- 第1部分-产品开发策略
- 1）自己开发产品
- 2）聘请技术联合创始人
- 3）外包给自由工程师
- 4）外包给开发公司
- 5）与制造商合作
- 第2部分–开发电子产品
- 步骤1 –建立初步的生产设计
- 步骤2 –设计原理图
- 步骤3 –设计印刷电路板（PCB）
- 步骤4 –生成最终物料清单（BOM）
- 步骤5 –订购PCB原型
- 第6步-评估，编程，调试和重复
- 步骤7 –验证您的产品
- 第3部分–开发机箱
- 步骤1-建立3D模型
- 第2步-订购案例原型（或购买3D打印机）
- 步骤3-评估机柜原型
- 步骤4-过渡到注塑成型
- 结论
- 关于作者
那么您想开发一种新的电子硬件产品吗？让我从好消息开始-可能。无论您的技术水平如何，都可以开发硬件产品，并且不一定要成为一名工程师就可以成功（尽管它肯定会有所帮助）。
无论您是企业家，初创企业，制造商，发明家还是小型企业，本指南都将帮助您了解新产品开发过程。
不过，我不会对你说谎。发布新的硬件产品是一个漫长而艰巨的旅程。尽管硬件以其坚硬而著称，但现在 个人和小团队开发新硬件产品比以往任何时候都更加容易。
但是，如果您正在寻找一种简便快捷的赚钱方式，那么我建议您现在就停止阅读，因为将新的硬件产品推向市场远非易事或快捷。
在本指南中，我将首先为希望创建新的电子硬件产品的技术创造者和非技术企业家讨论产品开发策略。然后，我们将继续开发电子产品，然后再开发塑料外壳。
第1部分-产品开发策略
企业家和初创企业开发新硬件产品基本上有五种选择。但是，最好的整体策略通常是这五种发展策略的组合。
1）自己开发产品
仅靠它本身很少是可行的策略。很少有人会完全依靠自己开发出面向市场的电子产品所需的全部技能。
即使您恰好是一名工程师，您是否也是电子设计，编程，3D建模，注塑和制造方面的专家？可能不会。同样，这些专业大多数都由众多子专业组成。
就是说，如果您具备必要的技能，那么您自己开发产品的时间越长，您节省的钱就越多，从长远来看，您的收益会越多。
例如，大约6年前，我将自己的硬件产品推向市场。机械产品比电气产品复杂。我是经过培训的电子工程师，而不是机械工程师，因此我最初聘请了一些自由机械工程师。
但是，我很快对进展缓慢感到沮丧。毕竟，几乎每个醒来的时候我都在思考我的产品！我着迷于尽可能快地开发产品并投放市场。但是我聘请的工程师正在将其与其他许多项目混为一谈，却没有给予我应有的关注。
因此，我决定自己学习机械设计所需的一切。没有人比我更有动力去开发我的产品并推向市场。最终，我能够更快地完成机械设计（并且花费更少的钱）。
故事的寓意是在技能允许的范围内尽力发展，但也不要太过分。如果您的次级专家技能使您开发的产品不尽人意，那将是一个大错误。另外，您必须学习的任何新技能都将花费时间，最终可能会延长产品上市时间。始终请专家来填补您的专业知识方面的空白。
我最喜欢的有关学习电子开发的网站包括Hackster.io，Build Electronic Circuits，秃头工程师，Adafruit，Sparkfun，Make Magazine和All About Circuits。请务必查看YouTube频道AddOhms，其中包含一些绝对不错的入门视频，供您学习电子产品。
2）聘请技术联合创始人
如果您是非技术创始人，那么绝对值得聘请技术联合创始人。您的启动团队的一位创始人至少需要对产品开发有足够的了解以管理流程。
如果您打算最终从专业投资者那里寻求外部资金，那么您肯定需要一个创始人团队。专业的创业投资者知道，一个团队的创始人比一个单独的创始人更有可能成功。
对于大多数硬件初创公司而言，理想的联合创始人团队是硬件工程师，程序员和营销人员。
聘请联合创始人听起来可能是解决您问题的完美解决方案，但也有一些严重的缺点。首先，找到联合创始人很困难，可能会花费大量时间。那是宝贵的时间，没有花在开发产品上。
寻找共同创始人不是一件容易的事，您需要花时间找到合适的人选。他们不仅需要补充您的技能，而且您还真的需要个人喜欢它们。从本质上讲，您将至少与他们结婚几年，因此请确保您相处融洽。
