راهنمای کلی توسعه یک سخت افزار الکترونیکی جدید
بگذارید خبر خوبی به شما بدهم ــ این کار ممکن است. شما می‌توانید صرف نظر از سطح فنی خود یک محصول سخت افزاری را توسعه دهید و برای موفقیت الزاما نیازی نیست که مهندس باشید (البته قطعا کمک خواهد کرد). اینکه شما کارآفرین، استارتاپ، سازنده یا کسب و کاری کوچک باشید، این راهنما به شما کمک می‌کند که فرآیند توسعهی محصول جدید را درک کنید. گرچه من به شما دروغ نخواهم گفت. راه اندازی محصول سخت افزاری جدید بسیار طولانی و دشوار است.
هرچند سخت افزار به سخت بودن شهرت دارد، البته درحال‌حاضر توسعهی محصولات سخت افزاری جدید برای افراد یا تیم‌های کوچک ساده‌تر از هر زمان دیگری است. البته اگر شما به دنبال راهی سریع و ساده برای پول درآوردن هستنید، پیشنهاد می‌کنم دیگر به خواندن این مقاله ادامه ندهید، چرا که وارد کردن یک محصول سخت افزاری به بازار اصلا کار سریع و آسانی نیست.
در این راهنما من نخست چه برای سازندگان فنی و چه برای کارآفرینان غیرفنی که به دنبال خلق یک سخت افزار الکترونیکی هستند، در مورد استراتژی‌های توسعهی محصول صحبت خواهم کرد. سپس به توضیح توسعهی الکترونیک بعد از توسعهی جعبه‌ی پلاستیکی می‌پردازیم.
بخش اول ــ استراتژی‌های توسعهی محصول
جهت توسعهی محصول سخت افزاری جدید، ضرورتاً پنج انتخاب برای کارآفرینان و استارتاپ‌ها وجود دارد. هرچند بسیاری از مواقع بهترین استراتژی به طور کلی، ترکیبی از هر پنج‌تای آن‌هاست.
- خودتان محصول را توسعه دهید
این استراتژی به تنهایی عملی نیست. افراد بسیار کمی به تنهایی دارای تمام توانایی‌های لازم برای توسعهی محصول الکترونیکی آماده‌ی بازار هستند. حتی اگر شما مهندس باشید، آیا متخصص طراحی الکترونیک، مدلسازی سه بعدی، مدلسازی تزریق و تولید نیز هستید؟ احتمالا نه. همچنین بیشتر این تخصص‌ها از زیر مجموعه‌های بسیاری ساخته شده‌اند. اگر شما تمام توانایی‌های ضروری را داشته باشید، هرچه جلوتر بروید پول بیشتری را پس انداز می‌کنید و در دراز مدت به نفعتان است. مثلا من محصول سخت افزاری خودم را شش سال پیش به بازار رساندم. این محصول از لحاظ مکانیکی نسبت به الکتریکی پیچیده‌تر بود. من مهندس برق هستم و نه مکانیک، بنابراین ابتدا چند مهندس مکانیک را استخدام کردم. هرچند به سرعت از کندی پیشرفت رآیند خسته شدم. هر چه باشد، من در تمام ساعات بیداری به محصولم فکر می‌کردم. تمام فکر و ذکر من توسعهی محصول و رساندن سریع آن به بازار بود. اما پروژه‌ی من در میان ده‌ها پروژه‌ی دیگر مهندسانی که استخدام کرده بودم، گم شده بود و توجه لازم را نمی‌دید. بنابراین تصمیم گرفتم هر آنچه که برای طراحی مکانیکی محصول نیاز بود را خودم یاد بگیرم. هیچ کس به اندازه‌ی من با انگیزه نبود. در نهایت، توانستم قسمت طراحی مکانیکی را بسیار سریع‌تر و کم هزینه‌تر به پایان برسانم. نتیجه‌ی اخلاقی داستان این است که هر قدر که می‌توانید خودتان کار را پیش ببرید، اما زیاده روی نیز نکنید. اگر به اندازه‌ی کافی در تخصص جزئی کار مهارت ندارید و خروجی نهایی آنطور که باید بی نقص نیست، بنابراین، این کار اشتباه بزرگی است. همچنین، یادگیری هر مهارتی زمان بر بوده و ممکن است زمان ورود محصول به بازار را طولانی کند. همیشه برای پر کردن شکاف‌های تخصصتان از متخصصین مربوط کمک بگیرید.
بعضی از وبسایت‌های مورد علاقه‌ی من برای یادگیری توسعهی الکترونیک عبارتند از:
- io
- Build Electronic Circuits
- Bald Engineer
- Adafruit
- Sparkfun
- MakeMagazine
- All About Circuits
حتما به کانال یوتیوب AddOhms که ویدیوهای مقدماتی بی نظیری در زمینه‌ی یادگیری الکترونیک دارد نیز سری بزنید.
- از بنیانگذاران فنی دعوت کنید
اگر شما بنیان گذاری غیر فنی هستید، بسیار هوشمندانه است اگر از بناینگذاران فنی دعوت کنید. یکی از بنیانگذاران تیم استارتاپی شما بایستی حداقل در زمینه‌ی توسعهی محصول از دانش کافی برخوردار باشد تا بتواند فرآیند را مدیریت کند. اگر تصمیم دارید سرانجام از بودجه‌ی خارجی سرمایه گذاران حرفه‌ای استفاده کنید، پس قطعا به تیمی از بنیانگذاران نیاز دارید. سرمایه گذاران حرفه‌ای استارتاپ‌ها می‌دانند که شانس موفقیت تیمی از بنیانگذاران به مراتب بیشتر از یک بنیانگذار است. یک تیم ایده‌آل از بنیانگذاران در استارتاپ‌های سخت افزاری متشکل از یک مهندس سخت افزار، برنامه نویس و بازاریاب می‌باشد.
