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。

图 3：与使用现成组件制作 POC 所需的技能相比，开发定制 PCB 的技术技能有了巨大的飞跃。

为类似作品的原型开发定制 PCB 需要丰富的工程设计经验。如果您有幸拥有这些技能，那么您将节省数千美元的开发费用。工程师的成本很高，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。

电子产品原型设计：

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

如果您的产品功能没有大问题，那么您可能应该直接设计定制 PCB。大多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，虽然可能不是最便宜的。定制 PCB 的原型设计包括两个步骤：生产裸 PCB 和焊接所有组件。我们将分别讨论每个过程。

虽然有在家生产自己的 PCB 的技术，但它们仅限于简单的设计。因此，您很可能需要将 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生产归纳为以下几个步骤：

该过程从由编织玻璃环氧树脂制成的层压芯开始。它用作导电层之间的绝缘体，并为电路板提供物理强度。

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两层、四层、六层或八层导电层。

每个导电铜层的布局设计都用激光绘制在薄膜上，并应用光敏化学“抗蚀剂”。然后将铜层暴露于穿透薄膜的高强度紫外线下。这种光使任何铜迹线和焊盘上的抗蚀剂层变硬。

然后通过化学溶液处理铜层，去除任何未被紫外线硬化的抗蚀剂层。这仅在所需的铜迹线和焊盘上留下硬化的抗蚀剂材料。然后使用另一种化学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线和焊盘。

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。

在 PCB 堆叠上钻孔以形成用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暴露的金属表面上，包括任何孔的内壁。额外的铜电镀到所有暴露的铜表面。

现在裸PCB已完成，下一步是放置和焊接所有电子元件。被称为拾放机的机器人设备使用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）用于临时固定零件。

最后，电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电气连接。

工程样机

工程原型（有时也称为类似作品的外观原型）是第一次将外观和功能结合在一个原型中。一旦你有了一个工程原型，你就终于有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为一个原型。

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。我用我的原型让一家大型的全国零售商对我的产品感兴趣。从那里，我利用这一成功找到了愿意为剩余原型阶段提供资金的制造商。

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。在大多数情况下，如果产品将通过零售店销售，它还应包括零售包装。

尽管预生产原型的外观和功能可能与类似作品的原型非常相似，但关键的区别在于可制造性。在产品开发过程中，许多企业家低估了从原型迁移到可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 3D 打印或 CNC 加工。对于大规模制造，高压注射成型将是用于生产外壳的技术。

3D 打印和 CNC 加工是非常宽容的技术，您可以制作几乎任何可以想象的塑料形状的原型。注射成型不是这种情况。注塑成型有非常严格的生产要求。完成 3D 打印原型后，有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为几千美元，最多可生产约 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。为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。

大多数设计都需要进行重大修改，以便为注塑做好准备。确保设计您的外壳的人了解注塑成型，否则您最终可能会得到可以进行原型制作但不能大批量生产的产品。达到拥有功能齐全、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、性能和可靠性要求。

此测试的第一阶段称为工程验证测试 (EVT)。此测试阶段的重点是电子产品。通常在 EVT 期间将测试 10-50 个单元。EVT 将包括测试基本功能，但也会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 的目标是验证您的原型是否满足功能、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。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得多，通常为 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。这包括 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线，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线来提高废品率、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）。几百台的小试生产运行是典型的，如果没有发现问题，这些可能是您可以出售的第一台设备！