Как мы сэкономили заказчику пару миллионов на корпусе и избавили проект от долгих переделок

Я часто встречаю мысль, что современный CAD позволяет проверить все свойства корпуса заранее — сделать расчёты, нарисовать рендер и отправить в производство. Но это не так — докажу на примере одного из наших проектов. 

Здесь мы лепили из пластилина, печатали на 3D-принтере, фрезеровали пластик и каждый раз находили новые косяки. А могли бы сразу бахнуть серию, и потом потратить кучу денег на переделку оснастки.

Потому что на каждом этапе разработки цена ошибки разная. Исправить форму ручки на пластилиновом макете стоит несколько часов работы. Исправить ту же ошибку после изготовления оснастки — уже миллионы рублей и несколько недель ожидания новой партии. 

Напечатать корпус — одно. Запустить в серию — совсем другое 

«ВЗОР-3000» — это система подземной локации для горизонтально направленного бурения. Технология позволяет прокладывать коммуникации под землей без вскрытия поверхности по всей длине трассы. Так строят водопроводы, газопроводы, линии связи, прокладывают силовые кабели и другие инженерные сети под дорогами, железнодорожными путями, реками и городской застройкой.

Во время бурения оператор должен понимать, где именно под землёй находится буровая головка, на какой глубине она идёт и в каком направлении движется. Для этого в буровую головку устанавливается передатчик, а специалист на поверхности работает с приемником-локатором на аккумуляторах. Корпус для этого приемника мы и разрабатывали.

Условия эксплуатации прибора сложные. Это стройплощадка, грязь, пыль, дождь, снег, вибрации и постоянные перемещения по неровному грунту. При этом локатор находится в руках специалиста большую часть рабочего дня при температурах от серьезного минуса до летней жары.

Первые версии локатора выпускали в 3D-печатных корпусах — модель заказчик разработал сам. Приборы тестировали в реальных условиях и даже продавали первым клиентам. Но когда речь зашла о серийном производстве, стало понятно, что корпус нужно делать заново, а не просто адаптировать к другой технологии.

Заказчик планировал изготавливать корпус по технологии литья в силиконовые формы — это технология для небольших серий, когда выпускать изделие уже нужно, а вкладываться в дорогостоящую металлическую пресс-форму пока рано. Сначала изготавливают мастер-модель и по ней делают силиконовую форму, в которую затем отливают детали из полиуретана. Подготовка занимает значительно меньше времени и обходится дешевле, чем запуск классического литья пластика под давлением.

Такой подход обычно выбирают для первых партий, пилотных проектов или продуктов, которые еще будут дорабатываться. Он позволяет быстрее выйти на рынок и проверить спрос без крупных первоначальных инвестиций. Если же тиражи растут и конструкция стабилизируется, производство обычно переводят на литье под давлением: себестоимость деталей становится ниже, а скорость выпуска — выше.

Для технологии литья в силикон категорически не подходит дизайн, рассчитанный на 3D-печать. И не только потому, что фабрике нужен полный комплект конструкторской документации. У литья в силикон есть ограничения по толщине стенок, поднутрениям, радиусам углов и т.п. 

Многие стартапы делают первые корпуса своими силами или печатают их на 3D-принтере. Для проверки идеи этого достаточно. Но если вы решили вкладываться в производство, придется конкурировать с серийными устройствами, над которыми работали промышленные дизайнеры. В этот момент корпус перестаёт быть просто коробочкой для электроники и превращается в один из инструментов, который помогает продукту выделиться на полке и продаваться дороже конкурентов. 

Заказчик решил, что для массового производства корпус локатора нужно сильно облагородить — как в плане визуала, так и технических характеристик. Эту проблему своими силами, без промдизайнеров и конструкторов, уже не решить. Заказчик хотел вывести на рынок новую модель локатора. И в рамках «отехнологичивания» конструкции мы разработали и дизайн, и конструкцию, и полный пакет конструкторской документации.  