دعوت از بنیانگذاران راه‌حل بی نظیری برای مشکلات شما به نظر می‌رسد، اما جنبه‌های منفی جدی دارد. اول از همه، پیدا کردن بنیانگذار دشوار است و زمان بسیار زیادی می‌برد. این زمان ارزشمندی است که صرف توسعهی محصول شما نشده است. شما نباید در انجام این کار عجله کنید و بایستی زمان بگذارید تا گزینه‌ی درستی را انتخاب کنید. این انتخاب‌ها نه تنها بایستی با مهرات‌های شما جور باشد بلکه شما باید شخصا از آن‌ها خوشتان بیاید. شما اساسا قرار است با آن‌ها حداقل برای چند سال ازدواج کنید، پس مطمئن شوید که می‌توانید با آ‌ها کنار بیایید.
اصلی‌ترین جنبه‌ی منفی دعوت از بنیانگذاران این است که آن‌ها سهام شما در کمپانی را کاهش می‌دهند. تمامی بنیانگذاران کمپانی بایستی سهمی مساوی داشته باشند. بنابراین اگر شما در حال حاضر تنها پیش می‌روید، آماده باشید که نیمی از سهم کمپانی خود را به شریکتان بدهید.
- برون سپاری به مهندسان آزاد
یکی از بهترین راه‌ها برای پر کردن شکاف‌های توانایی فنی تیم خود، برون سپاری به مهندسان آزاد است. بخاطر داشته باشید که بیشتر محصولات به جندین مهندس با تخصص‌های متفاوتی نیاز دارند، بنابراین شما بایستی خودتان مهندسان مختلف را مدیریت کنید. در نهایت، یکی از افراد تیم بنیانگذار بایستی مدیریت پروژه را بر عهده بگیرد.
شکل ۱- توسعهی محصول الکترونیکی جدید معمولا به تیمی از مهندسان نیاز دارد
مطمئن شوید که مهندس برقی که استخدام می‌کنید در طراحی نوع الترونیک محصول شما تجربه‌ی لازم را داشته باشد. مهندسی برق شاخه‌ی بزرگی است و بسیاری از مهندسان در طراحی مدار از تجربه‌ی کافی برخوردار نیستند. در مورد طراح سه بعدی نیز مطمئن شوید که فرد مورد نظرتان در تکنولوژی قالب گیری تزریقی تجربه دارد، در غیر اینصورت محصول شما پروتوتایپ بوده اما قابل تولید در مقیاس انبوه نمی‌باشد.
- برون سپاری به شرکت توسعه
شناخته شده ترین شرکت‌های طراحی محصول از جمله فراگ، آی‌دی‌ای‌او، فیوز پراجکت و غیره می‌توانید طراحی‌های فوق العاده‌ای انجام دهند، اما ذاتا گران قیمت هستند. استارتاپ‌ها بایستی به هر قیمتی از شرکت‌های طراحی گران قیمت اجتناب کنند. شرکت‌های طراحی تاپ بیش از ۵۰۰ هزار دلار هزینه دریافت می‌کنند تا محصول شما را از صفر تا صد توسعه دهند. حتی اگر از پس چنین هزینه‌ای بر می‌آیید، این کار را انجام ندهید. نه تنها آن پول دیگر به شما بازنمی‌گردد، بلکه شما نمی‌خواهید استارتاپ سخت افزاری را تاسیس کنید که در توسعهی واقعی محصول آن به اندازه‌ی کافی دخیل نبوده‌اید.
- شراکت با تولیدکننده
یکی از راه‌ها این است که با یک تولید کننده‌ی خارجی که قبلا محصول شما یا مشابه با آن را ساخته شراکت کنید. تولیدکنندگان بزرگ دپارتمان‌های مهندسی و توسعهی خود را دارند تا روی محصولات خودشان کار کنند. اگر بتوانید تولید کننده‌ای را پیدا کنید که محصول شما یا محصولی مشابه با آن را می‌سازد، آن‌ها می‌توانند توسعه، مهندسی، نمونه سازی اولیه، قالب سازی و تولید را برای شما انجام دهند.
این استراتژی می‌تواند هزینه‌های توسعه را کاهش دهد. تولید کنندگان این هزینه‌ها را واگذار می‌کنند، بدین معنی که برای هر محصول در تولید اولیه هزینه‌ای اضافی در نظر می‌گیرد. این کار کار ضرورتا مانند یک وام بدون بهره جالب عمل می‌کند. به نظر عالی و آسان می‌رسد، پس مشکل کجاست؟ ریسک اصلی این استراتژی آن است که شما هر آنچه به محصولتان مربوط است را به یک کمپانی واگذار می‌کنید. قطعا آن‌ها خواستار یک توافقنامه‌ی تولید انحصاری هستند، حداقل تا زمانیکه هزینه‌های آن‌ها بازگردد. این یعنی زمانیکه حجم تولید شما افزایش پیدا کرد، نمی‌توانید کار به یک تولیدکننده‌ی ارزانتر واگذار کنید. همچنین توجه کنید که بسیاری از تولید کنندگان خواستار بخشی یا تمام حقوق معنوی محصول شما هستند.
بخش دوم ــ توسعهی الکتـرونیــک
توسعهی الکترونیک محصول شما به هفت گام تقسیم می‌شود:
طراحی اولیه‌ی محصول، نمودار شماتیک، بورد مدار چاپی، لیست نهایی اقلام مورد نیاز، نمونه‌ی اولیه، تست و برنامه نویسی و گواهینامه‌ی نهایی.
