电子硬件产品原型设计的基本指南

2021-07-26

电子硬件产品原型设计的基本指南

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

为您的产品设计原型就是学习。每次创建原型版本时，您都会或至少应该学习新的东西。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，最好将您的产品分成不同类型的原型，每个原型都有自己的目标。

概念验证 (POC) 原型

概念验证 (POC) 原型，顾名思义，是用于证明产品基本概念的早期原型。POC 原型的功能很少与最终产品完全相同，而且看起来永远不会像最终产品。它只有一个目标——以尽可能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。大多数电子产品需要微控制器或微处理器。Arduino系列开发套件基于微控制器，Raspberry Pi和BeagleBone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；客户很少会看到它。如果您对您的产品是否能够真正解决预期问题有基本的疑问，那么创建一个最有意义。

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

如果有多种方法可以解决目标问题，但您不确定哪种解决方案最好，那么这个原型可以提供很多有价值的见解。POC 原型比定制 PCB 更能确定基本解决方案选项等基本问题。如果您有技术头脑，您可以使用 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，和/或您对解决方案的可行性没有重大疑问，最好完全跳过 POC 原型。

大多数大型科技公司绕过 POC 阶段，主要是因为从生产版本开始，这是一种更快的上市途径。大公司也有更多的钱，所以他们可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问题或疑虑，并且预算有限，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分开。这些被称为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。

在为新产品设计原型时，您应该将产品的外观与产品的功能分开。

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

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

用我自己的电子产品，我最早的原型是用粘土做的。这些粘土模型给了我关于产品在用户手中的实际感觉的重要反馈。从粘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。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，尽可能多地从低成本原型中学习。

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能多地学习。

3D 打印：3D 打印是一种增材成型工艺，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 3D 打印机最常用的技术。这项技术可以生产具有适度细节的原型。FDM 打印机的工作原理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 是一种成本更高的工艺，主要用于高端家用 3D 打印机和专业原型店。这种类型的 3D 打印机通过用光固化树脂来工作。光线在称为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，可以制造具有许多精细细节的零件。SLA 打印机还可以生产出更坚固的原型，因为这些层是通过化学方式结合在一起的。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。许多企业家的一个好策略是购买低成本、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，您就可以转而使用配备 SLA 打印机的专业原型店。

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 的一大优势是它可用于创建金属原型。请记住，SLS 对于家用 3D 打印机来说过于复杂，因此它只是使用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的材料方面具有更大的灵活性。您不仅可以使用塑料或金属创建原型，还可以选择非常特定的塑料树脂，这些树脂与您将用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，对于大多数电子产品来说，这意味着内部电子设备。POC 原型可以被认为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。这意味着放弃使用像 Arduino 这样的开发套件。您现在需要开发定制的印刷电路板 (PCB) 来固定和连接您产品的所有分立电子元件。