9 советов по созданию прототипа технического устройства
Один из главных факторов успеха технологического продукта – это скорость его выхода на рынок. Поэтому чем быстрее будет пройдены этапы проектирования и прототипирования, тем лучше. Обычно этот процесс длится от шести месяцев до года – здесь все зависит от степени проработки и сложности проекта. Первые прототипы могут быть лишь инструментом проверки формы, габаритов и сценариев использования. Они могут быть выполнены из подручных материалов. Такие прототипы обычно называют макетами или в зарубежной терминологии mockups. Самая же главная и сложная работа начинается по мере детализации и глубины проработки изделия, когда нужно проверить технологические гипотезы и функционал продукта.
Существует множество технологий быстрого прототипирования – несерийного производства, которые позволяют сделать штучное изделие без больших вложений. Наиболее распространенные — 3D-печать, резка/гибка/сварка/механическая обработка металла, резка и мехобработка дерева, штамповка, литье в силикон, термоформовка пластика, контактное формование из стеклопластика. У каждой из этих технологий свои особенности, которые надо учитывать, чтобы прототип был максимально похож на серийное устройство не только внешне, но и своими свойствами. Справиться с этой задачей можно только при наличии компетенций и штата опытных специалистов. Именно поэтому далеко не каждая студия промышленного дизайна занимается прототипированием.
Технология имеет значение
Выбор правильной технологии прототипирования – важнейшая задача. Ошибка может привести к тому, что полученная на данном этапе информация окажется нерелевантной и отправится в мусор. Сделав корпус прототипа из дерева, сложно надеяться, что при серийном производстве из пластика сохранятся его эстетические и физические свойства. Особенно это касается деталей и механизмов, непосредственно завязанных на функционал будущего изделия. Так что всегда нужно ориентироваться на серийный продукт и его предполагаемую стоимость и подбирать технологии, которые позволят произвести прототип, близкий к итоговому изделию по характеристикам. Так, например, одни и те же зубчатые колеса и рейки, но напечатанные разными технологиями из разных материалов будут вести себя по-разному. Кстати, мы с этим столкнулись в процессе разработки и постановки на производство вполне конкретного медицинского изделия, проходящего сейчас испытания.
Погрешности допустимы
Технологии прототипирования зачастую плохо сочетаются между собой. Само производство может иметь разные точности и допуски, а также разную стабильность размеров во времени. Например, проблемы 3D-печати – это усадка, шероховатости, недостаточная прочность. Иногда полученные детали могут даже не собраться в единое изделие. И тогда может показаться, что на этапе проектирования допущены ошибки. Но это не обязательно так. Всегда нужно помнить, что перед вами – прототип, а не серийное изделие, и он должен выполнить определенную задачу, а не соответствовать всем требованиям. Но все возможные допущения важно определить на начальном этапе и при каждой итерации проверять отдельные характеристики: общие размеры, внутренние габариты, уровень нагрева продукта, функционирование отдельных элементов... Нужно четко понимать, для чего делается прототип и какой результат будет приемлемым.
В самом начале пути мы занимались проектом по созданию портативной кофемашины для автомобиля, которая работала бы от прикуривателя. Задача представлялась не слишком сложной. Но на стадии планирования разработки и прототипирования была допущена ключевая ошибка – заказчики и разработчики решили создать сложное изделие целиком в один заход, минуя стадии отработки на макетах и прототипах. В итоге прототип, представляющий сборку из множества мелких деталей (около 50 деталей, не включая электронику, умещенных в стакан), собирался и дорабатывался сложнее, чем корабль в стеклянной бутылке и постоянно получался негерметичным, что воспринималось как ошибка проектирования.
Работая сейчас над аналогичным проектом, специалисты уверенно разложили бы его на технологические гипотезы и проверили их в порядке важности на прототипах для основных стадий работы изделия. Кстати, в пищевых проектах, где требуется биосовместимый пластик, работающий при высоких температурах, а также где предъявляются высокие требования к точности, нас спасают принтеры, работающие по технологии SLA.
Инновации требуют больше итераций
Обычно прототип проходит три-четыре итерации, пока не будет достигнут желаемый результат. И чем более инновационный продукт разрабатывается, тем больше итераций понадобится. Вообще, разработка после запуска продукта на рынок не останавливается, а перетекает в непрерывную работу над улучшением потребительских и иных свойств.
В прошлой статье мы рассказывали о персональном автоматическом внутримышечном инъекторе. Приборов с таким функционалом не существовало на рынке, все приходилось придумывать «с нуля». Надо было оценить габариты и вес, проверить надежность и точность работы механики, отработать сценарии применения. Путем последовательных итераций удалось привести продукт к целевой себестоимости, сократить количество деталей почти в два раза, разрешить ряд физических противоречий с работой мотора, открыть несколько «фишек» в пользовательском опыте и т.д.
Прототиписта ноги кормят
Проектирование прототипа происходит в идеальной среде, где специалисту доступны любые детали и материалы по клику мыши. Однако очень часто оказывается, что для создания продукта нужны специальные винты, пружины, прокладки или другие комплектующие, которых нет в наличии. Кстати, именно сейчас мы это видим по срокам поставки различных электронных компонентов. Чтобы их найти, прототиписту приходится побегать по магазинам и рынкам. Можно попробовать обратиться непосредственно на завод-производитель, но из-за небольшого размера партии поставка может сильно затянуться. И тогда прототиписту остается объезжать рынки, на которых могут заваляться необходимые детали.
Чтобы избежать такой ситуации, «Карфидов Лаб» ведет специальный раздел базы знаний компании, в котором находятся типовые комплектующие, которые производители не планируют снимать с производства, а также имеет наработку контактов опытных производственных площадок и свое опытное производство, чтобы не просить у крупных фабрик об изготовлении мелких заказов.