گام اول ــ خلق طرح اولیه‌ی محصول
زمانیکه محصول سخت افزاری الکترونیکی جدیدی را توسعه می‌دهید بایستی ابتدا ا طراحی اولیه‌ی محصول شروع کنید. این موضوع نباید با نمونه‌ی اولیه‌ی اثبات مفهوم اشتباه گرفته شود. نمونه‌ی اولیه‌ی اثبات مفهوم معمولابا استفاده از یک کیت توسعه داده شده مانند آردونیو ساخته شود. آن‌ها گاهی می‌توانند برای اثبات اینکه مفهوم محصول شما می‌تواند مشکلی را حل کند بسیار سودمند باشند.
اما نمونه‌ی اولیه‌ی اثبات مفهوم اصلا شبیه به طراحی تولید نیست. شما به ندرت با آردونیوی تعبیه شده در محصولتان به بازار می‌روید. طرح اولیه‌ی تولید روی مولفه‌های تولیدی، هزینه‌ها، حاشیه‌ی سود، عملکرد، ویژگی‌ها، عملی بودن توسعه و قابلیت تولید محصول شما متمرکز است. شما می‌توانید برای تخمین تمام هزینه‌های موردنیاز محوصل خود از طرح اولیه‌ی تولید استفاده کنید. دانستن دقیق هزینه‌های برای توسعه، نمونه سازی اولیه، برنامه ریزی، تاییدیه، مقیاس بندی و تولید محصول بسیار مهم است. طرح اولیه‌ی تولید به سوالات مربوط زیر پاسخ خواهد داد. آیا توسعهی محصول من شدنی است؟ آیا من می‌توانم از پس هزینه‌های توسعهی محصول بربیایم؟ توسعهی محصول من چقدر زمان خواهد برد؟ آیا من می‌توانم محصولم را به تولید انبوه برسانم؟ آیا میتوان آن را با کسب سود به فروش برسانم؟
بسیاری از کارآفرینان اشتباه کرده و گام طرح اولیه‌ی تولید را رد می‌کنند، و در عوض مستقیم به طراحی نمودار شماتیک مدار میپردازند. شما با این کار در نهایت به این نتیجه می‌رسید که تمام تلاش و هزینه‌ی خود را صرف محصولی کردید که به صورت مقرون به صرفه قابل توسعه، قابل تولید و از همه مهمتر پرسود نخواهد بود.
گام اول – الف) نمودار بلوکی سیستم
زمانیکه طرح اولیه‌ی تولید را خلق می‌کنید بایستی با تعریف نمودار بلوکی در سطح سیستم شروع کنید. این نمودار هر عملکرد الکترونیکی و نحوه‌ی اتصال درونی تمامی مولفه‌های عملکردی را مشخص می‌کند.
شکل ۲- نمودار بلوکی هر عملکرد و اتصال سیستمی را مشخص می‌کند
بیشتر محصولات به یک میکروکنترلر یا میکروپروسسور با مولفه‌های مختلف (نمایش‌ها، سنسورها، حافظه و غیره) نیاز دارند که از طریق پورت‌های سریال متفاوتی با میکروکنترلر در تماس هستند. شما می‌توانید با ایجاد یک نمودار بلوکی سیستم به سادگی انواع و تعداد پورت‌های سریال موردنیاز را مشخص کنید. این اولین گام مهم برای انتخاب میکروکنترلر محصول شما است.
گام اول – ب) انتخاب مولفه‌های تولید
سپس بایستی بر اساس عملکرد موردنظر و قیمت خرده فروشی محصول خود، مولفه‌های تولید مختلفی را انتخاب کنید: میکروچیپ، سنسور، نمایشگر و کانکتورها. این کار به شما اجازه می‌دهد لیستی از اقلام مورد نیاز خود تهیه کنید.
شکل ۳- انتخاب مولفه‌های تولید اولین گام ضروری برای توسعه است
در ایالات متحده، کمپانی‌های نیوارک، دیجی‌کی، اَرو، مَوسِر و فیوچر مشهورترین تامین کنندگان مولفه‌های/اجزاء الکترونیکی هستتند. شما می‌توانید بیشتر موالفه‌های الکترونیکی را به صورت تکی (برای نمونه سازی اولیه و تست) یا کلی (هزاران عدد برای تولید کم حجم) تهیه کنید. زمانیکه به حجم تولید بالاتری رسیدید می‌توانید با خرید مستقیم چند مولفه از تولیدکننده کمی در هزینه‌ها صرفه جویی کنید.
گام اول – ج) تخمین هزینه‌ی تولید
اکنون بایستی هزینه‌ی تولید را برای محصول خود تخمین بزنید (هزینه‌ی کالاهای فروخته شده ــ COGS). دانستن به موقع مقدار هزینه‌ی تولید محصول ضروری است. شما بایستی از هزینه واحد تولید محصولتان آگاه باشید تا بهترین قیمت فروش، هزینه‌ی موجودی کالا و از همه مهمتر مقدار سود را تعیین کنید.
شکل ۴- تخمین به موقع هزینه‌ی محصول بسیار مهم است
مولفه‌های تولیدی که شما انتخاب کرده‌اید تاثیری زیادی بر هزینه‌ی تولید دارد. اما برای تخمین دقیق هزینه‌ی تولید بایستی هزینه‌ی سرهم کردن بورد مدار چاپی، سرهم کردن محصول نهایی، تست محصول، بسته‌بندی برا یخرده فروشی، نرخ ضایعات، برگشت خورده‌ها، حمل و نقل، ماموران و انبار را نیز در نظر بگیرید.
