29 янв 2019

https://habr.com/ru/hubs/electronics/

Правильно «готовим» прототип. Технологии прототипирования корпуса

 

Производство и разработка электроники*

Дизайн

Электроника для начинающих

Как выбрать правильную технологию для прототипа корпуса любого устройства, какие головные боли возникают у разработчиков, когда виртуальная 3D-модель становится физической, и как их лечить? Смотрите инструкцию. Главное здесь — понять, что конкретная технология прототипирования предназначена для решения конкретной задачи.

«Прототип — это работающая модель, опытный образец устройства, механизма или детали». Так пишет Википедия об этом термине.

Для чего нужен прототип? Для проверки свойств устройства, механизма или детали. Свойств для проверки может быть несколько.

• Собираемость
• Реальная жёсткость
• Герметичность
• Электропроводность и защита от наводок
• Трение деталей
• Реальный вес и эргономика, проверяемая людьми с разной степенью влажности ладоней
• Точное соответствие серийному изделию по цветам, качеству поверхности, тактильному восприятию
• Дизайн
• Эргономика

… и есть ещё много всего, что можно проверить, сделав прототип.

Иными словами, опытный образец нужен в тот момент, когда виртуальная модель переходит в физический мир. При этом переходе обязательно всплывают проблемы, которые нельзя выявить в среде разработки. Их нужно выловить до того, как начнётся процесс подготовки корпуса или изделия к серийному производству.

Технологий прототипирования много. Берём самые распространённые для изготовления пластиковых корпусов (как наиболее популярных). Кстати, чем дальше к концу списка, тем ближе эта технология находится к серийному производству.

Технологии прототипирования: каждому своё

1. Макеты, сделанные вручную — из пластилина, пенопласта, глины и других легкообрабатываемых материалов. Такие макеты позволят условно оценить внешний вид изделия, не более. Ну, может, ещё и эргономику проверить. Срок производства — дни (один, два и т.д.), стоимость — несущественная.

2. Печать пластиковой нитью (FDM) — послойное нанесение расплавленного пластика на площадку. Пока такие детали нужно серьёзно дорабатывать перед использованием (плюс покраска и финишная обработка). Подобные прототипы, как и макеты, тоже не решают сложных проблем, но позволяют оценить дизайн и эргономику. Часто с их помощью можно понять реальный вес изделия, какие-то свойства по жёсткости. Срок производства — часы (если не считать ручной обработки). Стоимость — копейки.

3. Лазерное спекание, печать фотополимером (SLA, SLS). Прототип корпуса, сделанный по таким технологиям, уже более-менее полноценен: позволяет проверить не только дизайн и эргономику, но ещё организовать первичную проработку собираемости изделия, а также в какой-то степени оценить жёсткость.

Плюсом технологии является возможность печатать многотельные прототипы, т.е. сразу всё изделие. Детали требуют уже минимальной шлифовки, годятся для окрашивания и издалека неотличимы от реальных. Можно сделать их даже прозрачными.

А проблема таких прототипов кроется в хрупкости и жёсткости — сломать напечатанный корпус легко, а проверить, например, хорошо ли нажимается кнопка, может не получиться. Короче, реальной картины деталь, сделанная по технологиям SLA или SLS, не даст.

Срок изготовления — несколько часов, ценник — несколько тысяч рублей.

4. Фрезеровка пластика и металла. Такие технологии позволят близко подойти к свойствам серийного изделия. По сути, с этой технологии начинается «проверка жизнью» дизайна или корпуса устройства. Ведь материал прототипа обладает теми же свойствами, что и серийного корпуса — жёсткость, кручение, пружинистость и т.д. И таким прототипом можно закрыть все вопросы по собираемости, дизайну, весу, разрушению, поведению в реальных «уличных» условиях.

Хуже обстоят дела с проверкой герметичности — ведь резиновую прокладку фрезеровкой уже не сделать. С прозрачностью тоже непросто.

Срок изготовления — несколько дней, оборудование для многоосной фрезеровки нельзя назвать распространённым, то есть подрядчика надо ещё поискать (но если нужно, пишите, дадим контакты). Ценник — десятки тысяч рублей.

