製造中的奧妙：精益硬體原型技術

前不久，我在一篇博文中闡述了我眼中的3D印表機前景。這次，我想再做些發揮，說說我對原型設計技術的看法，尤其是服務於機械設計，以快速和“精益”為特點的原型製作。

“精益”一詞源於汽車製造業，後用於描述原型設計和軟體創業公司的客戶擴充工作。許多軟體/網際網路創業公司的制勝祕訣並不在於科技發明，使用者體驗和市場營銷才是成功的推動因素。人們逐漸意識到，這一點同樣適用於硬體創業公司。由於原型設計變得越來越易於操作，以硬體為基礎的專案和創業公司（比如眾籌平臺Kickstarter設計版塊裡的專案）也同比增長。當然，硬體產業生產和分銷的難度仍舊高於軟體產業，這一挑戰依然存在。

這裡簡單介紹一下我在進行硬體原型設計時所使用的工具和方法。

一元店

管道膠帶、強力膠、噴漆，再加上一家充滿想象力的一元店，差不多就是原型設計最好用的（可能也是最出人意料的）工具了。我堅信應及早製作原型，因為原型製作得越快，發現知識漏洞的速度也就越快。另外，如果有真實可觸的東西可以展示給別人（潛在顧客）看，人們會更容易對該專案產生興趣。

不要忘了上噴漆，否則只是大體上做完了原型！看上去不完善的原型自然而然會失去受眾。如果原型顯得不夠專業、美觀或似乎尚未完工，那麼即使是該原型的最佳特質，在普通觀眾心目中的印象也會大打折扣。亞馬遜（Amazon）網站、電子產品商店和硬體商店也是不錯的資源，尤其是在對自己想要製作的東西有了一個完整的構想，並能確定具體需要哪個部件之後更是如此。在此之前，尋找零部件和原材料的主要標準應該是快速獲取、價格低廉以及便於上手。

圖2-1：大量價格低廉、易於改造的零部件（圖片來自維基共享資源網）

不要忘了上噴漆，否則只是大體上做完了原型！看上去不完善的原型自然而然會失去受眾。如果原型顯得不夠專業、美觀或似乎尚未完工，那麼即使是該原型的最佳特質，在普通觀眾心目中的印象也會大打折扣。亞馬遜（Amazon）網站、電子產品商店和硬體商店也是不錯的資源，尤其是在對自己想要製作的東西有了一個完整的構想，並能確定具體需要哪個部件之後更是如此。在此之前，尋找零部件和原材料的主要標準應該是快速獲取、價格低廉以及便於上手。

紙筆工作

只需非常簡單的計算就可以證明某個想法是否違反了物理學定律。為避免尷尬，一定要親自嘗試這樣的計算，而不要留給別人（比如某個投資者）去做。應確保在做過相關計算後，再去為專案投入大量時間。這樣的計算工作也有助於在另選其他設計和優化現有設計間做出抉擇。

藉助簡易的草圖，可呈現創意並把想法組織起來，以指導實體原型的製作。製作一件作品或完成一項工作通常可採用很多方法，把這些不同方法寫在紙上不僅有助於做出正確選擇，還可以把觀點更快地傳達給別人。

計算機建模

圖2-2：CAD模型示意圖（圖片來自維基共享資源網使用者Nikola LK）

對於職業機械設計師來說，計算機輔助設計（CAD）已經經受住了實踐的檢驗，部分CAD專案的成本近來大幅下降。以三維CAD設計軟體Alibre為例，目前它的價格與家用及商用版本的Microsoft Office軟體大致相當，以不及專業設計軟體1/10的價格，提供了專業軟體70%~80%的功能。初級CAD系統通常不具備測試各部件物理特性的模擬應用功能，但開放資源中有一些擴充套件程式包可以滿足這樣的需求。此外，只有接受過訓練的人對模擬功能進行操作，才能保證製成的模型足夠可靠。

