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从创意到制造,如何从零开始设计一款硬件产品?

日期:06-17

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       易奇科技导读:构思设计一款硬件产品,研发团队往往需要从多方面进行考量,如技术、成本、成员协作等。基于此,若想从零到一设计一款硬件产品,我们可以从哪些方面入手?本篇文章里,易奇小编对此进行了分析总结,大家一起来看一下吧。

  


  从构思到批量生产,硬件产品会经历许多不同的阶段,每个阶段都有不同制造技术,成本也往往差异较大。

  尽管每种产品都有其独特的需求,但总体的开发过程以及硬件原型设计和生产的流程是相似的:

  首先,你必须使用工程试验板对基础技术进行验证;

  然后,工业设计师、结构工程师和嵌入式工程师需要进行协作;

  之后,构建外观/功能原型,通常使用快速原型制作或小批量制造技术。

  通常,第一次迭代会暴露出设计中的缺陷,这会导致第二次设计迭代……

  了解进度和制造工艺将有助于你尽快构建产品,并尽可能减少自付费用。

  但是,你需要至少经历一次完整的产品生命周期,否则你很难弄清楚所有过程。

  硬件产品开发过程;

  工程面包板;

  附加工艺 – 3D 打印、SLA、SLS;

  注塑、热成型、滚塑;

  CNC 机加工或车削零件;

  挤压、钣金、粉末金属及其他;

  纸和织物;

  PCB;

  组装和包装;

  合同制造商;

  外包;

  ……

  与软件开发不同,硬件产品具有研发周期长、成本高的特性,同时互联网硬件产品通常会同时集成板载固件、云平台和移动软件。

  随着开发设计的深入,不太可能进行快速的迭代更新,也无法忍受需求的反复变更,整体开发设计会偏向传统的瀑布式流程。

  硬件和软件产品开发之间存在几个关键区别。

  1)设计子组件的时间长。

  你需要将具有以复杂方式装配在一起的多个子组件设计在一起,组装挑战越大,完成详细设计所需的时间也就越长。

  2)在设计整个组件之前,很难“完成”任何一个零件的详细设计。

  在最终确定子装配体时,即使是最精心设计的零件也可能需要在最后一刻进行更改,以适应装配体的注意事项。

  3)采购定制零件的交货时间长。

  正确实践的敏捷方法论可以随时产生可用的软件,并在 1 或 2 周的冲刺中达到关键的里程碑。

  对于硬件,采购定制零件所花费的时间可能比这更长。快速原型制作技术可以在 2-3 天内打印出零件。

  但是,如果你需要制造复杂的 3D 金属零件,例如,定制的变速箱外壳,加工的交货时间可能需要 4 到 6 周。

  线束的交货时间通常在 2-4 周内,PCB 采购需要 1-3 周,生产交货时间通常更长。

  4)顺序开发导致从开始到结束的时间更长。

  尽管可以并行处理许多工程任务,但最终还是需要在组装、调试以产生功能性原型时完成每个原型阶段。

  5)功能性原型同时支持工程测试和用户测试。

  工程和用户测试的结果为下一阶段提供了输入,从而导致了另一个交叉依赖性。

  6)系统集成比纯软件项目需要更长的时间。

  对于纯软件产品,只要在编写代码之前严格进行软件设计,一旦完成设计并定义和记录 API,开发人员便可以基于模块之间达成共识的 API 并行编写代码和测试代码。

  7)对于在板上运行软件的硬件产品,无论系统体系结构和设计投入多少精力,首次组装和测试每个原型时,都会出现意想不到的问题。

  硬件产品的系统集成通常以几周或几个月(对于高度复杂的产品)来衡量。

  8)模具需要大量的资金投入,需要认真地尽职调查。

  与软件项目不同,在设计和开发硬件产品本身时通常会产生高水平的非经常性工程成本(NRE),并且在每个阶段采购原型和预生产版本的成本和前置时间也很长。

  在原型设计的早期阶段,你可以使用快速原型设计技术做快速迭代设计。但是在某些时候,你必须对模具和工装进行进行资金投入。

  9)工具的成本可能在 5 千至 50 万元之间,工装成本取决于产品的复杂性。

  现在,来详细看看这些设计阶段。

  一、构想:每款产品都始于灵感时刻

  该想法需要经过某种审查过程,以确定它是否具有足够的经济前景。

  你需要进行一些市场分析,确定一个利基市场,进行大量研究,开发买家和用户画像。

  并提出一个有效的解决方案,以解决该市场中一些未满足的需求。

  技术创始人经常会从技术角度设计产品,然后不加思索地前进,最终结果往往是针对错误市场设计产品,但从业务角度来看并不会成功。

  二、开发阶段

  


  1. 开发阶段1:可行性和早期架构

  在此阶段,技术团队将构建一系列快速的工程试验板:

  在此阶段生成的原型在某种程度上类似于最终产品,但看起来与最终产品完全不同;

  固件取决于要开发的定制嵌入式平台;

  还应该致力于早期用户体验,并探索工业设计形式,以帮助推动系统架构决策。

  在此阶段以及以后的所有阶段中,都应着重进行主要的:

  市场研究:确定客户是谁以及他们的需求和期望的样子;

  产品研究:确定建议的解决方案对于最终用户是否有用 。

  开发阶段 1 结束时,应该进行明确的审查,以决定是否继续进行下一个工程阶段。

  继续前进需要两个条件:

  首先,必须证明技术可行性;

  其次,市场研究必须有支持该产品向前发展的成功商业案例。换句话说,你需要判断市场价值大不大,值不值得做?

