前不久,我在一篇博文中阐述了我眼中的3D打印机前景。这次,我想再做些发挥,说说我对原型设计技术的看法,尤其是服务于机械设计,以快速和“精益”为特点的原型制作。

“精益”一词源于汽车制造业,后用于描述原型设计和软件创业公司的客户拓展工作。许多软件/互联网创业公司的制胜秘诀并不在于科技发明,用户体验和市场营销才是成功的推动因素。人们逐渐意识到,这一点同样适用于硬件创业公司。由于原型设计变得越来越易于操作,以硬件为基础的项目和创业公司(比如众筹平台Kickstarter设计版块里的项目)也同比增长。当然,硬件产业生产和分销的难度仍旧高于软件产业,这一挑战依然存在。

这里简单介绍一下我在进行硬件原型设计时所使用的工具和方法。

一元店

管道胶带、强力胶、喷漆,再加上一家充满想象力的一元店,差不多就是原型设计最好用的(可能也是最出人意料的)工具了。我坚信应及早制作原型,因为原型制作得越快,发现知识漏洞的速度也就越快。另外,如果有真实可触的东西可以展示给别人(潜在顾客)看,人们会更容易对该项目产生兴趣。

不要忘了上喷漆,否则只是大体上做完了原型!看上去不完善的原型自然而然会失去受众。如果原型显得不够专业、美观或似乎尚未完工,那么即使是该原型的最佳特质,在普通观众心目中的印象也会大打折扣。亚马逊(Amazon)网站、电子产品商店和硬件商店也是不错的资源,尤其是在对自己想要制作的东西有了一个完整的构想,并能确定具体需要哪个部件之后更是如此。在此之前,寻找零部件和原材料的主要标准应该是快速获取、价格低廉以及便于上手。

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图2-1:大量价格低廉、易于改造的零部件(图片来自维基共享资源网)

不要忘了上喷漆,否则只是大体上做完了原型!看上去不完善的原型自然而然会失去受众。如果原型显得不够专业、美观或似乎尚未完工,那么即使是该原型的最佳特质,在普通观众心目中的印象也会大打折扣。亚马逊(Amazon)网站、电子产品商店和硬件商店也是不错的资源,尤其是在对自己想要制作的东西有了一个完整的构想,并能确定具体需要哪个部件之后更是如此。在此之前,寻找零部件和原材料的主要标准应该是快速获取、价格低廉以及便于上手。

纸笔工作

只需非常简单的计算就可以证明某个想法是否违反了物理学定律。为避免尴尬,一定要亲自尝试这样的计算,而不要留给别人(比如某个投资者)去做。应确保在做过相关计算后,再去为项目投入大量时间。这样的计算工作也有助于在另选其他设计和优化现有设计间做出抉择。

借助简易的草图,可呈现创意并把想法组织起来,以指导实体原型的制作。制作一件作品或完成一项工作通常可采用很多方法,把这些不同方法写在纸上不仅有助于做出正确选择,还可以把观点更快地传达给别人。

计算机建模

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图2-2:CAD模型示意图(图片来自维基共享资源网用户Nikola LK)

对于职业机械设计师来说,计算机辅助设计(CAD)已经经受住了实践的检验,部分CAD项目的成本近来大幅下降。以三维CAD设计软件Alibre为例,目前它的价格与家用及商用版本的Microsoft Office软件大致相当,以不及专业设计软件1/10的价格,提供了专业软件70%~80%的功能。初级CAD系统通常不具备测试各部件物理特性的仿真应用功能,但开放资源中有一些扩展程序包可以满足这样的需求。此外,只有接受过训练的人对仿真功能进行操作,才能保证制成的模型足够可靠。

我不清楚CAD技术为什么没有引起制造商、黑客和业余爱好者更大的兴趣。有了充分呈现的CAD模型,制作实体模型会较容易些。修改CAD模型轻松快捷,成本也较低。CAD的设计迭代可以和调整软件代码一样迅速。

不过,如果最终成品的部件间存在联动关系,CAD模型可能无法证明协同工作的顺利实现,对于运转部件和嵌入式电子元件来说尤其如此。

二维切割

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图2-3:水射流切割所得的75毫米厚钢材(图片来自维基共享资源网用户Fromthecorner)

使用水射流和激光切割机在金属薄片(及其他材料)上进行蚀刻或切除掉其中的一部分,再对金属薄片进行折叠或压制,就可以得到最终的三维成品。这一过程成本低廉且非常快捷,一个小部件可以在短短五分钟之内制造出来,造价仅为5美元。机器本身的大小决定了它可以制造出小如智能手机,大如笔记本电脑的物件。但无论物件尺寸大小,均存在个别无法实现的情况。

这样的机器在家庭中还不常见,采用的设计方法也有所不同,即需要在二维平面上想象三维实体。即使家里没有这样的机器,也总能找到几家可以帮你切割部件的公司,哪怕你住在小城市里也不例外。

叠加制造

“叠加制造”是3D打印的别名,它广受业余爱好者的欢迎,也屡见于媒体。亲眼目睹一个零部件从无到有是非常精彩的经历,它可以是金属材质、塑料材质或者类似于橡胶的材质,不过不同材质一般会在不同机器上加工而成。目前进行叠加制造的机器体积小、造价低且便于操作,因此不再只服务于工业用途。原本由多个部分构成的组件可以在3D打印机上以一个整体的形式制造出来。一些不能由其他工序生产的部件(例如内部有孔洞或空隙的部件),也可以由3D打印机来完成。3D打印机还可以在短时间内以低成本制造出模具,以供生产零部件之用。一个原型的造价可为20美元到100美元不等,具体差价取决于材质的不同。