گام دوم ــ طراحی نمودار شماتیک مدار
حالا زمان آن رسیده که با توجه به نمودار بلوکی سیستمی که در گام اول ایجاد کرده‌اید، نمودار شماتیک مدار را طراحی کنید.
شکل ۵- مثال نمودار شماتیک مدار
نمودار شماتیک نشان می‌دهد که هر مولفه، از میکروچیپ تا مقاومت، چگونه بهم متصل شده‌اند. درحالیکه نمودار بلوکی سیستم بیشتر روی عملکرد محصول در سطح بالاتر متمرکز است، نمودار شماتیک تماما راجع به جزئیات ریز است. چیزی به سادگی پین‌های روی مولفه در شماتیک که اشتباها شماره گذاری شده، می‌تواند به فقدان عملکرد بیانجامد. در بیشتر موارد شما برای هر بلوک نمودار بوکی سیستم خود به یک زیر مدار جداگانه نیاز خواهید داشت. سپس این زیر مدارهای مختلف به یکدیگر متصل می‌شوند تا نمودار شماتیک مداری کاملی را تشکیل دهند.
برای ایجاد نمودار شماتیک نرم افزار طراحی الکترونیک خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اطمینان حاصل شود هیچ اشتباهی رخ نداده است. من توصیه می‌کنیم از پکیجی به نام دیپ‌ترِیس (DipTrace) استفاده کنید که هم مقرون به صرفه و قدرتمند است و کاربرد آسانی دارد.
گام سوم ــ طراحی بورد مدار چاپی (PCB)
زمانیکه شماتیک انجام شد، شما بایستی بورد مدار چاپی را طراحی کنید. این بورد یک بورد فیزیکی است که تمام مولفه‌های الکترونیکی را حفظ و متصل می‌کند. توسعهی نمودار بلوکی سیستم و مدار شماتیک بیشتر ماهیت مفهومی دارد. طراحی بورد مدار چاپی بسیار واقعی است.
شکل ۶- نمودار شماتیک مدار بایستی به طرح بورد مدار چاپی تبدیل شود.
بورد مدار چاپی در همان نرم افزار که نمودار شماتیک را ایجاد کرد، طراحی می‌شود. این نرم افزار ابزار مختلفی برای تایید دارد تا اطمینان حاصل شود که طرح بورد مدار چاپی با قوانین طراحی پردازش بورد مورد استفاده همخوانی دارد و این بورد مطابق شماتیک است.
به طور کلی هرچه محصول کوچکتر باشد، به همان نسبت اجزاء در بسته‌بندی فشرده‌تر بوده و طراحی طرح بورد مدار طولانی‌تر خواهد بود. اگر محصول شما به توان زیادی نیاز داشته یا اتصال وایرلس دارد، پس طرح بورد مدار چاپی مهمتر و زمانبر‌تر است.
شکل ۷- مثالی از طراحی بورد مدار چاپی
در بیشتر طرح‌های بورد مدار چاپی، مهمترین بخش مسیرهای انتقال توان، سیگنال‌های پرسرعت (خطوط آدرس/داده، کریستال‌های تولید فرکانس) و هر مدار وایرلس است.
گام چهارم ـــ تهیه‌ی لیست نهایی اقلام مورد نیاز (BOM)
هرچند شما بایستی قبلا به عنوان بخشی از طرح اولیه‌ی تولید، یک لیست اولیه از اقلام مورد نیاز خود آماده کرده باشید، اما اکنون وقت لیست کامل اقلام مورد نیاز تولید است. تفاوت اصلی میان این دو اجزاء بسیار قیمت پایینی مانند مقاومت و خازن هستند. این اجزاء معمولا قیمت بسیار بسیار پایینی دارند، بنابراین آن‌ها را در لیست اولیه جداگانه حساب نمی‌کنم. اما برای تولید واقعی بورد مدار چاپی شما به لیستی کامل از تک تک اجزاء نیاز دارید. نرم افزار طراحی شماتیک معمولا به صورت خودکار این لیست را تهیه می‌کند. لیست اقلام مورد نیاز شماره‌ی قسمت‌ها، مقدار و مشخصات تمامی اجزاء را لیست می‌کند.
گام پنجم ـــ سفارش نمونه‌ی اولیه‌ی بورد مدار چاپی
ساخت نمونه‌ی اولیه‌ی الکترونیکی یک فرآیند دو مرحله‌ای است. اولین مرحله تولید بورد مدار چاپی لخت می‌باشد. نرم افزار طراحی مدار به شما این امکان را می‌دهد که طرح بورد مدار چاپی را در فرمتی به نام گِربِر با یک فایل برای هر طرح بورد مشخص کنید. این فایل‌های گِربِر را میتوان جهت اجرای حجم کم به فروشگاه نمونه‌ی اولیه فرستاد. همین فایل‌ها را میتوان جهت تولید در حجم بالا برای تولیدکنندگان بزرگتر فرستاد.