Зачем взрослые дядьки лепят корпус из пластилина 

Внутри корпуса нужно было разместить дисплей, плёночную клавиатуру, платы управления и две антенны, при этом менять компоновку электроники было нельзя. Сам корпус состоял из четырёх элементов: основной части с экраном, полой ручки, отсека электроники и съемного аккумуляторного блока.

Ещё нужно было обеспечить влагозащиту по стандарту IP65, защитить экран поликарбонатом, предусмотреть выравнивание давления внутри корпуса, экранирование от электромагнитных помех, ударопрочность при падении, работу при температурах от −30 до +50 °C и возможность в будущем установить дисплей другого размера без полной переработки конструкции.

Отдельные требования были к ручке и аккумуляторному отсеку. Ручка должна была быть полой, чтобы внутри проходил шлейф к дисплею, но при этом не скользить в руке, поэтому ее внешнюю часть сделали из резиноподобного материала. Аккумуляторный отсек требовалось полностью изолировать от остальной электроники, защитить от попадания брызг, предусмотреть дренажное отверстие, а сами аккумуляторы фиксировать магнитом.

И это только основные требования. А на первый взгляд — ну корпус и корпус. Что тут сложного?

С дизайном разобрались довольно быстро. Но картинка на экране ничего не говорит о том, удобно ли будет таскать двухкилограммовый прибор по стройке несколько часов подряд. Поэтому следующий этап — макет.

У нас есть правило, которое действует почти без исключений: если устройство будут держать в руках, оно обязательно проходит через этап макетирования. Компьютерная модель позволяет оценить геометрию. Но эргономика начинается только тогда, когда человек берет предмет в руки. Поэтому правило работает для всех рукояток, компьютерных мышей, телефонных трубок, носимых приборов и любых устройств с ручным хватом.

На старте проекта мы набрасываем несколько эскизов дизайна и выбранный заказчиком вариант переносим в физический мир — создаём правдоподобную версию корпуса и доделываем его с помощью макетного пластилина или полимерной глины. 

Со стороны для непосвящённых в детали промышленного дизайна процесс выглядит довольно необычно: собирается толпа взрослых людей и начинает лепить, ощупывая в прямом смысле получившиеся формы, где-то добавляя материала, а где-то подрезая его скальпелем.

Сначала мы напечатали макет на 3D-принтере, отшлифовали его и с помощью пластилина доработали ручку, чтобы она стала удобнее и эргономичнее.  

На этом этапе мы: 

• проверяли хват правой и левой рукой, оценивали удобство для рук разного размера;

• оценивали удобство работы в перчатках;

• меняли выступы и скругления;

• проверяли положение пальцев относительно органов управления.

А в этом проекте мы проверяли не только форму. Локатор «ВЗОР-3000» довольно тяжёлый. Оператор держит его за ручку в течение нескольких часов. В таких задачах важно учитывать и реальную развесовку прибора. В этом смысле пустой макет корпуса не скажет ничего — даже если рукоятка кажется удобной, после установки электроники центр тяжести может сместиться настолько, что пользоваться устройством станет некомфортно. 

Во «ВЗОРе» большая часть компонентов расположена в передней части корпуса. Был риск, что устройство будет постоянно заваливаться вперёд и нагружать кисть оператора. Поэтому при проверке эргономики макеты дополняли грузами.

После серии проверок формы ручки отсканировали и уже на основе скана построили цифровую модель, которая легла в основу дальнейшей разработки конструкции.

Ещё до изготовления прототипа стало ясно, что в оговоренный техзаданием вес прибора — до 2 кг — мы не вписываемся. Высока вероятность того, что масса только корпуса прибора, без электронных компонентов, будет около 2 кг. Если снижать вес, то только в ущерб жесткости и технологичности, а это недопустимо. Пришлось согласовать с заказчиком увеличение массы прибора. 

Макет уже был. Зачем еще миллион на прототип?

Заказчик был готов сразу переходить к серии, но мы настояли на том, чтобы создать физический прототип и в прямом смысле потрогать его руками. Со стороны это выглядело как дополнительный этап, который увеличивает сроки и бюджет. На самом деле это был последний шанс проверить конструкцию до того, как любые изменения станут значительно дороже. 

