Процесс промышленного дизайна Rackmount-устройств

Промышленный дизайн не всегда про проектирование диванов, ложек, стульев, бытовой электроники. Дизайн нужен и для rackmount-устройств, а по этой теме информации в свободном доступе практически нет. Крупные студии публикуют много процессов промышленного дизайна, но мало кто из них описывает, с какими проблемами сталкиваются специалисты даже при проработке небольших железных коробок с 2 кнопками и 10 разъемами. В статье я постараюсь рассказать про рутинные задачи и проблемы, с которыми регулярно сталкиваются промышленные дизайнеры.

На данный момент чаще всего я участвую в проработке дизайна либо desktop (прибор на столе), либо rackmount (в 19″ стойку) устройств. У меня также есть опыт промышленного дизайна для кнопочного мобильного телефона, STB + пульт, нескольких программно-аппаратных комплексов. Я заметил, что если 5 лет назад вопрос стоял лишь в функциональности устройства и форма следовала за функцией, то сейчас рынок наполнен, и форм-фактор стал играть значимую роль. Эстетика идет вместе с функциональностью, а не следом за ней.

Сразу хочу отметить, в промышленном дизайне все строже, чем в web. Если в web несоответствие макету на 1px это ерунда, то в промышленном дизайне несоответствие чертежу/модели на 1mm это огромный косяк. Запустить MVP сайта это одна неделя, а запуск промышленного образца от идеи до серверной полки это 6 месяцев. Цикл жизни Rackmount-устройства в среднем 6 лет, как у обычного сервера. Это, конечно, не 30-40 лет эксплуатации, как у автомобиля, но куда больше, чем 1-2 года жизни дизайна сайта.


Как выглядит дорожная карта промышленного дизайна:

Анализ

Типичная задача состоит в дизайне устройства, у которого есть аналоги. Поэтому работа начинается с анализа конструкции аналогичных корпусов и стандартов, которым она должны соответствовать. Выбираются материалы исполнения корпусных деталей. В ТЗ будет указано просто «железо», на практике выбор придет к алюминию и стали. На уровне дизайна создается куча эскизных зарисовок, поиск идей по открыванию крышек корпуса, что является по сути обычной практикой дизайн-мышления. Динамичные и современные формы в стиле Карим Рашида рисовать бессмысленно, поскольку речь идет об оборудовании для серверных шкафов. Вас ждет монтажная единица 1U. Корпус высотой 1U с возможностью установки в телекоммуникационный шкаф 19”.

Проработанные концепты показываются заказчику. Появляется одно направление для развития или несколько, это тоже нормальная ситуация. Сразу же подключаются инженеры, поскольку разработка своего корпуса потребует сертификацию на соответствие ТР ТС: электромагнитная совместимость и безопасность при работе с 220В. При заказе готового шасси корпуса производитель берет сертификацию на себя, но не всегда, так как сертификацию на соответствие ЭМС и электробезопасности проходит не корпус, а изделие целиком. Сам корпус не является источником помех, поскольку внешние помехи не влияют на его функциональные качества. С электробезопасностью то же самое.

Вполне нормально по результатам обсуждения выбрать уже готовый корпус  с минимальной доработкой передней, задней панелей и внутри. На рынке достаточно стандартных корпусов электротехнического назначения в исполнении IP65 или более защищенных. В таком случае работа дизайнера сводится к UX эргономики и работы устройства в среде, расстановке цветовых акцентов.

Разработка грубого 3D-эскиза и согласование предлагаемой компоновки

Компановка внутри корпуса с учетом необходимого набора внутренних компонентов (платы, источники питания и пр.), а также требований к конструкции: на этом этапе решается, как будет открываться корпус (сдвиг-подъем).