شکل ۸- مثال بورد مدار چاپی مونتاژ شده‌ی کامل
دومین مرحله نصب تمامی اجزاء الکترونیکی روی بورد است. شما با نرم افزار طراحی خود می‌توانید فایلی ایجاد کنید که مختصات دقیق تمامی اجزاء روی بورد را به شما نشان دهد. این امر به فروشگاه منتاژ اجازه می‌دهد تا نصب تمامی اجزاء را به صورت خودکار روی بورد مدار چاپی شما انجام دهد. ارزانترین گزینه تولید نمونه‌ی اولیه‌ی محصول شما در چین می‌باشد. هرچند بهتر است نمونه سازی اولیه در جایی نزدیک به کشور خودتان صورت گیرد تا از تاخیرات ارسال جلوگیری شود، اما برای بسیاری از کارآفرینان به حداقل رساندن هزینه‌های بسیار مهم است. من برای نمونه سازی اولیه‌ی محصول شما در چین سیید استدیو (Seeed Studio) را پیشنهاد می‌کنم. آن‌ها برای ۵ تا ۸۰۰۰ بورد قیمت بی‌نظیری پیشنهاد می‌دهند. همچنین خدمات چاپ سه بعدی را نیز انجام می‌دهند و نیاز به مراجعه به دو مکان نخواهد بود. دیگر تولیدکنندگان چینی بورد مدار چاپی که از شهرت خوبی برخوردارند میتوان به گُلد فینیکس پی‌سی‌بی و بیتِل الکترونیک[۱] اشاره کرد. در ایالات متحده من سان‌استون سیرکِت، اسکریمینگ سیرکت و سان‌فرانسیسکو سیرکت[۲] را پیشنهاد می‌کنم که قبلا برای نمونه‌سازی طرح‌های خودم به آن‌ها سفارش می‌دادم. مونتاژ بوردها تنها ۱ تا ۲ هفته زمان می‌برد مگر اینکه برای سرویس پیشتاز هزینه‌ی اضافی پرداخت کنید که من توصیه نمی‌کنم.
گام ششم ــ ارزیابی، برنامه نویسی، باگ زدایی و تکرار
اکنون زمان آن رسیده که نمونه‌ی اولیه‌ی الکترونیک را ارزیابی کنیم. به خاطر داشته باشید که به ندرت پیش می‌آید اولین نمونه‌ی شما بی نقص عمل کند. به احتمال زیاد شما پیش از نهایی کردن طرح خود چندین باز مجبور به تکرار نمونه خواهید شد. این زمانی است که شما تمام مشکلات نمونه‌ی اولیه‌ی خود را شناسایی، باگ زدایی و حل می‌کنید.
شکل ۹ ــ بیشتر طرح‌ها پیش از ورود به بازار نیازمند چندین بار تکرار نمونه‌ی اولیه خواهند بود.
در این مرحله پیش‌بینی زمان و هزینه‌ی لازم بسیار دشوار است. مطمئنا هر باگی که با آن رو به رو شوید غیر منتظره است، بنابراین فهمیدن منبع باگ و یافتن بهترین راه‌حل زمان بر است.
ارزیابی و تست معمولا همگام با برنامه نویسی میکروکنترلر انجام می‌شود. پیش از اینکه شما برنامه نویسی را شروع کنید، بایستی حداقل چند تست ساده و پایه را انجام دهید تا مطمئن شوید بورد شما مشکل جدی ندارد.
شکل ۱۰- بیشتر محصولات الکترونیکی جدید برای اجرای عملکرد خود نیاز به برنامه نویسی دارند (میان افزار).
تقریبا تمامی محصولات الکترونیکی جدید میکروچیپی به نام واحد میکروکنترلر دارند که به عنوان “مغز” محصول کار می‌کند. میکروکنترلر بسیار شبیه به میکروپروسسروری است که در کامپیوتر و تلفن‌های هوشمند به کار می‌رود.
یک میکروپروسسور می‌تواند حجم بالایی از داده را به سرعت انتقال دهد، درحالیکه میکروکنترلر می‌تواند با دستگاه‌هایی مانند کلیدها، سنسورها، نمایشگرها، موتورها و غیره ارتباط برقرار کرده و آن‌ها را کنترل کند. میکروکنترلر بسیار شبیه به میکروپروسسور است و برای احرای عملکرد مورد نظر بایستی برنامه نویسی شود. میکروکنترلر تقریبا همیشه بازبان کامپیوتری رایج “C” برنامه نویسی می‌شود. این برنامه، به نام سفت افزار، در حافظه‌ی دائمی اما قابل برنامه نویسی مجدد ذخیره می‌شود که معمولا داخل چیپ میکروکنترلر قرار می‌گیرد.
گام هفتم ــ گواهینامه‌ی محصول شما
تمام محصولات الکترونیکی فروخته شده بایستی دارای انواع مختلفی از گواهینامه‌ها باشند. الزامات گواهینامه‌ها بسته به کشوری که محصول در آن به فروش می‌رسد متفاوت هستند. ما در اینجا به گواهینامه‌های مورد نیاز در ایالات متحده، کانادا و اتحادیه‌ی اروپا می‌پردازیم.
شکل ۱۱- تقریبا تمامی محصولات الکترونیکی به گواهینامه نیاز دارند
اف‌سی‌سی (کمیسیون ارتباطات فدرال)
گواهینامه‌ی اف‌سی‌سی برای تمامی محصولات الکترونیک که در ایالت متحده به فروش می‌رسند ضروری است. تمامی این محصولات مقداری پرتوزایی الکترومغناطیسی دارند (مثلا امواج رادیویی)، بنابراین اف‌سی‌سی بایستی مطمئن شود محصولات خللی در ارتباطات وایرلس ایجاد نمی‌کنند.
دو دسته گواهینامه‌ی اف‌سی‌سی وجود دارد. اینکه کدام یک برای محصول شما لازم است به قابلیت‌های ارتباطات وایرلس محصول شما مانند بلوتوث، وای‌فای، زیگ‌بی یا دیگر پروتکل‌های وایرلس بستگی دارد.
اف‌سی‌سی محصولاتی با عملکرد ارتباطات وایرلس را به عنوان پرتوزاهای عمدی تلقی می‌کند. محصولاتی که عمدا امواج رادیویی ساطع نمی‌کنند در دسته‌ی پرتوزاهای غیرعمدی قرار می‌گیرند. هزینه‌ی گواهینامه‌ی دسته‌ی پرتوزاهای عمدی تقریبا ۱۰ برابر بیشتر از دسته‌ی دیگر است.