我不清楚CAD技術為什麼沒有引起製造商、黑客和業餘愛好者更大的興趣。有了充分呈現的CAD模型，製作實體模型會較容易些。修改CAD模型輕鬆快捷，成本也較低。CAD的設計迭代可以和調整軟體程式碼一樣迅速。

不過，如果最終成品的部件間存在聯動關係，CAD模型可能無法證明協同工作的順利實現，對於運轉部件和嵌入式電子元件來說尤其如此。

二維切割

圖2-3：水射流切割所得的75毫米厚鋼材（圖片來自維基共享資源網使用者Fromthecorner）

使用水射流和鐳射切割機在金屬薄片（及其他材料）上進行蝕刻或切除掉其中的一部分，再對金屬薄片進行摺疊或壓制，就可以得到最終的三維成品。這一過程成本低廉且非常快捷，一個小部件可以在短短五分鐘之內製造出來，造價僅為5美元。機器本身的大小決定了它可以製造出小如智慧手機，大如膝上型電腦的物件。但無論物件尺寸大小，均存在個別無法實現的情況。

這樣的機器在家庭中還不常見，採用的設計方法也有所不同，即需要在二維平面上想象三維實體。即使家裡沒有這樣的機器，也總能找到幾家可以幫你切割部件的公司，哪怕你住在小城市裡也不例外。

疊加製造

“疊加製造”是3D列印的別名，它廣受業餘愛好者的歡迎，也屢見於媒體。親眼目睹一個零部件從無到有是非常精彩的經歷，它可以是金屬材質、塑料材質或者類似於橡膠的材質，不過不同材質一般會在不同機器上加工而成。目前進行疊加製造的機器體積小、造價低且便於操作，因此不再只服務於工業用途。原本由多個部分構成的元件可以在3D印表機上以一個整體的形式製造出來。一些不能由其他工序生產的部件（例如內部有孔洞或空隙的部件），也可以由3D印表機來完成。3D印表機還可以在短時間內以低成本製造出模具，以供生產零部件之用。一個原型的造價可為20美元到100美元不等，具體差價取決於材質的不同。

計算機數控

通常情況下，計算機數控（CNC）指的是將大塊金屬（或其他材料）切割製成零件的銑床。這很可能是第一種用於原型設計的機器，不過該機器也常應用於生產領域。儘管在家操作的CNC興趣小組日漸增多，但人們一般不會在家中購置CNC裝置。利用CNC生產的零件相對較貴，造價通常在150美元以上。

制模和玻璃纖維

圖2-4：使用玻璃纖維模具製造的碳纖維減速傘，來自英屬哥倫比亞大學（UBC）太陽能汽車團隊

如需製造形狀不規則的部件，或者需要同一部件的幾個複製品，制模和使用玻璃纖維是不錯的選擇。與其他操作方式相比，初期制模的工作量要大得多，但藉助從業餘愛好者那裡和膠捲產業中得來的材料，可很快完成模型製作。玻璃纖維和部分模具含有有毒的化學成分，因此生產過程中需戴手套操作，並保持通風。原料價格低廉（對於絕大多數中小尺寸的零部件而言，50美元至100美元就已經足夠），但需要大量的時間和人力來加工這些材料。上圖英屬哥倫比亞大學太陽能汽車所用的減速傘就是一個耗資2500美元、花費500工時製成的大型碳纖維部件（尺寸約為2米×5米×1米）。

焊接

焊接可將金屬材料連線起來，並在多種零部件的加工中都有所應用，例如將金屬管制成框架，或將金屬薄片製成立體部件等。和制模一樣，焊接前需一定的耗時，以便用夾具把待焊接的部件固定好。點焊機可實現金屬部件間的快速連線，操作技巧也相對較少，尤其適用於接合已經過水射流或鐳射切割機切割的片狀金屬，以實現立體部件的製造。通常，使用膠水更為簡便易行，並且也可以滿足原型製作的要求。