Найти главный узел
Начинать прототипирование необходимо с самого проблемного и сложного узла конструкции. Это может потребовать дополнительных ресурсов, но в конечном счете такой подход позволит оптимизировать бюджет разработки и снизит возможное количество будущих переделок и доработок, производных от этого главного узла. Только после проверки основной технологической гипотезы можно переходить к созданию общего прототипа.
Сейчас мы проектируем очень сложный комплекс, ключевым элементом которого является инновационная система механического захвата предметов с использованием машинного зрения. Сначала нужно реализовать эту конструкцию с учетом требований заказчика и проверить ее в полевых условиях, прежде чем переходить к детальной разработке всего проекта.
На ПО надейся, но сам не плошай
Современный софт позволяет на этапе технического проектирования произвести массу расчетов. Но, к сожалению, они не всегда применимы в реальной жизни. Например, в компьютерной модели труба везде имеет одинаковую толщину стенки. Но на практике продукт может оказаться с изъяном, и в некоторых местах стенки будут тоньше, чем заявлено.
Одним из наших проектов стала разработка зубной щетки, которая работала бы в двух режимах – вращательном и поступательном (как перфоратор). Заказчиком выступила сеть стоматологических клиник. Ее руководитель пришел к выводу, что одновременная работа щетки в двух режимах положительно скажется на здоровье зубов. Однако современный софт не умеет просчитывать взаимодействие неорганических материалов и органической поверхности, такой как кожа. И во время испытаний продукта губа тестировщика немного «намоталась» на щетку. Получилась «губозакаточная» машинка. Проблему, конечно, быстро исправили. Но этот забавный случай иллюстрирует тезис о том, что, сидя за компьютером, все предсказать невозможно.
Готовьтесь к необычным тестам
При прототипировании практически всегда надо проверять изделие «на прочность» в реальных условиях.
Самые необычные испытания в компании были связаны с проектированием подводного глубоководного автомата для инспектирования газопровода, проложенного по дну океана, на предмет течей. Это устройство должно было работать на глубине до 600 метров. Создать такое давление в обычных условиях невозможно. Пришлось искать выход из ситуации и договариваться с Институтом океанологии, у которого есть собственный испытательный бассейн, где можно воссоздать требуемые условия. Первый прототип устройства, кстати, лопнул из-за труб, у которых стенки оказались разной толщины. В результате удалось подобрать другие комплектующие и создать запас по прочности, чтобы изделие выдерживало большие нагрузки. Понять необходимость такой доработки можно было только после натурных испытаний.
Ошибки – это нормально
Прототипирование – процесс долгий. И при каждой итерации обязательно будут возникать проблемы и ошибки. Их обязательно нужно собирать и анализировать. Но не бояться и не зацикливаться на них! Иммунитет к ошибкам – это главное качество хорошего прототиписта. И еще надо помнить, что иногда, работая над одной проблемой, легко создать новую.
С необычными сложностями мы, например, столкнулись при разработке автоматической сушилки для обуви. Идея изобретения состоит в том, что в плохую погоду люди приносят на подошвах обуви снег с грязью, которые разносятся по помещению – квартире, офису, медицинскому учреждению. Разработка должна была обеспечить автоматическую сушку подошв – встал на специальную платформу, подождал 30 секунд, снег растаял, грязь осыпалась, можно идти дальше. Были проведены необходимые расчеты, собран прототип, но оказалось, что горячий воздух, выходивший из компрессора, после прохода по трубам терял тепло. Температура на выходе составляла всего 60 градусов – слишком мало, чтобы высушить подошвы за 30 секунд. Опытным путем удалось найти верную комбинацию, но в процессе расплавилась не одна пара подошв.
Когда проблема с температурой была решена, у разработчиков появилась новая. Поставленные гофрированные трубки начали издавать громкий звук, очень напоминающий звучание «короля музыкальных инструментов» — органа. Это явно не укладывалось в понимание правильной работы устройства. Разработчики начали экспериментировать с конфигурацией устройства, звучание труб тоже менялось. Один раз устройство ревело, как МИГ-27 на взлете. Но в итоге итерационный подход помог довести проект до желаемого результата: убрать нежелательный звук, существенно сократить общую массу устройства, упростить механику работы и даже убрать лишний функционал. И теперь устройство в продаже.
Готовая электроника – приемлемый путь
При изготовлении прототипа вполне логично использовать уже готовые наборы, например, Arduino или Raspberry pi. Безусловно, у них порой избыточна функциональность, но зато высокая скорость отладки, большая компонентная база и набор библиотек кода, что позволяет достаточно быстро решить вопрос. Однако есть и минусы − стоимость, уже определенная геометрия, невозможность предусмотреть конструктивные элементы. Конечно, для серийного изделия логичнее и правильнее использовать печатные платы собственной разработки, но для прототипа готовые наборы – правильный и обоснованный выбор.
Алексей Карфидов, сооснователь и генеральный конструктор «Карфидов Лаб»:
«Процесс разработки прототипа инновационного технического изделия – процесс не всегда простой и линейный, порой требующий существенного выхода за границы собственных познаний и компетенций. Главное, видеть конечный результат, понимать его природу и не останавливаться при малейших трудностях. Часто прототипирование – это НИОКР, а в науке отрицательный результат – это такой же результат. Это не хорошо и не плохо. Это просто повод пересмотреть какие-то моменты в продукте, технологии, функционале и т.д. Об этом свидетельствует и наша практика, когда на этапе прототипирования продукта происходит смена его концепции».