计算机数控

通常情况下,计算机数控(CNC)指的是将大块金属(或其他材料)切割制成零件的铣床。这很可能是第一种用于原型设计的机器,不过该机器也常应用于生产领域。尽管在家操作的CNC兴趣小组日渐增多,但人们一般不会在家中购置CNC设备。利用CNC生产的零件相对较贵,造价通常在150美元以上。

制模和玻璃纤维

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图2-4:使用玻璃纤维模具制造的碳纤维减速伞,来自英属哥伦比亚大学(UBC)太阳能汽车团队

如需制造形状不规则的部件,或者需要同一部件的几个复制品,制模和使用玻璃纤维是不错的选择。与其他操作方式相比,初期制模的工作量要大得多,但借助从业余爱好者那里和胶卷产业中得来的材料,可很快完成模型制作。玻璃纤维和部分模具含有有毒的化学成分,因此生产过程中需戴手套操作,并保持通风。原料价格低廉(对于绝大多数中小尺寸的零部件而言,50美元至100美元就已经足够),但需要大量的时间和人力来加工这些材料。上图英属哥伦比亚大学太阳能汽车所用的减速伞就是一个耗资2500美元、花费500工时制成的大型碳纤维部件(尺寸约为2米×5米×1米)。

焊接

焊接可将金属材料连接起来,并在多种零部件的加工中都有所应用,例如将金属管制成框架,或将金属薄片制成立体部件等。和制模一样,焊接前需一定的耗时,以便用夹具把待焊接的部件固定好。点焊机可实现金属部件间的快速连接,操作技巧也相对较少,尤其适用于接合已经过水射流或激光切割机切割的片状金属,以实现立体部件的制造。通常,使用胶水更为简便易行,并且也可以满足原型制作的要求。

Arduino2

2开源单片机,采用基于开源代码的软硬件平台。——译者注

使用Arduino和其他微控制器,可以简便而廉价地做好原型设计,并且将电子元件组合成一体。有大量相关的可用实例和技术支持,也许有人已经解决了你当前遇到的问题,并且愿意为此提供帮助。SparkFun3 等品牌可提供不错的传感器及其他电气附件,均可兼容于Arduino和其他平台。

3美国一家开源电子零配件公司。——译者注

用户反馈

如果受众不仅局限于几个人,就必须得和预期用户们聊一聊了。进行现场演示或让潜在用户接触原型十分重要,反馈群体的选择,以及用户试用原型的方法也同样重要。得到反馈后,就可以开始原型的下一轮改进工作,直至产品的最终成型。我认为这与精益软件的开发过程有很多相似之处。

我怎样选择反馈群体

我需要的是如下这些特质。

  1. 能够接受改变

对现状过于满意的人会抵制改变。更糟糕的是,他们自己不想改变,却认为老板会逼着他们做出改变。这类人会随便想个理由,来证明你的原型不会成功。要想说服他们十分困难。就像在电影《上班一条虫》里,如果拿走米尔顿的订书机,他可能会把房子都烧了。

2.能够给出客观评价

与上述只会给出负面评价的人相同,不要选择只会给出正面评价的人。如果你的母亲支持你的一切决定,那么她肯定不会给出令人满意的反馈。

有些人对任何新鲜事物都会感到兴奋。他们给出的反馈可能很有激励作用,但必须同时为他们提供一些指导和说明,才能获得具有建设性的建议。

3.能够理解原型目前的状况

大多数人从未目睹过制造产品的过程。对他们来说,所有东西都来自亚马逊或沃尔玛,而且最好是完美无缺的。如果产品发生断裂、外观丑陋、会发出滑稽的声音,或者撞坏了,那么它就是件很糟糕的产品,该产品的制造公司此后可能再也无法赢得他们的信赖。可惜,对原型的早期版本持同情心理的人并不多,因此你很难获得来自这类人的足量反馈。

不理解原型目前状况的人总会对你展示的东西感到失望,因此如果选择向他们询问产品反馈,就必须先帮他们调整好期待值,告诉他们原型想要表现的究竟是什么。如果他们能够清楚原型的存在只是为了测试最终产品的某几个特性,便可以更好地理解原型的情况。使用喷漆并美化原型的外观之所以十分重要,正是因为这些人的存在。对于初期设计而言,应更多地讨论其创意和特色,而不是被美学因素转移了注意力。

总结

目前原型设计的价格之低廉、操作之简便前所未有。在我看来,许多放上Kickstarter网站的设计项目,只需花费1000美元购买零部件和原材料即可做出一个原型,有些甚至只需100美元。和软件研发领域类似,设计者适时注入了更大额度的投资。当然,还需要经过几个(甚至很多个)阶段才会得到最终的设计方案。好的用户反馈必不可少,并可利用这些反馈制作下一阶段的原型,这是一个循环往复的过程。做出优秀产品的关键在于要早一些犯错,并从错误中吸取经验教训,而做到这一点的最佳方法就是进行原型设计并收集用户反馈。

致谢

我在原型设计方面的很多想法和观点都是在英属哥伦比亚大学学习机械工程课程时形成的,尤其受益于教授设计的老师;也有部分想法受到了斯坦福设计研究中心和剑桥工程设计中心所做工作的启发。如想深入探究文中涉及的领域,以上几个地方都是非常理想的去处。

本文摘自《创业的智慧》 作者:格雷汉姆·道格拉斯