Hardware ist hart…aber nicht unmöglich.

Der Hardware- und IoT-Produktentwicklungsprozess ist langwierig und kostspielig und birgt Herausforderungen und Fallstricke für Neulinge und diejenigen, die die damit verbundenen Risiken und Projektkosten unterschätzen. In diesem Artikel brechen wir Hilfe, um die Produkt-Design und Engineering-Entwicklung in die Phasen und Meilensteine, die jede professionelle Design-Haus oder neue Produktentwicklungsunternehmen oder Ingenieure verwenden knacken.

Kurz gesagt, der Lebenszyklus der Entwicklung neuer Produkte ist in 3 Hauptphasen unterteilt:

  1. Idee, Produktdefinition, Machbarkeit, Konzeptualisierung
  2. Entwicklung und Prototyping
  3. Serienfertigung

Es gibt eine ganze Reihe von Akronymen, die für verschiedene Arten von Hardware-Prototypen zwischen Konzept und Massenproduktion (MP) stehen. In der Entwicklungs- und Prototypenphase werden verschiedene Prototypen hergestellt, die alle sehr unterschiedlichen Zwecken dienen.

 Lebenszyklus der Produktentwicklung

Unabhängig davon, ob Sie einen intelligenten IoT-Lautsprecher, einen Roboter, ein Elektrofahrrad oder ein Verbraucherküchengerät bauen, müssen Sie diese Phasen durchlaufen und POC – EVT – DVT-PVT-Meilensteine in Ihrem Unternehmen erreichen, da Sie sonst die Eckpfeiler des Designprozesses erlernen würden Kosten Sie viel mehr Zeit und Geld und überschreiten das geschätzte Budget. Nachfolgend finden Sie einen How-to-Plan, der für jedes Produktentwicklungs- und Fertigungsprojekt gilt.

Demonstratoren und Mockups.

Während die erste Phase der Konzeptentwicklung und Produktdefinition sehr wichtig ist, hängt sie nicht wesentlich vom Engineering ab. In dieser ersten Phase ist es sehr vorteilhaft, verschiedene gleich aussehende Demonstratoren und Modelle aus verfügbaren Materialien wie Papier, Ton, Plastilin, Holz mit Hilfe von Klebstoff und Klebeband herzustellen, um das verbraucherorientierte Denken so früh wie möglich zu kanalisieren. Industriedesigner können ihre Kreativität üben und verschiedene Skizzen und Renderings liefern, die weit vom endgültigen Erscheinungsbild des Prototyps entfernt sind.

 Demonstratoren und Mockups
Ein weiteres Rendering eines Verbraucherprodukts, das verschiedene umfangreiche Design- und Entwicklungsmeilensteine durchlaufen muss

Konzeptnachweise (POCs).

Streng genommen beginnt jede Produktentwicklung mit einem POC-Prototyp (Proof-of-Concept). Ziel des POC ist es, das grundlegende Konzept hinter dem Produkt zu möglichst geringen Kosten nachzuweisen. Aus diesem Grund profitiert POC Prototyping in hohem Maße von marktüblichen Entwicklungskits wie Arduino und Raspberry Pi oder Hardware / Software-Entwicklungskits (HDK / SDK). In Deep / Hard-Tech-Projekten, die sich auf die Kommerzialisierung einer wissenschaftlichen Technologie konzentrieren, wird typischerweise der Begriff POT (Proof-of-Technology) verwendet.

 Proof of Concepts
Hardware Development board (HDK) STM32 Nucleo – eine offene Entwicklungsplattform von ST microelectronics – ideal für POC Prototyping und Engineering Validation tests (EVT )

Man sollte POC und MVP (Minimum Viable Product) unterscheiden, die in der Hardwareentwicklung sehr oft verwechselt werden. Die POC-Funktionalität ist begrenzt und NICHT identisch mit dem Endprodukt, während Hardware-MVP ein Prototyp ist, der echten Kunden präsentiert / verkauft werden kann, um wertvolles Produktfeedback zu sammeln.

Entwicklung und Prototyping.