Начинается проработка активной системы охлаждения, и это одна из важнейших частей работы. Вентиляторы, охлаждение свободным потоком, радиаторы, «горячая смена» вентиляторов и блоков питания. В rackmount принято монтировать два блока питания, в случае выявления стабильного снижения уровня батареи ниже требуемого будет выполнен переход на другой элемент питания + индикация работающих блоков питания. Дело в том, что температура окружающей среды работы устройства от -40 до 85 °C, со снеговой нагрузкой и прочими радостями эксплуатации промышленного оборудования, и устройство должно быть готово к любым ситуациям. Для подключения резервного источника питания должен быть выделен отдельный разъем.

По 3D-модели сразу должно быть понятно, какого типа будет охлаждение, например, front to back (спереди холодный воздух затягивается, сзади выходит горячий). Это бывает указано в изначальных требованиях, т.к. часто зависит от устройства серверной у заказчика. При этом описанного в ТЗ заказчика охлаждения не хватает, поскольку лазерам нравится прохлада. Для них добавляется воздуховод. Я еще люблю делать перекрытия из упругого материала с вертикальными разрезами внизу, получается своеобразная «бахрома». Данная бахрома позволить проложить кабели как угодно, но при этом будет перекрывать путь воздуху.

С другой стороны, если устройство будет стоять в кабинете топ-менеджмента, блок питания должен быть тихий, будет использовано пассивное охлаждение. Тогда у вас будет возможность литья корпуса из пластмассы или вариант с изготовлением корпуса на 3D-принтере, проблем станет меньше.

На данном этапе важно понимать, будет ли ЖК экран на передней панели. Будет ли это ЖК экран с текущим состоянием переключателя, или это полноценный сенсорный экран с графикой, который заменит физические кнопки? Второе резко усложняет задачу. Но в таком случае часть механических кнопок можно заменить на программные. Это уменьшит стоимость, сделает инжереную реализацию проще. От этого зависит размещение механических кнопок и переключателей, и проработка их дефолтного состояния. И какая будет примерная масса.

Работа ведется в Alias, Rhino или SolidWorks, никаких 3DMax, Maya, Cinema. Причем Alias и Rhino считаются в большей степени дизайнерскими, концептуальными инструментами, тогда как SolidWorks это полноценная CAD-система. Есть вероятность встретить софт вроде Altium designer и Creo. По результатам итерации создается драфтовая модель, и идет повторная презентация визуализации в реальной среде.

Проработка деталей

Делаем физические макеты в реальном масштабе, начинаем продумывать конструкцию и детали. Работа с цветом, подбираем оттенки материалов (силикон, пластик). Уже нужно быть готовым выдать готовые CAD модели. Важно проработать положение не только кнопки «Питание», но и «Восстановление заводских настроек», которая обычно монтируется на плату.

Самому делать продукт не надо, но нужно понимать, как он будет производиться. Если для веб-дизайна важно понимать HTML/CSS/JS, то для промышленного дизайна нужно получить опыт работы на:

  • 3-Х сегментальный листогиб
  • Фрезерный станок
  • Лазерный станок (макетирование корпусов)
  • Пресс (с инструментом)
  • Ручные сварочные клещи
  • Один из многофункциональных инструментов
  • Сверлильный станок

 

Расходники и survival kit:

  • Набор торцевых головок и бит с трещоткой
  • Набор плашек и метчиков
  • Тиски с винтовым креплением и все размеры ключей
  • Компрессор
  • Динамометрическая отвертка
  • Цифровой штантгенциркуль
  • Этикет-лента для записей на девайсе
  • Радиомонтажная лупа, флюс-гель, пинцет, кусачки, стеклотекстолит,

Весь этот набор инструментов вам понадобится для прототипирования, но работать будет вся команда, не только вы. Если повезет, то сможете многое сделать на 3D-принтере.

Зачем такие сложные инструменты? Если есть требование, чтобы съемная часть корпуса после удаления крепежных элементов требовала усилия на сдвиг перед подъемом, то спрототипировать это пластилином или лего не выйдет, только тяжелыми материалами. Для внешних соединений деталей корпуса, за исключением крышки, можно использовать неразъемный или антивандальный крепеж и попробовать взломатьХод микропереключателей не должен допускать образование щели при открытии части корпуса до срабатывания сигнала о вскрытии, это всегда весело тестировать. При прототипировании сдвигаемых частей корпуса важно, чтобы съемная, сдвигаемая часть корпуса заползала под отгибы для исключения возможности подсунуть под крышку плоский предмет.