Важный момент, который полезно проверить на прототипе — собираемость всех частей корпуса, произведенных уже по серийной технологии или близкой к ней, чтобы материалы по своим свойствам были близки к серийным изделиям.

В данном проекте прототип производили по технологии фрезеровки пластика. Заказывали его в Китае, поскольку там в режиме одного окна можно выпустить всё: и корпус, и пленочную клавиатуру, и нанесения шелкографией. Приехал он довольно быстро — за 7 дней. 

Со всеми накладными расходами прототип обошелся примерно в 1 млн. рублей. Дорого, фрезеровка — практически ручной метод производства. Но мы платили не за один корпус, а за возможность собрать прибор целиком и найти проблемы до того, как сделали оснастку и отлили 50 штук.

Корпус выглядел именно так, как должен выглядеть готовый коммерческий продукт, а не очередной напечатанный на 3D-принтере макет. Даже беглая проверка показала, что основные решения были выбраны правильно. Корпус успешно выдержал тест на брызгозащиту (IP65), электроника устанавливалась без проблем, все узлы собирались в единую конструкцию. 

Но также выяснилось, что крышка аккумуляторного отсека требует доработки, как дизайнерской, так и конструкционной. Для более эффективной защиты аккумулятора от брызг необходимо было загнуть ее со всех сторон. Причём, на бумаге всё выглядело корректно. В CAD-модели тоже. Проблема обнаружилась только тогда, когда устройство оказалось в руках и прошло через реальные сценарии сборки и использования.

Всплыли и другие мелкие доработки. В результате мы:

• подкорректировали габариты;

• уменьшили массу корпуса;

• усилили заднюю крышку, чтобы избежать небольшой деформации из-за упругости уплотнителя (уплотнитель выгибал крышку на большом пролёте);

• проверили удобство сборки — выявили небольшое смещение некоторых отверстий, сложный доступ к некоторым винтам и т.п.

Хочу заметить, что всё это не были ошибки проектирования. Наоборот, для проекта такого уровня количество замечаний оказалось сравнительно небольшим. По требованию заказчика внутри ручки, эргономику которой мы оттачивали на макете, должен был проходить шлейф. А с литьем в силикон такие полости технологически сложно реализовать. Плюс надо было обеспечить доступ к расположенной внутри электронике в разных плоскостях.

Как правило, литьё в силикон подразумевает, что все доступы осуществляются в вертикальной плоскости, поскольку важно подумать о размыкании форм. Но в корпусе прибора был люк в задней части, перпендикулярный этой плоскости. Нужно было убедиться, что подрядчик, у которого планировалось производить первую партию, сможет реализовать ее на своем оборудовании.

Ни одну из этих доработок нельзя назвать критичной. Но именно в этом и смысл прототипирования. Оно позволяет собрать десятки небольших замечаний, которые по отдельности кажутся несущественными, а после запуска производства превращаются в переделку оснастки, повторное изготовление деталей и потерю времени. 

Что было бы, если бы сразу бахнули серию  

Теперь считаем, что было бы, если бы заказчик всё-таки настоял и мы пошли сразу в серию.

Пластиковые детали для партии из 50 корпусов вместе с оснасткой стоили около 4 млн рублей. И здесь не получилось бы вовремя остановить производство.

Для выявления проблем детали надо изготовить и попытаться собрать. Это время. А литьё в готовую оснастку происходит быстро — от нескольких штук в день в одну форму (зависит от времени полимеризации конкретного пластика). Таким образом, даже если бы первую отливку корпуса отправили нам на сборку и мы быстро нашли проблемы, то не успели остановить тираж и уменьшить затраты на эту партию. Нельзя было бы просто списать 1-2 неудачных корпуса и идти дальше.

В итоге без прототипа мы бы попали на несколько миллионов рубле. Но важнее даже не прямые потери, а время на исправления и время, когда продукт не продается, команда проедает бюджет, а бизнес только теряет.

В этом, собственно, и смысл макетов и прототипов. Они стоят денег, но переделывать готовую оснастку и заново отливать партию обычно стоит сильно дороже.