ابتدا استفاده‌ی ماژول‌های الکترونیک را برای عملکرد وایرلس محصول خود بررسی کنید. این امر به شما اجازه می‌دهد تا تنها با گواهینامه‌ی پرتوزایی غیرعمدی کار خود را جلو بیاندازید و حداقل ۱۰ هزار دلار پس انداز کنید.
یو اِل (Underwriter Laboratories)/ سی‌اس‌اِی (انجمن استانداردهای کانادا)
گواهینامه‌ی یو اِل یا سی‌اس‌اِی برای تمامی محصولات الکترونیکی که در ایالات متحده یا کانادا به فروش می‌رسند و به جریان AC وصل می‌شوند ضروری است. محصولاتی که تنها با باتری کار می‌کنند و به جریان AC وصل نمی‌شوند به این گواهینامه نیازی ندارند. هرچند، بیشتر خرده‌فروشان اصلی و یا شرکت‌های بیمه این گواهینامه‌ها را از شما می‌خواهند.
سی‌ای (به معنای مورد تایید اروپا)
گواهینامه‌ی سی‌ای برای اکثر محصولات الکترونیکی که در اتجادیه‌ی اروپا به فروش می‌رسند ضروری است. این گواهینامه شبیه به یو اِل و اف‌سی‌سی است.
RoHS
گواهینامه‌ی RoHS اطمینان حاصل می‌کند که محصول شما عاری از سرب است. این گواهینامه برای محصولات الکترونیکی که در اتحادیه‌ی اروپا یا ایالت کالیفرنیا به فروش می‌رسند ضروری است. از آنجاییکه اقتصاد کالیفرنیا بسیار مهم است، اکثر محصولاتی که در ایالات متحده به فروش می‌رسد دارای این گواهینامه هستند.
گواهینامه‌ی باتری لیتیومی (UL1642، IEC61233 وUN38.3)
باتری‌های پلیمری/لیتیوم-یونی قابل شارژ چند مشکل جدی ایمنی دارند. اگر این باتری‌ها بیش از اندازه شارژ شده یا دچار اتصال کوتاه شوند، حتی ممکن است آتش بگیرند. آیا دو احضاری که برای گلکسی نوت ۷ سامسونگ به همین علت صورت گرفت را به یاد دارید؟ یا داستان‌هایی در مورد هاور بوردهایی که آتش گرفتند را شنیده‌اید؟ به دلیل این مشکلات ایمنی باتری‌های لیتیومی قابل شارژ بایستی گواهینامه دریافت کنند. من برای بیشتر محصولات پیشنهاد می‌کنم که برای شروع از باتری‌های آماده که قبلا گواهینامه دریافت کرده‌اند استفاده کنید. هرچند این کار انتخاب‌های شما را محدود می‌کند و بیشتر باتری‌های لیتیومی نیز مجوز ندارند. این مسئله در وهله‌ی اول ناشی از آن است که بیشتر کمپانی‌های سخت افزاری ترجیح می‌دهند از باتری‌های سفارشی استفاده کنند تا از تمام فضای در دسترس در محصول بهره‌مند شوند. به همین دلیل بیشتر تولیدکنندگان باتری به خود زحمت نمی‌دهند تا برای باتری‌های آماده‌ی خود گواهینامه دریافت کنند.
بخش سوم ــ توسعهی پکیج و جعبه محصول
حالا به سراغ توسعه و نمونه سازی اولیه‌ی تمامی قطعات پلاستیکی/ سفارشی می‌رویم. برای بیشتر محصولات این مرحله شامل حداقل فضایی است که تمام این قطعات را کنار یکدیگر نگه دارد. توسعهی قطعات فلزی یا پلاستیکی با شکل سفارشی نیاز به یک متخصص مدلسازی سه بعدی دارد، یا بهتر از آن یک طراح صنعتی.
شکل ۱۲- توسعهی جعبه سفارشی برای بیشتر محصولات جدید ضروری است
اگر ظاهر و مکانیک برای محصول شما مهم است، پس بایستی یک طراح صنعتی را استخدام کنید. برای مثال، طراحان صنعتی مهندسانی هستند که دستگاه‌های قابل حمل مانند آیفون را زیبا و شکیل می‌کنند. اگر ظاهر برای محصول شما مطرح نیست پس می‌توانید از یک متخصص مدلستازی سه بعدی کمک بگیرید، دستمزد آن‌ها معمولا به طور قابل توجهی پایینتر از طراح صنعتی است.
گام اول ــ مدل سه بعدی بسازید
اولین گام برای توسعهی بخش بیرونی محصول، ساخت مدل سه بعدی کامپیوتری است. دو پکیج بزرگ نرم افزاری برای مدلسازی سه بعدی سالیدوورکس (Solidworks) و PTC Creo (که قبلا پرو/اینجینیرینگ نامیده می‌شد) هستند. هرچند، در حال حاضر آتودِسک (Autodesk) نیز ابزار مدلسازی سه بعدی مبتنی بر ابر، فیوژن ۳۶۰ (Fusion 360)، را ارائه می‌کند که برای دانش‌آموزان و استارتاپ‌ها کاملا رایگان است. اگر شما می‌خواهید مدلسازی سه بعدی خودتان را انجام دهید و به سالیدوورکس و PTC Creo وابسته نیستید، پس حتما فیوژن ۳۶۰ را بررسی کنید.