聘请联合创始人的主要弊端是他们减少了您在公司中的股权。公司的所有创始人都应该真正拥有公司的平等权益。因此，如果您现在要独奏，请准备将公司的一半股份捐给公司。
3）外包给自由工程师
填补团队技术能力空白的最佳方法之一就是外包给自由工程师。
请记住，大多数产品将需要具有不同专业的多个工程师，因此您需要自己管理各个工程师。最终，创始团队中的某个人将需要担任项目经理。
确保找到一位具有设计产品所需电子类型经验的电气工程师。电气工程是一个巨大的研究领域，许多工程师缺乏电路设计经验。
对于3D设计师，请确保您找到了具有注塑技术经验的人，否则您最终可能会获得可以原型制作但不能批量生产的产品。
4）外包给开发公司
最著名的产品设计公司，例如Frog，IDEO，Fuse Project等，可以生成出色的产品设计，但是价格却非常昂贵。
初创企业应不惜一切代价避免使用昂贵的设计公司。顶级设计公司可能会收取50万美元以上的费用来全面开发您的新产品。即使您有能力聘请昂贵的产品开发公司，也不要这么做。您不仅可能永远不会收回这笔钱，而且您也不想犯错，那就是建立一个不参与实际产品开发的硬件启动公司。
5）与制造商合作
一种寻求途径是与已经生产与您的产品相似的产品的海外制造商合作。
大型制造商将拥有自己的工程和开发部门来开发自己的产品。如果您可以找到已经生产出与您自己产品相似的产品的制造商，那么他们可以为您做任何事情-开发，工程，原型制作，模具生产和制造。
此策略可以降低您的前期开发成本。但是，制造商将摊销这些成本，这意味着在首次生产运行时会为每种产品增加额外的成本。从本质上讲，这就像无息贷款一样，使您可以缓慢地将开发成本偿还给制造商。
听起来很棒而且很容易，那么有什么收获呢？使用此策略要考虑的主要风险是，您要将与产品相关的所有内容都放到一家公司中。
他们肯定会想要一份独家制造协议，至少要等到成本收回为止。这意味着当产量增加时，您将无法迁移到更便宜的制造方案。
还请注意，许多制造商可能希望获得您产品的部分或全部知识产权。
第2部分–开发电子产品
产品电子产品的开发可分为七个步骤：初步生产设计，原理图，PCB布局，最终BOM，原型，测试和程序以及最终认证。
步骤1 –建立初步的生产设计
在开发新的电子硬件产品时，您应该首先进行 初步的生产设计 。请勿将其与概念验证（POC）原型相混淆。
POC原型通常使用Arduino等开发套件构建。有时，它们对于证明您的产品概念可以解决所需的问题很有用。但是POC原型远非生产设计。您几乎不会在产品中嵌入Arduino的情况下进入市场。
一个 初步的生产设计 侧重于产品的组件生产，成本，利润空间，性能，功能，开发可行性和可制造性。
您可以使用初步的生产设计来估算产品所需的每项成本。准确知道开发，原型设计，编程，认证，扩展和制造产品的成本非常重要。
初步的生产设计将回答以下相关问题。我的产品是否可行开发？我可以负担得起开发该产品的费用吗？开发产品需要多长时间？我可以批量生产产品吗？我可以赚钱卖吗？
许多企业家错误地跳过了初步的生产设计步骤，而直接跳入设计原理图。这样一来，您最终可能会发现自己已经花了所有这些努力和来之不易的钱购买了无法负担得起的开发，制造或最重要的是无法获利的产品。
步骤1A –系统框图
在创建初步生产设计时，应首先定义系统级框图。该图指定了每个电子功能以及所有功能组件的互连方式。
大多数产品需要具有各种组件（显示器，传感器，内存等）的微控制器或微处理器，这些组件通过各种串行端口与微控制器连接。
通过创建系统框图，您可以轻松识别所需的串行端口的类型和数量。这是为产品选择正确的微控制器必不可少的第一步。
步骤1B –选择生产组件
接下来，您必须根据所需的功能和产品的目标零售价格选择各种生产组件：微芯片，传感器，显示器和连接器。然后，您可以创建初步的物料清单（BOM）。
在美国，Newark，Digikey，Arrow，Mouser和Future是最受欢迎的电子组件供应商。您可以购买大多数电子组件（用于原型设计和初始测试），也可以购买多达数千个（用于小批量制造）。
一旦达到更高的产量，您将可以直接从制造商那里购买一些组件来节省金钱。
步骤1C –估算生产成本
现在，您应该估算产品的生产成本（或销售成本– COGS）。尽快了解制造您的产品的成本至关重要。