EVT – DVT – PVT Akronyme stehen für die verschiedenen Stufen der Produktentwicklung und Industrialisierung. Diese Phasen der Prototypenentwicklung dienen dazu, Risiken, Defekte, Fehler, Bugs und Konstruktionsfehler vor dem Eintritt in die Massenproduktion zu minimieren. Es ist äußerst wichtig, diese Risiken während der Konstruktionsphase zu identifizieren und zu bewältigen, da sonst die Herstellung und der Verkauf von 1000 fehlerhaften Produkten Sie viel mehr Geld und Ansehen kosten würde.

Die folgende Tabelle enthält die gängigsten Terminologien für die Produktentwicklung.:

Technische Terminologie Allgemeine Terminologie für Prototyping TRL-Terminologie (Technology Readiness Level) Erklärung
Konzeptentwicklung: Idee, Produktdefinition, Machbarkeit, Konzeptualisierung Konzeptionelle Mock-ups (Look-Alike-Prototypen) TRL-1 Idee
TRL-2 Technologie existiert auf einem Labortisch und / oder gut beschriebenes Konzept entwickelt
POC-Proof-of-Concept-Prototyp Proof-of-Concept-Prototyp TRL-3 Erster POC oder POT (Proof-of-Technology-Prototyp)
TRL-4 validierter POC/POT
EVT Engineering Validierungstests Arbeitsähnliche Prototypen TRL-5 Prototypen in Entwicklungsumgebung getestet und validiert
Arbeit-wie + look-alike Engineering prototypen. Frühe Alpha TRL-6 Prototyp kurz vor dem endgültigen Aussehen. Geführte Tests mit Anwendern
TVT MVP: Work-like + Look-alike Prototyp bereit (späte Alpha-Prototypen) TRL-7 MVP für unbeaufsichtigte Benutzertests
PVT-Produktionsvalidierungstests Beta-Prototyp oder Beta-MVP können in Chargen hergestellt werden TRL-8 Beta-Prototypen, die in Chargen hergestellt werden. Immer noch teuer pro Stück Produktionskosten
MP1 Volumen produktion TRL-9 Gezielte einheit produktion kosten. Verkauf

Die EVT-Phase (Engineering Validation Testing)

folgt auf den ersten POC-Prototyp. EVT Phase nimmt eine Reihe (oder sogar eine kleine Charge) Prototypen verschiedener Module (oder Subsysteme). Bei EVT geht es darum, arbeitsähnliche und (manchmal) arbeitsähnliche + ähnliche Prototypen zu entwickeln, um die Kernfunktionalität des Produkts zu validieren, zu testen und zu verfeinern. Diese Prototypen können alles zwischen einem Breadboard-Elektronik-Prototyp, PCB (A) und Funktionsprototyp mit einem 3D-gedruckten Gehäuse sein. EVT ist intrinsisch iterativ und es können mehrere Iterationen durchgeführt werden, bevor Sie Konstruktionsfehler durch Funktionstests und -analysen beseitigen.

EVT
So sehen typische frühe EVT-Prototypen aus: ein 3D-gedruckter Träger und gebündelte Drähte

Das Ziel des EVT ist es, Look-Alike- und Work-Like-Subsystem-Prototypen aus beabsichtigten Komponenten zu kombinieren, um die funktionalen Anforderungen in dem Formfaktor gemäß Ihrem PRD (Product Requirements Document) zu erfüllen.

EVT Prototyp Mengen: 3-50 Einheiten, abhängig von der Designkomplexität und den Stücklistenkosten. Im Durchschnitt sind 5-12 Prototypen erforderlich, um das EVT abzuschließen.

Technologien: 3D-Druck, lasergeschnittene / gefräste Leiterplatten, Softtooling (Silikonformen), professionelle Hardware-Entwicklungskits (HDK), schnell geschnittene / gefräste Teile;

Ergebnisse / Leistungen: Voll funktionsfähiger Prototyp mit Schlüsselkomponenten, die wie vorgesehen funktionieren.

Einschränkungen: Prototypen, die während der EVT-Phase geliefert wurden, sehen möglicherweise etwas hässlich und roh aus und haben kein schönes kosmetisches Finish. Der EVT-Prototyp kann auch einige nicht wichtige mechanische Merkmale wie Griffe, Kurven im Gehäuse, Lackierung usw. vermissen.