На фотографии — фрезерованный корпус в сравнении с корпусом, сделанным методом FDM

5. Литьё полиуретана в силиконовые формы — отличная технология, которая отвечает на почти все вопросы по физическим свойствам корпуса: резина, прозрачные детали, точное соответствие пластику по жёсткости, пружинности, цвету, фактуре. Литьё в силикон позволяет проверить даже такие свойства будущего устройства, как его «поведение» на морозе или жаре.

Эта технология хотя и простая, но дорогая. Подрядчиков немного. Ещё меньше тех, кто делает аккуратно и красиво. Срок — несколько дней, стоимость — десятки тысяч рублей.

6. Литьё пластика под давлением в легкообрабатываемые формы. По сути, это уже тиражное производство, максимально близкое к серии. Но его стоимость иногда в 2-3 раза дешевле производства с изготовлением полноценной оснастки, да и по срокам всё быстрее.

Оснастка под такое литьё изготавливается из мягких металлов с помощью фрезеровки и ручной доводки. А вот материал (расплавленный пластик) подаётся под давлением, как при нормальном производстве. Можно получить прототип, идентичный серийному изделию по всем свойствам, и изготавливать малые (тысячи штук) серии корпусов или деталей. Стоимость — сотни тысяч рублей, срок — несколько недель.

Выбираем правильную технологию

Итак, нужно ответить себе на вопрос: «Для чего мне нужен прототип?» и выбрать технологию в зависимости от ответа. Например:

— Прототип нужен, чтобы проверить только дизайн → Выбираем трёхмерную печать (3D).

— Важна проверка «собираемости» корпуса прибора с реальными компонентами (например, платой) → Лучше использовать 3D-печать или фрезеровку пластика.

— Изделие тестируем в реальных условиях с реальным железом. Или вы хотите показать устройство клиенту, инвестору или отвезти на выставку → Выбираем фрезеровку или литьё полиуретана.

— Если задача ещё сложнее (например, важно, как, сколько раз нажимается и когда сломается кнопка) → Только полиуретан или литьё пластика под давлением.

ВНИМАНИЕ! Все технологии требуют разной степени проработки исходной модели и конструкции. И, если первые три из перечисленных выше достаточно терпимы к ошибкам при проектировании, то начиная с фрезеровки при подготовке документации вам потребуется опыт конструктора, а при выборе последней технологии в списке (6) — конструктора с опытом подготовки литьевых изделий.

Если есть вопросы, присылайте информацию по вашему изделию (проекту), посоветуем технологию производства и/или подрядчика (разумеется, уже много раз проверенного).

2. ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ

2.1а. Изделие
Единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках или экземплярах (ГОСТ 15895-77)
Применительно к конструкторской документации изделием считается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии (ГОСТ 2.101-68).

2.1б. Изделие народнохозяйственного назначения
Изделие, разработанное и изготовленное для удовлетворения потребностей народного хозяйства, населения или экспорта (Справочник СРПП)
Изделие, разработанное по заданию Министерства обороны, к изделиям народнохозяйственного назначения не относится.

2.1в. Изделие производственно-технического назначения
Изделие, являющееся средством промышленного или сельскохозяйственного производства (Справочник СРПП)
Примерами средств промышленного или сельскохозяйственного производства служат оборудование, оснастка, приборы.

2.1г. Изделие народного потребления
Изделие для удовлетворения личных потребностей населения
К изделиям народного потребления относятся продукты питания, обувь, одежда, бытовые машины и т.д.(Справочник СРПП).

2.1д. Изделие для самостоятельной поставки
Изделие или его составная часть, которая разрабатывается по техническому заданию, а поставляется по техническим условиям
Поставка изделия представляет исполнение обязательств поставщиком по обеспечению потребителя или заказчика изделиями (Справочник СРПП).

2.1е. Изделие самостоятельного эксплуатационного назначения
Изделие, самостоятельно выполняющее служебную функцию

ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ

2.2. Деталь
Изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).

