您的新产品在准备进行批量生产之前都需要多次原型迭代。

对产品进行原型制作就是学习。每次创建原型版本时,您都会或至少应该学习一些新知识。

始终从最简单,最便宜的产品原型设计开始。然后,在每次原型迭代时,您都应逐步接近生产质量的原型。

在原型制作的早期阶段,最好将您的产品分为不同类型的原型,每个原型都有自己的目标。

在本文中,我将回顾您在推向市场的过程中可能需要的所有不同类型的原型。

概念验证(POC)原型

顾名思义,概念验证(POC)原型是用于证明产品基本概念的早期原型。

POC原型很少会完全像最终产品那样运行,并且永远不会看起来像最终产品。它只有一个目标–以最低的成本证明产品的基本概念。

对于大多数电子硬件产品,POC原型将建立在电子开发套件上,例如Arduino或Raspberry Pi。

大多数电子产品都需要微控制器或微处理器。在Arduino的系列开发套件是基于微控制器,以及树莓派BeagleBone是基于微处理器。

概念验证原型通常仅用于确定新产品创意的实用性。客户将很少看到它。

如果您对产品是否能真正解决预期的问题有基本疑问,那么 创建概念验证原型最有意义。

arduino的图像结果

图1 –概念验证(POC)原型由现成的组件构建而成,并且通常基于Arduino或Raspberry Pi。

如果有多种解决目标问题的方法,但是您不确定哪种解决方案是最佳的,那么概念证明原型可以提供很多有价值的见解。

与定制印刷电路板(PCB)相比,POC原型可以更好地确定一些基本问题,例如基本解决方案选项。

如果您精通技术,则可以使用Arduino或Raspberry Pi创建自己的POC原型。

如果您不具备创建自己的POC原型的技能,并且/或者您对解决方案的可行性没有主要疑问,那么最好完全跳过POC原型。

大多数大型科技公司都绕过了POC阶段,主要是因为从生产版本开始,这是进入市场的较快途径。

大型公司的资金也比您多得多,因此他们可以采用普通创业公司无法承受的昂贵捷径。

一些设计工程师还嘲笑POC原型的概念,因为他们知道它们很少与最终生产版本相似。

但是,如果您对解决方案有基本的疑问或疑虑,并且预算有限,那么创建POC原型将是您的最佳选择。

不利的一面是增加了将产品推向市场所需的时间。

外观原型

常见的策略是将产品的外观和感觉与功能分开。这些被称为外观原型和作品原型。

一个长相类似的原型焦点的外观,感觉,形式,以及产品的美观性。对于外观类似的原型,您将使用诸如泡沫,粘土,3D打印,CNC加工以及最终注塑之类的原型技术。

优化产品的外观,形式,手感和美感是外观原型的目的。

大多数外观相似的原型都是通过3D打印技术创建的,这是一个附加过程。这意味着将材料分层添加以形成最终形状。

外观类似的原型着眼于将由塑料或金属制成的产品外观。另一方面,类似作品的原型专注于内部电子设备。

在制作新产品原型时,应将产品外观与产品功能区分开。

3D打印的图像结果

图2-3D打印是生产外观原型的最常用方法。但是,不应忽略CNC加工以及甚至简单的选择(如粘土和泡沫)。

尽管它们看起来过于简单,但不要忽略诸如泡沫和粘土之类的旧技术,这些技术在开始阶段可能会非常有用。这两种“技术”都使您能够快速,廉价地将概念转变为可以握在手中的东西。

使用泡沫或黏土可能是测试产品尺寸,形状和手感的最便宜,最简单的方法。

有了我自己的电子产品,我最早的原型是用粘土制成的。这些黏土模型为我提供了有关产品在用户手中实际感觉的关键反馈。

从黏土原型开始,还可以减少升级到3D打印时所需的原型迭代次数。

始终以最简单,最便宜的原型制作方法开始。在迁移到更高级的原型技术之前,请从低成本的原型中学到最多的知识。

在逐步发展原型技术层次时,您会发现设计变更的实施变得越来越复杂。

粘土原型的变化很小,3D打印原型的修改程度中等/昂贵,而注塑成型的原型升级最复杂。

因此,最重要的是,在升级原型之前,请保持简单并尽可能多地学习。

3D打印

3D打印是一种附加的原型制作过程,可添加材料以创建所需的形状。术语3D打印是一个广泛使用的术语,实际上是指各种原型技术。

让我们更深入地研究三种类型的3D打印机:

熔融沉积建模(FDM)

这是最实惠的3D打印方法,因此也是家用3D打印机使用的最常见技术。这项技术可以制作出数量适中的原型。

FDM打印机的工作原理是通过加热的喷嘴送入塑料。材料逐层熔化并沉积,每一层都融合到其下一层。FDM打印机可以生产的细节有限,因此SLA打印机是复杂原型的更好选择。

立体光刻(SLA)