شکل ۱۳- ساخت مدل سه بعدی گام اول مهمی برای طراحی محصول است
زمانیکه طراح مدلسازی صنعتی یا سه بعدی مدل سه بعدی را کامل کرد، شما می‌توانید آن را به نمونه‌ی اولیه‌ی فیزیکی تبدیل کنید. مدل سه بعدی نیز می‌تواند برای اهداف تجاری مورد استفاده قرار گیرد، به ویژه پیش از اینکه به صورت نمونه‌ی اولیه‌ی کاربردی در دسترس قرار بگیرد. اگر تصمیم دارید از مدل سه بعدی خود برای اهداف تجاری استفاده کنید، بایستی نسخه‌ی فوتورئال مدل را خلق کنید. هر دو نرم افزار سالیدوورکس و PTC Creo ماژول‌های فوتورئال را در دسترس شما قرار می‌دهند.
شما می‌توانید کار انیمیشن سه بعدی فوتورئال محصول خود را انجام دهید. توجه کنید که ممکن است نیاز پیدا کنید تا طراح دیگری که در انیمیشن و ساخت مدل‌های سه بعدی رئال تخصص دارد را استخدام کنید. بزرگترین ریسک در زمان توسعهی مدل سه بعدی فضای شما این است که شما طرحی را در دست خواهید داشت که امکان نمونه سازی اولیه دارد اما قابل تولید در حجم بالا نیست. در نهایت، فضای شما با روشی به نام قالب گیری تزریقی در فشار بالا تولید خواهد شد (در گام چهارم به تفصیل توضیح داده شده است).
توسعهی بخشی از تولید با استفاده از قالب گیری تزریقی به دلیل قوانین زیاد آن، بسیار پیچیده است. از طرف دیگر، تقریبا همه چیز را میتوان با استفاده از چاپ سه بعدی، نمونه سازی کرد. بنابراین مطمئن شوید که کسی را استخدام می‌کنید که تمامی پیچیدگی‌ها و الزامات طراحی قالب گیری تزریقی را کاملا بفهمد.
گام دوم ــ نمونه‌ی موردی خود را سفارش دهید (یا یک پرینتر سه بعدی بخرید)
نمونه‌های اولیه‌ی پلاستیکی با استفاده از فرآیند افزایشی (رایج ترین) یا فرآیند کاهشی ساخته می‌شوند. فرآیند افزایشی، مانند چاپ سه بعدی، با روی هم گذاشتن لایه‌های نازک پلاستیک جهت ساختن محصول نهایی، نمونه‌ی اولیه را می‌سازد. فرآیندهای افزایشی تا به امروز رایج ترین روش بوده‌اند، زیرا می‌تواند تقریبا هر چیزی که تصورش را بکنید را بسازد.
شکل ۱۴- پرینترهای سه بعدی کم هزینه نمونه‌سازی محصولات جدید را دچار تحول کرده است
فرآیند کاهشی، مانند ماشین سی‌ان‌سی، محصول نهایی را از تراشیدن بلوک پلاستیکی جامد تولید می‌کند. مزیت فرآیندهای کاهشی این است که شما از رزین پلاستیکی استفاده می‌کنید که دقیقا با پلاستیک محصول نهایی شما مطابق است. این موضوع برای بعضی از محصولات مهم است، هرچند برای بیشتر محصولات اهمیتی ندارد.
در فرآیند افزایشی از یک رزین نمونه سازی خاص استفاده می‌شود و ممکن است از پلاستیک تولید متفاوت به نظر برسد. رزین‌هایی که در این فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند به طور قابل ملاحظه‌ای پیشرفت داشته‌اند اما هنوز با پلاستیک تولیدی مورد استفاده در قالب گیری تزریقی مطابق نیستند. دوباره تاکید می‌کنم، بخاطر داشته باشید که فرآیندهای نمونه سازی (افزایشی و کاهشی) کاملا با تکنولوژی استفاده شده در تولید (قالب گیری تزریقی) متفاوت است. ما بایستی از ساخت(به ویژه با نمونه‌سازی افزایشی) نمونه‌هایی که تولید آن غیر ممکن است خودداری کنید.در ابتدا به به نمونه‌ی اولیه‌ای که از تمامی قوانین قالب گیری تزریقی پیروی کند نیازی ندارید، اما بایستی آن‌ها را به خاطر داشته باشید تا طراحی شما راحت تر به قالب تزریقی منتقل شود.
کمپانی‌های بسیاری می‌توانند مدل سه بعدی شما را به نمونه‌ی فیزیکی تبدیل کنند. پروتو لَبز (Proto Labs) کمپانی است که من شخصا آن را پیشنهاد می‌کنم. آن‌ها علاوه بر قالب یری تزریقی در حجم بالا، نمونه سازی افزایشی و کاهشی را نیز در کنار انجام می‌دهند. گزینه‌ی خرید پرینتر سه بعدی را نیز در نظر بگیرید، به ویژه اگر فکر می‌کنید لازم است چندین بار فرآیند را تکرار کنید تا به محصول مناسب برسید. در حال حاضر می‌توانید پرینترهای سه بعدی را به قیمت جند صد دلار خریداری کنید و هر تعدا نسخه که بخواهید از محصول خود بسازید. مزیت اصلی خریداری پرینتر سه بعدی این است که به شما اجازه می‌دهد بلافاصله نمونه‌ی اولیه‌ی خود را تکرار کنید، از این رو در زمان صرفه جویی می‌کند.
گام سوم ــ فضای نمونه‌ی اولیه‌ی خود را ارزیابی کنید
اکنون زمان آن رسیده که فضای نمونه‌ی اولیه‌ی خود را ارزیابی کنید و در صورت لزوم مدل سه بعدی را تغییر دهید. تقریبا همیشه چندین بار نمونه تکرار می‌شود تا به طرح فضای مناسب برسید.