2.3. Сборочная единица
Изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе при помощи сборочных операций (ГОСТ 2.101-68)

2.4. Комплекс
Несколько специфицированных изделий взаимосвязанного назначения, не соединенных на предприятии-изготовителе при помощи сборочных операций (ГОСТ 2.101-68)

2.5. Комплект
Несколько изделий общего функционального назначения, как правило, вспомогательного характера, не соединенных на предприятии-изготовителе при помощи сборочных операций (ГОСТ 2.101-68)

2.6. Неспецифицированное изделие
Изделие, не имеющее составных частей (ГОСТ 2.101-68)

2.7. Специфицированное изделие
Изделие, состоящее из нескольких составных частей (ГОСТ 2.101-68)

2.8. Изделие установочной серии
Каждое из изделий первой промышленной партии, изготовленной в период освоения производства по документации, откорректированной по результатам изготовления и испытаний опытного образца или опытной партии (ГОСТ 2.103-68)
Установочная серия представляет первую промышленную партию, изготовленную в период освоения производства по документации серийного или массового производства с целью подтверждения готовности производства к выпуску продукции в соответствии с установленными требованиями и в заданных объемах(Справочник СРПП).

2.9. Освоенное изделие
Изделие установившегося промышленного производства выпускаемое предприятием в заданном объеме (Справочник СРПП)

ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ПО ПРИНЦИПУ КОНСТРУИРОВАНИЯ

2.10. Оригинальное изделие
Впервые разработанное изделие, примененное в конструкторской документации одного изделия

2.11. Примененное изделие
Ранее разработанное изделие, используемое в конструкторской документации другого изделия

2.12. Унифицированное изделие
Изделие, применяемое в конструкторской документации нескольких изделий

2.13. Стандартное изделие
Изделие, примененное по стандарту, полностью и однозначно определяющему его конструкцию, показатели качества, методы контроля, правила приемки и поставки

2.14. Типовое изделие
Изделие, принадлежащее к группе изделий близкой конструкции, обладающие наибольшим количеством конструктивных и технологических признаков этой группы (ГОСТ 3.1109-82)

2.15. Базовое, изделие
Изделие, которое является основной обязательной составной частью ряда изделий, отличающихся друг от друга выполняемой служебной функцией и конструкцией некоторых составных частей

2.16. Модификация изделия
Разновидность изделия из семейства изделий, создаваемых на основе изделия, принятого за базовое, с целью расширения или специализации сферы его использования (Справочник СРПП)

2.17. Модернизированное изделие
Изделие, разработанное взамен выпускаемого с целью улучшения значений основных показателей качества при частичном изменении его конструкции
Модернизации подлежат только устаревшие изделия.
Модернизированному изделию присваивается новое обозначение (Справочник СРПП).

2.17а. Разъемное изделие
Изделие, разборка которого происходит без нарушения целостности его составных частей

2.17б. Неразъемное изделие
Изделие, разборка которого происходит с нарушением целостности его составных частей

ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ПО ПРИЗНАКУ ТИПА И НАЗНАЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА

2.18. Изделие единичного производства
Изделие, выпускаемое единовременно или периодически отдельными штуками (Справочник СРПП)

2.19. Изделие повторяющегося единичного производства
Изделие единичного производства, периодически выпускаемое отдельными штуками при условии, что интервал времени между выпусками предыдущего и последующего изделий превышает ее производственный цикл
Под производственным циклом понимается интервал времени от начала до окончания производственного процесса изготовления или ремонта изделия (Справочник СРПП).

2.20. Изделие разового изготовления
Изделие единичного производства, единовременно выпускаемое в количестве одной или нескольких штук и непредусмотренное к повторному изготовлению (Справочник СРПП)

2.21. Изделие серийного производства
Изделие, принадлежащее к периодически повторяющимся партиям изготовляемых или ремонтируемых изделий (Справочник СРПП)

2.22. Изделие массового производства
Изделие, принадлежащее к непрерывно изготовляемым или ремонтируемым в течение продолжительного периода времени изделиям, характеризуемым большим объемом выпуска
Под объемом выпуска изделий понимается число изделий определенных наименований, типоразмеров и исполнений, изготовляемых или ремонтируемых предприятием или его подразделением в течение планируемого периода времени (ГОСТ 14.004-83).
Изделие серийного или массового производства изготовляется по документации окончательно отработанной, а производстве при помощи изготовления изделий по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу (ГОСТ 2.103-68).

2.23. Изделие основного производства
Изделие, изготовляемое для поставки
Изделия, предназначенные для поставки и одновременно используемые для собственных нужд предприятия, изготовляющего их, относят к изделиям основного производства (ГОСТ 2.101-68).