您需要知道产品的制造单位成本，才能确定最佳的销售价格，库存成本，最重要的是可以获取多少利润。
您选择的生产组件当然会对制造成本产生重大影响。
但是要获得准确的制造成本估算，您还必须包括PCB组装，最终产品组装，产品测试，零售包装，报废率，退货，物流，关税和仓储的成本。
步骤2 –设计原理图
现在是时候根据您在步骤1中创建的系统框图来设计电路原理图了。
示意图显示了从微芯片到电阻器的每个组件如何连接在一起。尽管系统框图主要集中在较高级别的产品功能上，但示意图仅涉及一些小细节。
诸如原理图中组件上的引脚编号错误之类的简单问题可能会导致功能的完全缺乏。
在大多数情况下，系统框图的每个模块都需要一个单独的子电路。这些不同的子电路然后将被连接在一起以形成完整的原理图。
使用特殊的电子设计软件来创建原理图并帮助确保其没有错误。我建议使用一个名为DipTrace的软件包，该软件包价格合理，功能强大且易于使用。
步骤3 –设计印刷电路板（PCB）
完成原理图后，您现在将设计印刷电路板（PCB）。PCB是固定并连接所有电子组件的物理板。
本质上，系统框图和原理图电路的开发主要是概念性的。PCB设计是非常真实的世界。
使用与创建原理图相同的软件来设计PCB。该软件将具有各种验证工具，以确保PCB布局符合所用PCB工艺的设计规则，并且PCB与原理图匹配。
通常，产品越小，组件封装得越紧密，创建PCB布局所花费的时间就越长。如果您的产品路由大量电源或提供无线连接，那么PCB布局就显得尤为关键和耗时。
对于大多数PCB设计而言，最关键的部分是电源布线，高速信号（晶体时钟，地址/数据线等）和任何无线电路。
步骤4 –生成最终物料清单（BOM）
尽管您应该已经将初步BOM创建为初步生产设计的一部分，但是现在是时候使用完整生产BOM。
两者之间的主要区别在于众多低成本组件，例如电阻器和电容器。这些组件通常只花费一两个便士，因此我不会在初步BOM中单独列出它们。
但是要实际制造PCB，您需要一个完整的BOM，其中列出了每个组件。该BOM通常是由原理图设计软件自动创建的。BOM表列出了零件号，数量和所有组件规格。
步骤5 –订购PCB原型
创建电子原型是一个两步过程。第一步是生产裸露的印刷电路板。您的电路设计软件将允许您以称为Gerber的格式输出PCB布局，每个PCB层都有一个文件。
这些Gerber文件可以发送到原型店进行小批量运行。相同的文件也可以提供给较大的制造商，以进行大批量生产。
第二步是将所有电子组件焊接到板上。从设计软件中，您将能够输出一个文件，该文件显示了放置在板上的每个组件的确切坐标。这使装配车间能够完全自动化PCB上每个组件的焊接。
您最便宜的选择是在中国生产PCB原型。尽管通常最好将原型制作到离家较近的地方，以减少运输延误，但对许多企业家而言，最小化成本更为重要。
为了在中国生产原型板，我强烈建议Seeed Studio。他们提供从5到8,000板的批量价格惊人的价格。他们还提供3D打印服务，使他们成为一站式商店。其他享有良好声誉的中国PCB原型制造商还包括Gold Phoenix PCB和Bittele Electronics。
在美国，我推荐了Sunstone Circuits，Screaming Circuits和San Francisco Circuits，它们已被广泛用于原型设计自己的设计。除非您为急需的服务付费（我很少建议这样做），否则组装板需要1-2周的时间。
第6步-评估，编程，调试和重复
现在该评估电子产品的原型了。请记住，您的第一个原型很少能完美地工作。在完成设计之前，您很可能会经历几次迭代。这是您识别，调试和修复原型问题的时候。
就成本和时间而言，这是一个很难预测的阶段。您发现的任何错误当然都是意外的，因此需要花费一些时间来找出错误的来源以及如何最好地修复它。
评估和测试通常与对微控制器编程并行进行。在开始编程之前，您至少需要进行一些基本测试，以确保开发板没有重大问题。
几乎所有现代电子产品都包含称为微控制器单元（MCU）的微芯片，该微芯片充当该产品的“大脑”。微控制器与计算机或智能手机中的微处理器非常相似。