Моделирование теплового режима корпуса

Ваши основные проблемы это перегрев устройства и бесперебойность питания, от этого пляшут все решения. Нужно осознать боль: корпус с отверстиями обеспечивает лучший отвод тепла от компонентов при нормальной окружающей температуре, что важно при работе на границе допустимого диапазона температур. Нормальным решением будет закрыть отверстия мелкой сеткой. И при этом обеспечивать невозможность доступа (путем подключения проводов и т.п.) к элементам материнской платы, ножкам данных элементов и отладочным разъемам платы.

Решаем, нужно ли делать заглушки для неиспользуемых плат расширения. Какие стенки будут перфорированными. Если есть опасность попадания воды, то прорабатывается защита корпуса от проникновения воды и посторонних предметов, соответствие степени защиты IP30 по ГОСТ 14254-96.

Ремонтопригодность и удобство работы сильно зависит от трассировки кабелей внутри корпуса. В 3D-компоновку добавляется дополненная модель соединительных кабелей. Прорабатываются места для установки микропереключателей для контроля вскрытия корпуса, заглушки на разъемы.

Корректировка 3D-моделей

Изучаем, какой графический интерфейс может понадобиться, работаем над графикой дисплея. Минимизируем количество съемных частей корпуса с крепежными элементами, доступными снаружи. В идеале должно быть 2 части: основание и крышка. Как говорил Дитером Рамс: «хороший дизайн настолько мал, насколько это возможно». Каждая съемная часть корпуса должна фиксироваться минимум двумя микропереключателями, подключенных последовательно в кольцо. Срабатывание любого приводит к сигналу о вскрытии. Меньше деталей корпуса=меньше микропереключателей.

Это также позволит корпусу убрать отверстия, позволяющие получить доступ к внутренним компонентам изделия посредством прямого щупа. Когда с корпусом становится все понятно и прототип устраивает команду, делается заказ заводам на тестовые изделия (5-10 экземпляров).

Реализация корпусов подрядчиками обычно хромает на обе ноги. Если в чертежах указан радиус скругления 1mm, то с производства могут прийти радиусы скругления более 2 мм, и углы будут выделяться. Самый распространенный косяк это неровные прилегания крышек и кривой монтаж разъемов, причем если по чертежу допустимый зазор 0,2-0,4mm, то на практике зазор может быть и 3mm. Каверны и вмятины тоже обычное дело.

Основная задача на этапе проверки тестовых устройств с завода состоит в отслеживании косметических недостатков, не влияющих на функционирование изделия. Помимо осмотра корпуса, имеет смысл посмотреть и на микросхемы. Компоненты тоже могут стоять криво, даже те, которые ставятся в отверстия/разъемы. Платы могут быть с остатками флюса. Существует стандарт IPC-A-610-E на отмывку флюса, по которому видимые остатки удаляемых флюсов или остатки любых активных флюсов являются дефектом для всех классов 1,2,3.

Одна из важных задач это понять, насколько удобно ремонтировать устройство. Неаккуратность при работе со стопорящей жидкостью для стопорение крепежных винтов приводит к попаданию жидкости на компоненты и поверхности деталей, находящихся рядом с винтами. Это не только затрудняет разборку изделия (ухудшает ремонтопригодность), но и может оказать неблагоприятное воздействие на компоненты в связи с химическим составом стопорящей жидкости.

Даже самые простые вопросы, вроде выбора батареек, имеют свои подводные камни. Так как эксплуатация устройств происходит в экстремальный условиях, батарейки для массовых типов (consumer grade) с ограничением в  +60°С не подойдут. Познакомитесь с батарейками для специальных типов (industrial grade): +70°С, +80°С, +85°С, +125°С. И замена батарейки должна проводиться без вскрытия корпуса устройства, что подразумевает наличие люка для смены батарейки.