2.24. Изделие вспомогательного производства
Изделие, изготовляемое для собственных нужд предприятия (ГОСТ 2.101-68)

ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ПО ПРИЗНАКУ КАЧЕСТВА

2.25. Годное изделие
Изделие, удовлетворяющее всем установленным к нему требованиям (ГОСТ 15467-79)

2.26. Дефектное изделие
Изделие, имеющее хотя бы одно несоответствие установленным к нему требованиям (ГОСТ 15467-79)

2.27. Комплектное изделие
Изделие, состав и средства обеспечения функционирования которого соответствуют требованиям, предусмотренным в стандартах, технических условиях и (или) договоре на поставку продукции

2.28. Новое изделие
Изделие, впервые изготовленное или модернизированное, характеристики качества которого соответствуют современному уровню развития техники (Справочник СРПП)

2.29. Устаревшее изделие
Изделие, характеристики качества которого не соответствуют современному уровню развития техники (Справочник СРПП)

2.29а. Технологическое изделие
Изделие, свойства которого обеспечивают возможность достижения оптимальных затрат труда, материалов, средств и времени при изготовлении, эксплуатации и ремонтах в заданных условиях

ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ

2.30. Обслуживаемое изделие
Изделие, для которого проведение технических обслуживаний предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации (ГОСТ 18322-78)
Под техническим обслуживанием понимается комплекс операций или операция по поддержанию исправного или работоспособного состояния изделия при использовании по назначению, ожидании, хранении и транспортировании (ГОСТ 18322-78).

2.31. Необслуживаемое изделие
Изделие, для которого проведение технических обслуживании не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации

2.32. Ремонтируемое изделие
Изделие, для которого проведение ремонтов предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации
Ремонтом называется комплекс операций по восстановлению исправного или работоспособного состояния и ресурсов изделий или их составных частей (ГОСТ 18322-78).

2.33. Неремонтируемое изделие
Изделие, для которого проведение ремонтов не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации

2.34. Отремонтированное изделие
Изделие, подвергнутое ремонту и пригодное для дальнейшей эксплуатации в соответствии с установленными требованиями (Справочник СРПП)
Под эксплуатацией изделия понимается стадия жизненного цикла изделия, на который реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество. Эксплуатация изделия в ЕСКД включает в себя использование по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и текущие ремонты (ГОСТ 25866-83).

2.35. Восстанавливаемое изделие
Изделие, для которого в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособного состояния непосредственно после отказа предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации

2.36. Невосстанавливаемое изделие
Изделие, для которого в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособного состояния непосредственно после отказа не предусмотрено в нормативно-технической или конструкторской документации

СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ИЗДЕЛИЙ

2.37. Комплектующее изделие
Изделие предприятия-поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого предприятием-изготовителем
Составными частями изделия могут быть детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты (ГОСТ 2.101-68).

2.38. Покупное изделие
Изделие, получаемое предприятием в готовом виде и изготовляемое по технической документации предприятия-поставщика (ГОСТ 2.101-68)

2.39. Кооперированное изделие
Комплектующее изделие, получаемое предприятием в готовом виде и изготовляемое по его технической документации (Справочник ГСС)
Составные части разрабатываемого изделие, изготовляемые на другом предприятии по конструкторской документации, входящей в комплект документов этого изделия, относятся к кооперированным изделиям.

2.40. Взаимозаменяемое изделие
Изделие, которое может применяться вместо другого того же функционального назначения без дополнительной обработки и нарушения заданного качества

2.41. Запасная часть
Составная часть изделия, предназначенная для замены находившейся в эксплуатации такой же части с целью поддержания или восстановления исправного или работоспособного состояния изделия (ГОСТ 18322-78)

2.42. Крепежное изделие
Изделие для образования неподвижного соединения
Примерами крепежных изделий являются болт, винт, гайка, шплинт и т. д. (ГОСТ 27017-86).

ВИДЫ ОБРАЗЦОВ ИЗДЕЛИЙ

2.43. Образец изделия (Образец)
Представитель группы изделий одного назначения и одинаковой конструкции, используемый при исследовании, контроле или оценке
Образец изделия следует отличать от конкретного экземпляра этого изделия, который становится образцом лишь в случав применения его в качестве представителя группы изделий (Справочник СРПП).

2.44. Экспериментальный образец
Образец изделия, обладающий основными признаками разрабатываемого изделия, изготовляемый для проведения исследовательских испытаний с целью проверки предлагаемых решений и уточнения отдельных характеристик создаваемого изделия
Экспериментальный образец выполняется в натуральную величину и представляет собой законченное изделие, пригодное для исследовательских испытаний (Справочник СРПП).

