Как изготовить рабочий прототип электронного устройства
Это статья о разработке и производстве сложной современной электроники. В ней расскажем об изготовлении прототипов и опытных образцов. Любой проект включает в себя эту стадию, от ее результатов зависит дальнейшая судьба устройства — выход на массовое производство или отправка на доработку.
Рабочий образец воплощает в себе результаты работы инженеров, программистов, промдизайнеров и технологов. Его щупают, рассматривают и оценивают, сравнивая ожидаемое с действительным.
Зачем вообще нужны эти прототипы? Сколько штук их нужно изготовить в рамках проекта и сколько это стоит? Какие документы нужны для производства опытных образцов? Ответы на эти вопросы вы найдете под катом.
1. Опытные образцы: что это и зачем вообще они нужны?
Опытный образец (прототип) — это полнофункциональная модель устройства, изготовленная в натуральную величину и максимально приближенная по характеристикам к массовому изделию. Главный вопрос, на который позволяет ответить образец: получилось ли технически реализовать вашу идею в реальном устройстве.
Опытный образец создается для тестирования программного и аппаратного обеспечения, проверки на собираемость, окончательного выбора материалов и комплектующих, а также для оценки параметров, которые невозможно или сложно оценить «на бумаге» (тактильные ощущения, удобство использования, вес, маркость корпуса и т.п.).
Также образцы используются для прохождения предсертификационных испытаний, функционального тестирования, анализа электромагнитной совместимости, испытаний на прочность и климатику. Их можно демонстрировать потенциальным инвесторам или давать на оценку пользователям.
2. Из чего состоит опытный образец устройства?
Стоит разграничивать эти два понятия:
Образец (прототип) устройства = электронные компоненты + печатная плата +монтаж + установка ПО + корпус
Прототип продукта = прототип устройства + кабели / источники питания +упаковка + документация + аксессуары
При выпуске нового продукта, как правило, изготавливают от 4 до 10 различных видов прототипов: начиная с грубых макетов, сделанных вручную, заканчивая детально проработанными полнофункциональными устройствами со всеми необходимыми аксессуарами. В рамках этой статьи мы будем говорить о рабочих образцах (прототипах) электронных устройств.
3. Как оценить риски и спланировать бюджет на производство образцов?
Важно учитывать возможные риски и рассчитывать как минимум на две итерации, ведь вы работаете с новым устройством, которое ранее не производилось. Другая компоновка, элементная база, корпус — все это требует новых решений при проектировании.
При работе с первой версией прототипа вы можете столкнуться с проблемами. Например, вам не понравятся характеристики устройства, поэтому вы решите их доработать; или вы используете новый процессор, с которым раньше никто не работал, а при тестировании в нем будут выявлены ошибки. Все возможные риски и форс-мажорные ситуации невозможно предусмотреть даже при самом тщательном планировании.
Любые доработки устройства и корректировки в конструкторской документации (КД) потребуют новых опытных образцов, чтобы убедиться в состоятельности идеи, отладить технологию сборки и т.д. Если не отработать все эти моменты на стадии образца, тогда с аналогичными проблемами можно будет столкнуться на производстве установочной партии, а это задержки в сроках проекта и значительный рост незапланированных расходов.
Изготовление прототипов — это более трудоемкий процесс по сравнению с серийным производством. Поэтому стоимость опытного образца может превысить затраты, рассчитанные для устройства в серии, в десять и более раз.
4. Сколько опытных образцов нужно изготовить в рамках проекта?
Обычно требуется не более 10 штук. Если устройство нужно для работы программистов, будет достаточно 5–7 образцов. Если для нагрузочных испытаний — может понадобиться больше 10 «подопытных» устройств.
Минимальное количество — 3 образца, а лучше 5. Эти цифры определяются технологией изготовления опытных образцов, в них много ручной работы, велика вероятность брака. Например, вам изготовили пять устройств, три из них заработали, два — нет. Соответственно, причиной может быть брак при производстве, а не ошибка разработчиков, поскольку изготовление небольшого количества новых электронных устройств требует отладки технологических процессов.
Три/пять образцов — это также оптимальное количество устройств для тестирования. Они могут проявлять себя по-разному: у первого — перебои с включением, во втором USB-интерфейс не работает, в третьем проблемы не обнаружены. Это говорит о проблемах в монтаже (пайке). Несколько образцов позволяют собрать больше статистических данных о недостатках (это может быть как брак производства, так и ошибки разработчиков).
Еще один фактор, который влияет на количество, — использование образов в работе различных специалистов. Программист отлаживает на них ПО, инженер проверяет и настраивает характеристики, тестировщик оценивает работоспособность и т.д. В процессе интенсивного использования возрастает риск поломки устройства: его могут уронить, сломать при сборке, неправильно подключить питание и т.п. Чем больше будет образцов, тем меньше вы будете подвержены рискам и сможете получить нужный результат в запланированные сроки.
Также важно учитывать количество специалистов, которые будут работать с устройствами параллельно. Плюс предусмотреть один образец для заказчика, который может забрать его для демонстрации инвесторам.
И последний фактор — при мультиплексировании печатных плат, когда монтаж компонентов проводится сразу для нескольких плат в одной итерации, стоимость изготовления одной или пяти плат может отличаться незначительно.
5. Какие документы нужны для изготовления прототипов?
Ниже представлен список документов, которые вам понадобятся для заказа производства прототипов:
- Для производства печатных плат: файлы проекта в любом формате (желательно Gerber RS-274-X) и сопроводительный документ с указанием сроков и количества.
- Файлы для закупки компонентов: ВОМ (ведомость материалов) с указанием номинала, типа корпуса, наименования (Part number) и производителя, также это может быть ПЭ (перечень элементов) или спецификация.
- Для прототипа корпуса: сборочный чертеж либо 3D-модель корпуса в виде файла в формате STEP.
- Для монтажа: сборочный чертеж, PnP-файл (pick and place), предназначенный для оборудования автоматического монтажа компонентов на плату, с указанием номинала, корпуса, позиционного обозначения и координат центра компонентов.
Естественно, чем более подробную документацию вы предоставите производителю, тем лучше. Главное, чтобы вся информация была систематизирована и подкреплена сопроводительными письмами, они позволят вам выстроить прозрачный процесс взаимодействия с подрядчиком, отслеживать сроки и получить ожидаемый результат.
Надеемся, эти советы помогут вам запустить свой проект и получить качественные опытные образцы электронных устройств с первого раза!
Статья подготовлена по материалам Хабрахабр