Arduino²

²開源微控制器，採用基於開原始碼的軟硬體平臺。——譯者注

使用Arduino和其他微控制器，可以簡便而廉價地做好原型設計，並且將電子元件組合成一體。有大量相關的可用例項和技術支援，也許有人已經解決了你當前遇到的問題，並且願意為此提供幫助。SparkFun３ 等品牌可提供不錯的感測器及其他電氣附件，均可相容於Arduino和其他平臺。

³美國一家開源電子零配件公司。——譯者注

使用者反饋

如果受眾不僅侷限於幾個人，就必須得和預期使用者們聊一聊了。進行現場演示或讓潛在使用者接觸原型十分重要，反饋群體的選擇，以及使用者試用原型的方法也同樣重要。得到反饋後，就可以開始原型的下一輪改進工作，直至產品的最終成型。我認為這與精益軟體的開發過程有很多相似之處。

我怎樣選擇反饋群體

我需要的是如下這些特質。

1. 能夠接受改變

對現狀過於滿意的人會抵制改變。更糟糕的是，他們自己不想改變，卻認為老闆會逼著他們做出改變。這類人會隨便想個理由，來證明你的原型不會成功。要想說服他們十分困難。就像在電影《上班一條蟲》裡，如果拿走米爾頓的訂書機，他可能會把房子都燒了。

2.能夠給出客觀評價

與上述只會給出負面評價的人相同，不要選擇只會給出正面評價的人。如果你的母親支援你的一切決定，那麼她肯定不會給出令人滿意的反饋。

有些人對任何新鮮事物都會感到興奮。他們給出的反饋可能很有激勵作用，但必須同時為他們提供一些指導和說明，才能獲得具有建設性的建議。

3.能夠理解原型目前的狀況

大多數人從未目睹過製造產品的過程。對他們來說，所有東西都來自亞馬遜或沃爾瑪，而且最好是完美無缺的。如果產品發生斷裂、外觀醜陋、會發出滑稽的聲音，或者撞壞了，那麼它就是件很糟糕的產品，該產品的製造公司此後可能再也無法贏得他們的信賴。可惜，對原型的早期版本持同情心理的人並不多，因此你很難獲得來自這類人的足量反饋。

不理解原型目前狀況的人總會對你展示的東西感到失望，因此如果選擇向他們詢問產品反饋，就必須先幫他們調整好期待值，告訴他們原型想要表現的究竟是什麼。如果他們能夠清楚原型的存在只是為了測試最終產品的某幾個特性，便可以更好地理解原型的情況。使用噴漆並美化原型的外觀之所以十分重要，正是因為這些人的存在。對於初期設計而言，應更多地討論其創意和特色，而不是被美學因素轉移了注意力。

總結

目前原型設計的價格之低廉、操作之簡便前所未有。在我看來，許多放上Kickstarter網站的設計專案，只需花費1000美元購買零部件和原材料即可做出一個原型，有些甚至只需100美元。和軟體研發領域類似，設計者適時注入了更大額度的投資。當然，還需要經過幾個（甚至很多個）階段才會得到最終的設計方案。好的使用者反饋必不可少，並可利用這些反饋製作下一階段的原型，這是一個迴圈往復的過程。做出優秀產品的關鍵在於要早一些犯錯，並從錯誤中吸取經驗教訓，而做到這一點的最佳方法就是進行原型設計並收集使用者反饋。

致謝

我在原型設計方面的很多想法和觀點都是在英屬哥倫比亞大學學習機械工程課程時形成的，尤其受益於教授設計的老師；也有部分想法受到了史丹佛設計研究中心和劍橋工程設計中心所做工作的啟發。如想深入探究文中涉及的領域，以上幾個地方都是非常理想的去處。

本文摘自《創業的智慧》 作者：格雷漢姆·道格拉斯