Erst nach Abschluss der EVT-Phase treibt man das Industriedesign wirklich voran, um das endgültige Erscheinungsbild des Produkts zu entwickeln. Jedes Industriedesign (ob in Renderings, Skizzen oder in CAD) vor dieser Phase ist für die tatsächlichen Größen, das Gewicht und die Modulanordnungen nicht relevant. Die Late Alpha „work-like + look-alike“ Prototypen beabsichtigen, den realen Look des Industriedesigns zu realisieren.

Die DVT-Phase (Design Validation Testing)

dient dazu, das Design des entwickelten Produkts zu validieren und mit der Implementierung von DFM (Design for Manufacturability) zusammen mit anderen DF-X-Regeln zu beginnen. Nach Abschluss des EVT-Prototypings sollte man sich darauf konzentrieren, das Design der Prototypen und Gehäuse zu liefern, die wie das Endprodukt aussehen. Wenn Sie beispielsweise eine Allwetter-Wetterstation für den Außenbereich bauen, sollte der DVT-Prototyp zu diesem Zeitpunkt wasserdicht sein.

Es ist die letzte Phase vor Verkaufsbeginn und man muss sicherstellen, dass das Design den verschiedenen Standards und Zertifizierungsanforderungen für Zielmärkte entspricht: CE, EC, FCC, UL, RoHS usw. Und auch hier ist es wichtig, dass Ihr Produkt der elektrischen Stromquelle entspricht, bevor Sie das Design fertigstellen und die Zertifizierung beantragen (was Sie bei der Definition Ihres Produkts in einer PRD besser vorausdenken sollten).

Es können mehrere DVT-Iterationen und verschiedene DVT-Prototypen geliefert werden. Diese reichen von handgefertigten teuren Prototypen mit feinem Finish bis hin zu einer Kleinserie, die mit „schnellen“ und / oder herkömmlichen Stahlformen in der Spritzgießmaschine hergestellt wird.

Daher sind die ersten Ergebnisse der DVT das, was wir als MVP bezeichnen würden.

Ziel des DVT ist es, das Design (d. H. Abmessungen, Gewicht, Materialien, Verarbeitung, bewegliche mechanische Teile) festzulegen und die Merkmale des Endprodukts zu rationalisieren.

  1. In diesem Stadium sollten Sie sorgfältig überarbeiten und betrachten Merkmale vs Produktqualität / Finish vs Produktion und Stücklistenkosten vs Produktionsvolumen.
  2. Füllen Sie die erforderlichen Zertifizierungen aus;
  3. Entwickeln und finalisieren Sie Verpackungen und Verpackungen
  4. Beginnen Sie, Anfragen von Massenproduzenten anzufordern und Logistikpläne zu erstellen.

DVT-Prototypenmengen: typischerweise 20-200 Einheiten, abhängig von der Designkomplexität und den Stücklistenkosten. Die Prototypen werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt: Zertifizierungslabortests, „Beta-Tests“ mit frühen Kunden / Testern.

Technologien: 3D-gedruckte + gelbeschichtete Gehäuse mit dem Finish „ab Werk“, schnell geschnittene/gefräste Teile; Industrieanlagen (z. spritzguss) und Werkzeuge der 1. Generation (z.B. „Quick Moulds“).

Outputs / Deliverables: ein serienfertiger Funktionsprototyp mit Stückliste und einem Designdokumentationspaket. Box- und Verpackungsdesign abgeschlossen. Schätzung der Massenproduktionsausbeute

Einschränkungen: Die DVT-Prototypen und die Dokumentation sind nahezu endgültig und können in der Entwicklung geringfügig geändert werden. Einige mechanische Teile und elektronische Komponenten sind aus wirtschaftlichen Gründen möglicherweise nicht endgültig (z. B. ist es billiger, einige Metallteile per CNC zu fräsen, anstatt Farbguss zu verwenden).