  大量的工程支出始于第一阶段,一定要进行一些详细的计划和回顾,以确保资金不浪费在错误的产品上。

  2. 开发阶段2:工程原型「EP」

  在此阶段中,你需要进行工业设计、结构及机械设计、嵌入式工程设计( PCB & 固件开发 )和软件开发( Web & 应用程序等 ),以创建一个完全集成的原型产品。

  这个阶段你需要回答所有关键问题:

  市场接受度;

  技术可行性;

  关键系统架构决策等。

  在此阶段,将面向制造的设计「DFM」思维纳入工程开发至关重要,你需要做到在设计每个定制零件时都牢记目标制造技术。

  然后,开始对每个零件的供应商进行审查,你需要尽早并经常邀请首选供应商参加设计评审。

  让供应商从一开始就参与进来,以确保所设计的零件以及制造过程与制造厂的能力相兼容。

  这是缩短产品上市时间并降低非经常性工程成本的最有效方法,它还将你的公司与供应商之间建立关系,而供应商将是流程中的关键部分。

  人们通常在此阶段创建 1-5 个原型,这是第一代设计,并且必然存在问题( 设计错误,装配问题、功能问题等)。

  该阶段会用到大量的原型技术:

  对于塑料,可能涉及快速原型零件( 例如,SLA、SLS 或 3D 打印零件 );

  对于金属,可能涉及机械加工( CNC );

  对于 PCB 而言,国内有大量支持小批量生产 SMT 板的厂家。

  最终组装通常由工程人员在内部完成,因为第一次没有任何正确的组合,你需要尝试最佳组装流程。

  组装过程对于突出需要解决的设计问题( 尤其针对制造问题 )非常有指导意义。

  你需要将组装过程以及开发设计中遇到的所有问题汇总,以帮助生成简短的清单,以进行下一阶段的调整。

  3. 开发阶段 3:工程验证测试「EVT」

  EVT 版本是工程原型的设计迭代,以解决或优化在第一代工程原型的组装、系统集成和测试过程中发现的所有问题。

  在此阶段,你可以制作 50 个以内的产品原型,以促进有效的现场测试,最终组装仍在内部完成。

  该阶段结束时,你需要输出现场测试和早期耐久性测试的结果,并做出是否进入制造阶段的决定。

  三、制造阶段

  1. 制造阶段1:设计验证测试「DVT」

  与上一阶段的唯一区别是,DVT 版本通常由合同制造商的人员组装,而 EVT 版本通常由内部人员组装。

  原型技术仍然适用于此阶段,因为工装周期可能需要数月时间,并且通常在需要组装 DVT 构建件时尚未完全准备好所有零件。

  DVT 的主要目的是教合同制造商如何制造产品,并在此过程中确定任何尚待解决的 DFM 问题。

  DVT 阶段有一些独特的活动:CM 合同制造商使用这种经验与你合作进行过程开发——如何重复生产产品并获得高质量的产品。

  这也是为什么你需要停止做设计上的更改,如果有变更,所有变更必须通过工程变更单流程进行严格控制并记录在案。

  DVT 阶段也是开发装配夹具、测试夹具、测试软件、校准软件的时候。

  DVT 原型通常适合用于法规测试,例如,如果你的产品用到了蓝牙或 WiFi 之类的无线电模块,你需要通过 SRRC 无线电认证测试。

  2. 制造阶段2:生产验证测试「PVT」

  PVT 沿袭了 EVT 和 DVT 阶段探索的制造过程,换句话说,从 EVT 到 PVT 不应进行任何工程设计更改。

  PVT 阶段将使用通过最终制造过程制造的零件,你需要保证产品具备良好装配性和光洁度,高质量的零件是必要的,以支撑可销售的产品。

  3. 制造阶段3:批量生产「MP」

  在硬件产品开发设计早期,你会发现并修复很多导致产品无法正常使用的严重问题。

  卫 Sir 在做智能锁产品的早期,产品极度不稳定,遇到并解决了高概率重启、静电导致无法开门等等问题。

  在那之后,低发率的缺陷会让你沉迷数月。

  如果某缺陷的发生率为千分之一,并且在前三个月内每周仅生产 200 件产品,则正确识别缺陷并采取缓解措施可能需要花费数月的时间。

  这是正常现象,完全可以预期——每个硬件制造商都会经历这一过程。