2.45. Образец для испытаний
Образец изделия, непосредственно подвергаемый эксперименту при испытаниях (ГОСТ 16504-81)

2.46. Опытный образец
Образец изделия, изготовленный по вновь разработанной рабочей документации для проверки путем испытаний соответствия его заданным техническим требованиям с целью принятия решения о возможности постановки на производство и (или) использования по назначению (ГОСТ 16504-81)
Совокупность опытных образцов изделия, изготовленных за установленный интервал времени, называется опытной партией (Справочник СРПП).

2.46а. Ремонтный опытный образец
Изделие, отремонтированное по документации опытного ремонта для проверки его соответствия заданным требованиям с целью принятия решения о возможности организации серийного ремонта изделий

2.47. Головной образец
Первый экземпляр изделия единичного или мелкосерийного производства, изготовленный по вновь разработанной документации для применения заказчиком с одновременной отработкой конструкции и технической документации для производства и эксплуатации остальных изделий данной партии или серии
Головной образец характерен для мелкосерийного и единичного производства изделий с длительным циклом изготовления и монтажа (Справочник СРПП).

2.48. Контрольный образец
Образец изделия, утвержденный в установленном порядке, характеристики которого приняты за основу при изготовлении и контроле таких же изделий (ГОСТ 16504-81)

2.49. Образец-эталон
Контрольный образец, предназначенный для сравнения с ним изготовленного изделия при его приемке и поставке
Образец-эталон представляет собой реальный экземпляр из числа выпускаемых контрольных изделий, применяемый в качестве дополнения к технической документации (Справочник СРПП).

2.50. Авторский образец
Образец изделия, изготовленный автором или авторами для его демонстрации
При положительной оценке комиссии авторский образец принимается за прототип будущего изделия для разработки технической документации и организации промышленного производства (Справочник СРПП).

2.51. Образец изделия
Образец изделия, утвержденный в установленном порядке и предназначенный для выполнения по нему индивидуальных заказов населения на изготовление таких изделий (Справочник СРПП)

МОДЕЛИ И МАКЕТЫ ИЗДЕЛИЙ

2.52. Модель изделия (Модель)
Изделие, являющееся объемным упрощенным воспроизведением данного изделия или его составной части в установленном масштабе, предназначенное для проверки принципа действия и (или) определенных характеристик этого изделия
Модели изделия изготовляются при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и являются составными частями макетов (ГОСТ 2.002-72).

2.53. Модель для испытаний
Модель изделия, заменяющая данное изделие при испытаниях (ГОСТ 16504-81)

2.54. Макет изделия (Макет)
Изделие, являющееся упрощенным воспроизведением разрабатываемого изделия или его составной части в установленном масштабе для проверки технических и художественных решений и отдельных характеристик в проектной и рабочей документации этого изделия (ГОСТ 2.002-72, ГОСТ 2.103-68)

2.55. Проектный макет изделия (Проектный макет)
Макет изделия, изготовленный и используемый на стадии разработки эскизного и технического проектов (ГОСТ 2.002-72)

2.56. Рабочий макет изделия (Рабочий макет)
Макет изделия, изготовленный и используемый на стадии разработки рабочей конструкторской документации (ГОСТ 2.002-72)

2.57.Исполнение изделия (Исполнение)
Конструкция одного из изделий, информация о которой содержится в одном групповом или базовом основном конструкторском документе (ГОСТ 2.113-75)

2.58. Основное исполнение изделия (Основное исполнение)
Исполнение изделия, обозначение которого совпадает с обозначением группового основного конструкторского документа (ГОСТ 2.113-75)

2.59. Постоянные данные исполнений (Постоянные данные)
Информация об исполнениях изделий, совпадающая для группы изделий и содержащаяся в одном конструкторском документе (ГОСТ 2.113-75)

2.60. Переменные данные исполнений (Переменные данные)
Информация об исполнениях изделий, различная для группы изделий (ГОСТ 2.113-75)

2.61. Условное наименование изделия (Условное наименование)
Дополнение к наименованию изделия в виде условного обозначения для характеристики отличия исполнения или группы исполнений изделия от других изделий аналогичного назначения (ГОСТ 2.113-75)