Wenn Sie eine Crowdfunding-Kampagne wie Kickstarter oder IndieGoGo planen, riskieren Sie nicht Ihren Ruf, indem Sie den POC oder den frühen EVT-Prototyp den Unterstützern zeigen. Die EVT-Phase kann lang sein und erfordert viel R & D. Daher ist es wichtig, dass Sie Ihren MVP / DVT-Prototyp präsentieren, der mit Benutzern entwickelt und getestet wurde. Mit erfolgreichem Crowdfunding können Sie Ihre endgültigen Designanpassungen finanzieren und einfach und schnell in die PVT- und Pilotproduktion einsteigen

 POC und EVT
Ein schneller Prototyp und ein Werkzeugbeispiel für Aluminiumformen. Solche „Schnellformen“ können den Designvalidierungstests in Projekten, in denen 3D-Druck und Silikonformen nicht die erforderlichen Toleranzen oder die für eine angemessene System- / Produktvalidierung erforderliche Oberfläche liefern, wirklich zugute kommen.

Die PVT- oder Produktionsvalidierungstests.

ist der letzte Schritt vor dem offiziellen Beginn der Massenproduktion. In der Regel werden 5-10% des Produktionslaufs in der PVT geliefert, um die Qualität des herstellbaren Produkts zu stabilisieren.

Obwohl die PVT nicht die teuerste Stufe ist, können die Ergebnisse einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität und die Kosten der Massenproduktion haben. Nur geringfügige Änderungen sind an der PVT erlaubt. Jede wesentliche Änderung im Design kickt das Projekt zurück zu DVT.

Prototypen, die in dieser Phase veröffentlicht werden, werden auch „Betas“ genannt und Proben, die vom Massenproduzenten erworben wurden, werden als „Goldens Samples“ bezeichnet.

Der DF-X erfährt einige Korrekturen, die zur Entwicklung von Formen und Werkzeugen führen. Prüfstände für PCBA-Tests sind ausgelegt. Alle Komponenten, Materialien, Verpackungen und Logistik sind in dieser Phase geplant.

PVT Ziele:

  1. Überprüfen Sie die Massenproduktionsausbeute;
  2. Finalisieren Sie DF-X mit Hilfe von CM, um den Abfall zu minimieren und die Montage effizienter zu gestalten;
  3. Machen Sie den ersten Pilotproduktionslauf und stellen Sie sicher, dass die Produktqualität Ihren Erwartungen entspricht;
  4. Beseitigen Sie die letzten Konstruktionsfehler während des Pilotproduktionslaufs;

PVT-Prototypenmengen liegen typischerweise zwischen 50 und 500, um die Massenproduktionsausbeute zu überprüfen und Produktmuster bereitzustellen.

Technologien: Industrielle Technologien, die nur für die Massenproduktion geeignet sind;

Outputs / Deliverables: Endprodukt, das in einer begrenzten Menge unter Verwendung der Werkzeuge für die Massenproduktion hergestellt wird. Elektronische Layouts und Komponenten werden mit PCB-Schablonen zum Löten von Komponenten überarbeitet. Mechanisches DFM ist abgeschlossen und Kunststoffteile werden unter Verwendung von Formen der 2. Generation hergestellt.

Dauer: 3-6 monate im Allgemeinen.

Einschränkungen: Der Zeitaufwand für die Entwicklung und Herstellung von kundenspezifischen Werkzeugen ist im Allgemeinen lang.

 EVT PVT PVT
Ein gutes Beispiel für den Lebenszyklus des EVT – DVT – PVT-Gehäuses. Ein Bild aus dieser Fallstudie https://encata.net/industries-case/ip-66-enclosure

Massenproduktion (MP)

oder MP1 für den ersten Bandlauf auf den Fertigungs- / Montagelinien. Dies bedeutet, dass Sie Ihre Bestellung (PO) aufgegeben und die Produktionsmengen mit dem CM

MP1 vereinbart haben, wird in der Regel von 1000-2000 Einheiten gestartet, die Qualitäts- und Funktionstests unterzogen werden. Dies wird durch QC- (Qualitätskontrolle) und QA- (Qualitätssicherung) Maßnahmen sichergestellt.

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Und vergessen Sie nicht das Ende des Lebenszyklus (EOL), bei dem verschiedene Entsorgungsverfahren und Abfallmanagementprotokolle befolgt werden müssen, während Sie daran denken, Ihr altes Produkt durch eine neue SKU zu ersetzen!