هرچند مدل‌های سه بعدی کامپیوتری به شما این امکان را می‌دهد که فضا را تجسم کنید، اما هیچ چیز با در دست داشتن نمونه‌ی واقعی قابل قیاس نیست. زمانیکه اولین نمونه‌ی واقعی خود را در دست می‌گیرید، قطعا می‌خواهید در آن تغییرات کاربردی و آرایشی اعمال کنید.
ما به چندین نسخه از نمونه‌ی اولیه نیاز دارید تا آن را آنطور که باید نهایی کنید. توسعهی پلاستیک برای محصول جدید شما الزاما آسان یا ارزان نیست، به ویژه اگر مسائل زیبایی شناختی نیز مطرح باشد. هرچند مشکلات واقعی و هزینه‌ها زمانی ظاهر می‌شوند که شما از مرحله‌ی نمونه سازی به تولید کامل برسید.
گام چهارم ــ انتقال به قالب گیری تزریقی
هرچند الکترونیک به احتمال زیاد بخش پیچیده و گران توسعهی محصول شما خواهد بود، اما تولید پلاستیک گرانترین قسمت است. تولید بخش‌های پلاستیکی با استفاده از قالب گیری تزریقی بسیار گران است. بیشتر تولیدکنندگان پلاستیکی که امروزه به فروش می‌رسد از روش بسیار قدیمی تولید به نام قالب گیری تزریقی استفاده می‌کنند. شما بایستی از فرآیند این روش آگاه باشید. شما با یک قالب استیل شروع می‌کنید که در آن دو قطعه استیل با فشار بالا در کنار هم قرار می‌گیرند. قالب به شکل محصول مورد نظر شما تراشیده شده است. سپس پلاستیک مذاب داغ در این قالب تزریق می‌شود.
شکل ۱۵- ماشین قالب گیری تزریقی
تکنولوژی قالب گیری تزریقی یک مزیت بزرگ دارد، اینکه روشی ارزان قیمت برای تولید میلیون‌ها قطعه‌ی پلاستیکی یکسان است. تکنولوژی قالب گیری تزریقی فعلی از پیچ‌های بسیار بزرگی استفاده می‌کند تا پلاستیک را با فشار بالا در قالب بگنجاند، این فرآیند در سال ۱۹۴۶ ابداع شد. این روش در مقایسه با چاپ سه بعدی بسیار قدیمی است. قالب‌های تزریقی برای تولید تعداد زیادی قطعه‌ی پلاستیکی یک شکل با قیمت بسیار پایین در ازای هر واحد، به طور قابل توجهی کارآمد است. اکا خود قالب‌ها به صورت غیر قابل تصوری گران هستند. قیمت قالبی که برای ساخت میلیون‌ها محصول طراحی شده ممکن است به ۱۰۰ هزار دلار نیز برسد. این قیمت بالا عموما به دلیل تزریق پلاستیک با فشار بالاست که که به قالب فشار زیادی وارد می‌کند.
برای اینکه قالب‌ها در این شرایط تاب بیاورند از فلزات سخت ساخته شده‌اند. هرچه تعداد تزریق بیشتر باشد، فلز سخت‌تری هم مورد نیاز است و تبعا قیمت بالاتر می‌رود. برای مثال، شما می‌توانید برای ساخت چند هزار واحد از قالب آلومینیومی استفاده کنید. آلومینیوم نرم است و بسیار سریع خراب می‌شود. گرچه به دلیل نرمی راحت‌تر به شکل قالب در می‌آید، بنابراین هزینه تا یک تا دو هزار دلار کاهش پیدا می‌کند. اگر تعداد درخواستی افزایش پیدا کند، سختی فلز و قیمت آن نیز بالا می‌رود. زمان تولید قالب با فلز سختی مانند استیل نیز بیشتر می‌شود. قالب گیر نسبت به آلومینیوم نرم، زمان بیشتری را صرف تراشیدن (machining) قالب استیل می‌کند.
در نهایت شما می‌توانید با استفاده از قالب چند حفره سرعت تولید محصول خود را افزایش دهید. در این صورت شما با یک تزریق پلاستیک چندین کپی از آن قسمت خواهید داشت. اما تا تمامی اصلاحات لازم را روی قالب اولیه‌ی خود انجام ندادید، سریعا به سراغ قالب چند حفره‌ای نروید. راه هوشمندانه این است که پیش از ارتقا قالب به قالب چند حفره حداقل چند هزار واحد را اجرا کنید.
نتیجه گیری
این مقاله مروری پایه درباره‌ی فرآیند توسعهی محصول سخت افزاری الکترونیکی را صرف نظر از سطح فنی شما ارائه می‌کند. این فرآیند شامل انتخاب بهترین استراتژی توسعه و توسعهی الکترونیک و فضای محصول شماست. برای توسعهی محصول شما بایستی چیزهای بسیار بیشتری را بیاموزیدو من سعی کردم تمام سرفصل‌ها و آموزش‌ها را در Predictable Designs blog پوشش دهم. هدف من این است که به شما کنم چگونگی توسعهی محصولتان به صورت قابل پیش بینی تر را درک کنید. سوالی داری؟ اگر سوالی در ذهن شما به جا مانده لطفا با ما تماس بگیرید. من واقعا از کمک به کارآفرینان، استارتاپ‌ها، سازندگان، مخترعان و کسب و کارهای کوچک که به دنبال ارائه‌ی محصول الکترونیکی جدید به بازار هستند لذت می‌برم. همچنین، اگر به نظرتان این مقاله آموزنده و سودمند بود آن را به اشتراک بگذارید.
[۱] Gold Phoenix PCB and Bittele Electronics
[۲] Sunstone Circuits, Screaming Circuits, and San Francisco Circuits
منابع خبر :فایل پیوست :