Разработка упаковочной тары

Окончательное утверждение маркировки + шильдов с указанием наименования изделия, его обозначения, серийного номера и даты изготовления. Маркировка тары должна производиться по ГОСТ 30668-2000. Тара обычно разовая индивидуальная и крупная, т.к. миниатюризация это скорее из области  IoT/IIoT. На тару есть ГОСТ, 23088-80. В тару добавляется этикетка, упакованная в пакет из полиэтиленовой пленки.

Основное, что важно учесть при разработке тары, это транспартировка и хранение. Для сетевого промышленного оборудования это соответствие условиям «С» по ГОСТ 23216-78. Транспартировка таких устройств производится в отапливаемых герметизированных отсеках, причем не важно, в грузовом автомобиле, поезде или самолете. Хранение устройств происходит в складских помещениях в штатной упаковке при температуре окружающего воздуха от -40 до 60 oС и относительной влажности до 95 % (без выпадения конденсата и образования инея).

По маркировке работы не много, в общем случае надо отследить, чтобы все разъемы и элементы индикации изделия имели правильную маркировку. Имеет смысл соответствовать ГОСТ 18620-86 (Изделия электротехнические. Маркировка) и не забывать про манипуляционные знаки ГОСТ 14192-96.

По маркировке будет также много косяков со стороны производителей, куда больше, чем в обычных типографиях. Косяки бывают на уровне изменения логотипа с цветного на черно-белый. О попадании в цвет даже говорить не приходится.

Подготовка комплекта данных для финального производства

Для контроля приходится самостоятельно выходить на завод, который не будет хотеть работать, минуя посредников. Когда тестовые устройства с завода проверены, настало время размещения заказа контрактнику на полное производство. Будет много инжереных штук, вроде установки BIOS, заливки ПО, но на этом этапе вы пойдете верстать инструкцию к устройству, что уже не относится к теме промышленного дизайна.


Может ли всю эту работу сделать инженер вместо дизайнера? Да. Но результат будет такой же, если Back-end разработчик напишет сайт на Bootstrap без дизайна. Вроде работает, но UX плохой. Аналогично, инженер пройдется по IPC-A-610E и выпустит продукт, который создаст много проблем всем специалистам, которые работают по всей бизнес-цепочке. Промышленный дизайнер при работе над rackmount-устройствами сможет найти баланс соответствия всем требованиям и комфортом работы. А возможно, и привнести инновации.

6 комментариев

  1. Иван Пегашев

    Как рассчитать тепловыделение?

    • Цветков Максим (Author)

      Сначала идет прикидка приблизительно и умозрительно (это не сложно, если корпус фрезерованный), потом расчет ведется в САПР типа ANSYS. Специально обученными людьми.

  2. Anastasia Biryukova

    Как принято, да и принято ли, защищать платы и укреплять разъемы для увеличения надежности?

    • Цветков Максим (Author)

      Если вопрос только в надежности, то для соединения плат между собой можно использовать цанговые разъемы, что бы обеспечить надежный долговременный контакт разъемных соединений. Также, обычно платы покрывают лаком и специальной диэлектрической смазкой, т.к. в экстремальных условиях будут проблемы с повышенной влажностью, что чревато окислениями и даже наростами.

  3. Анатолий

    Здравствуйте, есть ли практики добавления брони в устройства для экстремальных условий эксплуатации, и при этом сохранении эстетики корпусов?

    • Цветков Максим (Author)

      Броня обычно располагается под обшивкой, и это плоский стальной лист. Корпус можно сделать с интересными выпуклыми формами, а под корпусом уже грубая коробка из толстых бронелистов, с правильными углами наклона и распределением нагрузки. Речь, конечно, не об активной броне.

«Взаимодействуя с данным сайтом, вы, как пользователь, автоматически даете согласие согласие на обработку персональных данных»

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.