微处理器擅长快速移动大量数据，而微处理器擅长连接和控制开关，传感器，显示器，电动机等设备。单片机几乎是一种简化的微处理器。
需要对微控制器进行编程以执行所需的功能。
微控制器几乎总是以常用的计算机语言“ C”进行编程。该程序称为固件，存储在微控制器芯片内部的永久但可重新编程的存储器中。
步骤7 –验证您的产品
所有出售的电子产品都必须具有各种认证。所需的认证取决于产品将在哪个国家/地区销售。我们将涵盖美国，加拿大和欧盟所要求的认证。
FCC（联邦通讯委员会）
对于在美国销售的所有电子产品，必须具有FCC认证。所有电子产品都会发射一定量的电磁辐射（即无线电波），因此FCC希望确保产品不会干扰无线通信。
FCC认证分为两类。您的产品需要哪种类型取决于您的产品是否具有无线通信功能，例如蓝牙，WiFi，ZigBee或其他无线协议。
FCC将具有无线通信功能的产品归为 故意辐射器 。不故意发射无线电波的产品被归类为 非故意辐射器 。故意散热器认证的费用大约是非故意散热器认证的10倍。
首先考虑将电子模块用于产品的任何无线功能。这样一来，您只能获得非故意的散热器认证，这将为您节省至少1万美元。
UL（包销商实验室）/ CSA（加拿大标准协会）
对于在美国或加拿大出售的所有插入交流电源插座的电气产品，必须具有UL或CSA认证。
未插入交流电源插座的仅电池产品不需要UL / CSA认证。但是，大多数主要的零售商和/或产品责任保险公司将要求您的产品获得UL或CSA认证。
欧盟行政长官（ConformitéEuropéene）
在欧盟（EU）出售的大多数电子产品都需要CE认证。它类似于美国要求的FCC和UL认证。
RoHS指令
RoHS认证可确保产品无铅。在欧盟（EU）或加利福尼亚州出售的电气产品都需要RoHS认证。由于加利福尼亚的经济如此重要，因此在美国销售的大多数产品都通过了RoHS认证。
锂电池认证（UL1642，IEC61233和UN38.3）
可充电锂离子/聚合物电池存在一些严重的安全隐患。如果短路或过度充电，它们甚至可能会起火。
您还记得由于这个问题在三星Galaxy Note 7上的两次召回吗？还是有关各种飞翔器爆炸的故事？
由于这些安全问题，必须对可充电锂电池进行认证。对于大多数产品，我建议最初使用已经获得这些认证的现成电池。但是，这将限制您的选择，并且大多数锂电池尚未通过认证。
这主要是由于大多数硬件公司选择定制电池来充分利用产品中所有可用空间的事实。因此，大多数电池制造商都不必为获得现成的电池认证而烦恼。
第3部分–开发机箱
现在，我们将介绍任何定制塑料件的开发和原型制作。对于大多数产品，这至少包括将所有部件固定在一起的外壳。
定制形状的塑料或金属件的开发将需要3D建模专家，或者需要更好的工业设计师。
如果外观和人体工程学对您的产品至关重要，那么您将需要雇用一名工业设计师。例如，工业设计师就是使像iPhone这样的便携式设备看起来如此酷炫时尚的工程师。
如果外观对于您的产品不是很关键，那么您可以雇用3D建模者，而且它们通常比工业设计师便宜得多。
步骤1-建立3D模型
开发产品外观的第一步是创建3D计算机
模型。用于创建3D模型的两个主要软件包是Solidworks和PTC Creo（以前称为Pro / Engineer）。
但是，Autodesk现在提供了一个基于云的3D建模工具，该工具对于学生，爱好者和初创公司完全免费。它称为Fusion 360。如果您想进行自己的3D建模，而又不依赖Solidworks或PTC Creo，那么绝对可以考虑使用Fusion 360。
工业或3D建模设计师完成3D模型后，即可将其转换为物理原型。3D模型也可以用于营销目的，尤其是在您可以使用功能性原型之前。
如果您打算将3D模型用于营销目的，则需要创建该模型的逼真的照片版本。Solidworks和PTC Creo都提供照片逼真的模块。
您还可以完成产品的逼真的3D动画照片。请记住，您可能需要聘请专门从事动画并使3D模型看起来逼真的独立设计师。
为您的机箱开发3D模型时，最大的风险是最终获得的设计可以原型设计但不能批量生产。
最终，您的外壳将通过一种称为高压注射成型的方法生产（更多信息，请参见下面的步骤4）。