SLA是一种成本更高的过程,主要用于高端家用3D打印机和专业的原型商店。

这种3D打印机通过用光固化树脂来工作。光通过称为光聚合的过程逐层硬化液态树脂。SLA是一种非常精确的3D打印方法,可以使零件具有许多精细的细节。

SLA打印机还可以生产出更坚固的原型,因为这些层是化学粘合在一起的。与使用FDM打印机创建的原型相比,由SLA打印机生成的原型看起来更专业。

对于许多企业家来说,一个好的策略是购买基于FDM的低成本3D打印机以生产早期原型。一旦3D打印原型的外观和强度变得越来越重要,您就可以转向配备SLA打印机的专业原型店。

这种策略将为您节省金钱并加快许多产品的开发。

选择性激光烧结(SLS)

SLS系统使用激光逐层烧结(即硬化)粉末材料以形成所需的形状。

SLS的一大优点是可以用于创建金属原型。请记住,对于家用3D打印机来说,SLS太复杂了,因此,在使用专业的原型公司时,它只是一个选择。

CNC(计算机数控)加工

加法过程 的相反是减法过程。顾名思义,减法去除材料以形成所需的形状。

该过程从塑料或金属的固体块开始。然后将材料雕刻掉,以形成最终的雕刻原型。

与3D打印相比,CNC加工的主要优点之一是,您在使用的材料方面具有更大的灵活性。

您不仅可以用塑料或金属制成原型,还可以选择非常适合用于批量生产的材料的非常特殊的塑料树脂。

像作品一样的原型

类似作品的原型专注于您产品的功能,对于大多数电子产品而言,这意味着内部电子产品。

POC原型可以看作是类似作品的原型的早期版本。但是现在是时候从POC原型过渡到生产级的,类似于作品的原型了。

这意味着放弃使用像Arduino这样的开发套件。现在,您需要开发定制的印刷电路板(PCB),以固定并连接产品的所有分立电子元件。

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图3 –与使用现成组件制造POC所需的技能相比,开发定制PCB的技术技能有了飞跃的发展。

为类似作品的原型开发定制PCB需要丰富的工程设计经验。如果您幸运地拥有这些技能,那么您将节省数千美元的开发费用。

工程师很昂贵,这种定制PCB的开发通常是您将要面对的最昂贵的开发成本

电子产品原型

如何开始对产品的电子产品进行原型设计取决于您要回答的问题。每次创建新原型时,您都应该定义明确的问题,原型应该回答这些问题。

如果您对产品是否能正常工作或是否能够解决预期的问题有广泛的疑问,那么您应该已经开始使用基于早期开发的原型的原型,该原型基于诸如Arduino或Raspberry Pi的开发套件。

如果对产品的功能没有大的疑问,那么您可能应该继续设计定制的PCB。大多数开发产品的大公司都始于定制PCB。这是最快的上市途径,尽管可能不是最便宜的。

定制印刷电路板(PCB)的原型包括两个步骤:生产裸露的PCB,并在所有组件上进行焊接。我们将分别讨论每个过程。

尽管有在家中生产自己的PCB的技术,但它们仅限于简单设计。因此,您很可能需要将PCB原型产品外包。

假设您不制造和组装自己的PCB板,则将使用相同的过程来生产原型板,以及大批量生产您的板。

PCB生产可以通过以下步骤进行总结:

  1. 该过程开始于由玻璃纤维环氧树脂制成的层压芯。它充当导电层之间的绝缘体,并为电路板提供物理强度。
  2. 单面板由一个叠层铁芯和一侧的铜层组成。双面板由层压芯组成,在每一侧上都有铜层。多层板由交替的铜层与层压芯层的堆叠组成。大多数电路板将使用2、4、6或8个导电层。
  3. 将每个导电铜层的布局设计激光绘制在薄膜上,并应用光敏化学“抗蚀剂”。然后将铜层暴露于高强度紫外线,该紫外线穿过薄膜发光。该光使任何铜走线和焊盘上的“抗蚀剂”层硬化。
  4. 然后,通过化学溶液处理铜层,该化学溶液去除未被紫外线硬化的任何“抗蚀剂”层。这样只会在所需的铜走线和焊盘上留下硬化的“抗蚀剂”材料。然后使用另一种化学物质去除未被“电阻”覆盖的任何裸露的铜。然后去除硬化的“抗蚀剂”层,仅留下所需的铜以形成迹线和焊盘。
  5. 接下来使用层压工艺将所有层粘合在一起以形成堆叠的PCB。
  6. 在PCB叠层上钻一些孔,以形成用于连接不同层上信号的通孔。通孔组件的所有孔也要钻孔。但是,通常最好只使用表面贴装技术(SMT)组件,以最大程度地降低焊接成本。
  7. 接下来,将铜沉积在所有裸露的金属表面(包括任何孔的内壁)上。将额外的铜电镀到所有裸露的铜表面上。
  8. 既然裸露的PCB已经完成,下一步就是放置并焊接所有电子组件。称为拾取和放置机器的机器人设备使用真空系统来拾取组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)用于将零件临时固定在适当的位置。
  9. 最后,使电路板通过回流焊炉,该焊炉将焊膏融化,从而在组件和PCB焊盘之间形成永久的电连接。

工程原型

工程原型(有时也称为类似外观的原型)是首次将外观和功能整合到一个原型中。

一旦有了工程原型,您最终将具有足够的质量来向客户和投资者展示。

图4 –工程样机将类似作品和类似外观的设计合并到一个原型中。

这时寻找外部投资者变得更加实际。到此阶段,您已经克服了大部分工程和制造风险。投资者显然喜欢降低风险。

对于我自己的硬件产品,我自己为此阶段资助了产品开发。我使用原型制作了大型的全国性零售商,对我的产品感兴趣。

从那里,我利用这次成功找到了愿意为其余原型阶段提供资金的制造商。

工程原型接近于生产原型,但尚未经过测试或为批量生产做好准备。

试生产原型

这是一种外观类似的原型,已针对制造进行了优化。这非常接近您的客户将看到的最终产品。在大多数情况下,如果产品将通过零售店出售,则还应包括零售包装。

尽管预生产的原型可能在外观和功能上与类似作品的原型非常相似,但主要区别在于可制造性。

在产品开发期间,许多企业家低估了从原型迁移到可以有效制造的产品所需的工作。

制作一些原型与制造数百万个单元完全不同。在大多数情况下,需要进行大量额外的设计工作才能为大规模生产准备设计。

例如,在对产品外壳进行原型制作时,通常会使用3D打印或CNC加工。对于批量生产,高压注塑成型将成为生产外壳的技术。

3D打印和CNC加工是非常宽容的技术,您可以制作几乎可以想象到的任何形状的塑料原型。注射成型不是这种情况。

注塑具有非常严格的生产要求。在完成3D打印原型后,有必要进一步升级注塑设计。

射出成型

3D打印非常适合生产数十个零件。但是,生产数百或数千个零件不切实际。最终,将需要注塑成型来制造更多数量的产品外壳。

毫不奇怪,注塑过程始于模具的制造。模具是用金属加工而成的,金属的硬度决定了模具的使用寿命和成本。

对于原型制作或早期生产,铝模通常是最佳选择。铝制模具通常每个要花费数千美元,最多可以生产10,000个零件。

模具形成两半,当热的熔融塑料在高压下注入模具时,它们将保持在一起。为了在零件中产生精细的细节,必须使用高压。一旦塑料冷却并固化,就打开模具并取出零件。

大多数设计都需要进行重大修改,以便为注塑成型做好准备。3D打印几乎可以复制您可以想象的任何形状,而注模成型则必须遵循严格的设计规则。

确保设计外壳的任何人都了解注塑成型,否则最终可能会获得可以原型制作但不能大量生产的产品。

达到拥有功能齐全,作品相似,外观相似的原型的意义是一项巨大的成就。因此,一旦实现这一里程碑,请轻拍自己的后背!

但是暂时不要太兴奋。从原型到批量生产的过渡是将新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)

一旦完成了工程原型,就可以开始对其进行测试以验证其是否按指定的方式工作。

图5 – EVT阶段的目标是证明您的产品设计符合功能,性能和可靠性要求。

该测试的第一阶段称为工程验证测试(EVT)。该测试阶段集中在电子设备上。在EVT中通常会测试10至50个单位。

EVT将包括测试基本功能,但还将进行各种压力测试以确保没有隐藏的问题。这包括功率,热和EMI测试。

EVT的目标是验证原型是否符合功能,性能和可靠性规范。

设计验证测试(DVT)

设计验证测试(DVT)是最复杂的阶段之一。目的是确保产品符合任何必要的化妆品和环境规格。

与EVT阶段相比,将需要大量的单元,通常为50-200个单元。

这些设备将经过非常严格的测试,包括跌落,着火和防水测试。验证产品的耐用性足以承受日常使用是设计验证测试的主要目标之一。

这通常也是获得电气认证的阶段。其中包括FCC,CE,UL和RoHS等认证。

由于获得必要的电气认证所需的成本和时间,该过程通常会延迟到DVT阶段。这是为了确保在认证测试开始后不需要进行其他设计更改。

当然,如果在认证测试过程中发现任何问题,则可能需要进行设计修改以纠正它们。

生产验证和测试(PVT)

PVT阶段将是您的第一次正式生产。您将建立一条优先生产线,以优化您的生产过程。

这里的重点是通过优化生产线来改善废品率,组装时间和质量控制过程,而不是通过进一步的产品设计更改(除非发现了严重的设计问题)来改善。

典型的小规模试生产需要几百台。如果没有问题,这些可以是您的第一批可以出售的产品!

结论

我希望您从本文中学到的主要内容之一是,原型制作是一个漫长的过程,需要多次迭代。原型之旅很复杂,不容小under。

在您从不太复杂,成本较低的技术中获得所有信息之前,不要急于升级到更先进的原型技术。

现在,您只需要创建一个(或两个)原型原型然后立即投入全面生产的想法就应该被视为神话。

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