开发使用注塑成型的零件可能非常复杂，需要遵循许多规则。另一方面，几乎所有东西都可以通过3D打印制作原型。
因此，请确保只雇用完全了解注塑成型所有复杂性和设计要求的人员。
第2步-订购案例原型（或购买3D打印机）
塑料原型是使用加法（最常见）或减法来构建的。诸如3D打印之类的加法过程通过堆叠塑料薄层以创建最终产品来创建原型。
到目前为止，加性过程是最常见的，因为它们能够创建几乎可以想象的任何东西。
减法过程，例如CNC加工，取而代之的是一块固态生产塑料，然后切出最终产品。
减法工艺的优势在于您可以使用与最终使用的塑料完全匹配的塑料树脂。这对于某些产品而言很重要，但是对于大多数产品而言，这并不是必需的。
在添加过程中，使用了特殊的原型树脂，并且与生产的塑料可能会有不同的手感。添加剂工艺中使用的树脂已得到显着改善，但仍与注塑中使用的生产塑料不匹配。
我已经提到了这一点，但是值得再次强调。请注意，原型制作过程（加法和减法）与生产（注塑）技术完全不同。您必须避免创建无法制造的原型（尤其是带有附加原型的原型）。
刚开始时，您不一定需要使原型遵循所有注塑成型规则，但是您需要牢记这些规则，以便您的设计可以更轻松地过渡到注塑成型。
许多公司可以采用您的3D模型并将其转变为物理原型。Proto Labs是我个人推荐的公司。它们提供加性和减性原型，以及小批量注射成型。
您也可以考虑购买自己的3D打印机，特别是如果您认为需要多次迭代才能使产品正确。现在只需花费几百美元就可以购买3D打印机，您可以根据需要创建任意数量的原型版本。
拥有自己的3D打印机的真正优势在于，它使您几乎可以立即迭代原型，从而缩短了上市时间。
步骤3-评估机柜原型
现在是时候评估外壳原型并根据需要更改3D模型了。几乎总是需要多次原型迭代才能使外壳设计正确。
尽管3D计算机模型使您可以直观地看到外壳，但是没有什么比将手中的真实原型握在手中。拥有第一个真正的原型后，几乎肯定会同时进行功能和外观上的更改。计划需要多个原型版本以使一切正确。
为新产品开发塑料不一定容易或便宜，尤其是在美学对您的产品至关重要的情况下。但是，当您从原型阶段过渡到全面生产时，真正的复杂性和成本就会增加。
步骤4-过渡到注塑成型
尽管电子产品可能是产品开发中最复杂，最昂贵的部分，但塑料将是制造中最昂贵的。使用注塑成型来设置塑料零件的生产非常昂贵。
今天售出的大多数塑料产品都是使用称为注射成型的真正古老的制造技术制成的。了解此过程对您来说非常重要。
您从钢模具开始，该模具是用高压将两块钢固定在一起的模具。模具具有所需产品形状的雕刻型腔。然后，将热的熔融塑料注入模具中。
注射成型技术有一个很大的优势–这是一种廉价的制造数百万个相同塑料件的方法。当前的注射成型技术使用巨大的螺杆将塑料高压加压到模具中，这是1946年发明的工艺。与3D打印相比，注射成型是古老的！
注塑模具能够以非常低的单位成本制造大量相同的物品，非常高效。但是模具本身非常昂贵。设计用于制造数百万种产品的模具可以达到10万美元！如此高的成本主要是因为塑料是在如此高的压力下注入的，这在模具上非常困难。
为了承受这些条件，模具是用硬质金属制成的。所需的注射次数越多，所需的金属越硬，成本也越高。
例如，您可以使用铝制模具制造数千个单元。铝很软，因此会很快降解。但是，由于它更柔软，也更容易制作成模具，因此成本较低-简单模具的成本仅为1-2k美元。
随着模具所需体积的增加，所需的金属硬度也随之增加。使用钢之类的硬质金属也会增加模具的交货时间。与软铝模具相比，模具制造商需要更长的时间来雕刻（称为机加工）钢模具。
您最终可以通过使用多个型腔模具来提高生产速度。
它们使您可以一次注射塑料来生产零件的多个副本。
但是在对初始模具进行任何修改之前，请不要进入多个型腔模具。在升级到多个型腔模具之前，至少要运行几千个单元是明智的。
结论
本文为您提供了开发新的电子硬件产品的过程的基本概述，而不管您的技术水平如何。此过程包括选择最佳的开发策略，并为您的产品开发电子设备和外壳。
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