El hardware es duro…pero no imposible.

El proceso de desarrollo de productos de hardware e IoT es largo y costoso, y presenta desafíos y dificultades para los neófitos y aquellos que subestiman los riesgos asociados y la preparación del proyecto. En este artículo, desglosamos la ayuda para dividir el diseño de productos y el desarrollo de ingeniería en las fases e hitos que utiliza cualquier casa de diseño profesional, empresa de desarrollo de nuevos productos o ingenieros.

En pocas palabras, el ciclo de vida del desarrollo de nuevos productos se divide en 3 fases principales:

  1. Idea, Definición de Producto, Viabilidad, Conceptualización
  2. Desarrollo y Creación de prototipos
  3. Producción en volumen

Existe una amplia gama de siglas para varios tipos de prototipos de hardware entre el Concepto y la Producción en masa (MP). En la fase de desarrollo y creación de prototipos, se están fabricando diferentes prototipos y todos sirven para propósitos muy diferentes.

Ciclo de Vida del Desarrollo de Productos

Ya sea que esté construyendo un altavoz inteligente de IoT, un robot, una bicicleta eléctrica o un dispositivo de cocina de consumo, tendrá que progresar a través de estas fases y lograr hitos POC – EVT – DVT – PVT en su empresa, de lo contrario, aprender las piedras angulares del proceso de diseño le costaría mucho más tiempo y dinero y excedería el presupuesto estimado. A continuación se muestra un plan de «cómo» aplicable a cualquier proyecto de desarrollo y fabricación de productos.

Manifestantes y Maquetas.

Si bien la primera fase de desarrollo de conceptos y definición de productos es muy importante, no depende mucho de la ingeniería. En esta primera etapa, hacer varios demostradores y maquetas similares hechos de materiales disponibles como papel, arcilla, plastilina, madera con la ayuda de pegamento y cinta adhesiva es altamente beneficioso para canalizar el pensamiento centrado en el consumidor lo antes posible. Los diseñadores industriales pueden practicar su creatividad y entregar varios bocetos y renders que están lejos de la apariencia final del prototipo, pero todo esto es para ayudar a pensar y enmarcar el próximo desarrollo de diseño.

Demonstrators andMockups
Otro renderizado de un producto de consumo que debe progresar a través de varios hitos extensos de diseño y desarrollo

Prueba de Conceptos (POC).

Estrictamente hablando, cualquier ingeniería de producto comienza a partir de un prototipo POC (prueba de concepto). El propósito del POC es demostrar el concepto fundamental detrás del producto al menor costo posible. Es por eso que la creación de prototipos POC se beneficia enormemente de los kits de desarrollo disponibles en el mercado, como Arduino y Raspberry Pi, o de los kits de desarrollo de hardware/software (HDK/SDK). En los proyectos de tecnología profunda/dura que se centran en la comercialización de una tecnología científica, se usa típicamente el término » POT » (prueba de tecnología).

Prueba de Conceptos
Placa de desarrollo de hardware (HDK) STM32 Nucleo – una plataforma de desarrollo abierta de ST microelectronics-ideal para pruebas de prototipado POC y validación de ingeniería (EVT )

Uno debe diferenciar POC y MVP (producto mínimo viable) que muy a menudo se confunden en el desarrollo de hardware. La funcionalidad POC es limitada y NO es idéntica al producto final, mientras que hardware MVP es un prototipo que se puede presentar/vender a clientes reales para recopilar información valiosa sobre el producto.

Desarrollo y creación de prototipos.

Las siglas EVT-DVT-PVT representan las diferentes etapas de la ingeniería de productos y la industrialización. Estas fases de desarrollo de prototipos existen para minimizar riesgos, defectos, errores, errores y defectos de diseño antes de entrar en la producción en masa. Es extremadamente importante identificar y hacer frente a estos riesgos durante la fase de diseño de ingeniería, de lo contrario producir y vender 1000 de productos defectuosos le costaría mucho más en dinero y reputación.

La siguiente tabla combina las terminologías más comunes utilizadas para el ciclo de vida del desarrollo de productos:

Terminología de ingeniería Terminología común utilizada para la creación de prototipos Terminología del nivel de preparación tecnológica (TRL) Explicación
Desarrollo de conceptos: Idea, Definición de producto, Viabilidad, Conceptualización Maquetas conceptuales (prototipos parecidos) TRL-1 Idea
La tecnología TRL-2 existe en un banco de laboratorio y / o un Concepto bien descrito desarrollado
Prototipo de prueba de concepto POC Prototipo de prueba de Concepto TRL-3 Primer POC o POTE (Prototipo de prueba de Tecnología)
TRL-4 POC/POTE validados
Pruebas de Validación de Ingeniería de EVT Prototipos de trabajo TRL-5 Prototipos probados y validados en el entorno de desarrollo
Trabajo como + imitación de los prototipos de Ingeniería. Prototipo Alfa temprana TRL-6 cerca del aspecto final. Pruebas guiadas con los usuarios
TVP MVP: Prototipo de trabajo + parecido listo (prototipos alfa tardíos) TRL-7 MVP para pruebas de usuario desatendidas
Pruebas de validación de producción de PVT El prototipo Beta o el MVP Beta se pueden producir en lotes TRL-8 Prototipos Beta producidos en lotes. Coste de producción por unidad sigue siendo caro
MP1 Producción en volumen TRL-9 Coste de producción unitario objetivo. Ventas

La fase EVT (pruebas de validación de ingeniería)

tiene éxito en el primer prototipo POC. La fase EVT toma una serie (o incluso un pequeño lote) de prototipos de varios módulos (o subsistemas). EVT consiste en desarrollar prototipos similares al trabajo y (a veces) similares al trabajo + similares para validar, probar y refinar la funcionalidad principal del producto. Estos prototipos pueden ser cualquier cosa entre un prototipo electrónico de placa de pruebas, PCB (A) y un prototipo funcional con una carcasa impresa en 3D. EVT es intrínsecamente iterativa y se pueden realizar varias iteraciones antes de eliminar los defectos de diseño mediante pruebas y análisis funcionales.

EVT
Así es como se ven los prototipos de EVT tempranos típicos: un soporte impreso en 3D y cables agrupados

El objetivo de la EVT es combinar prototipos de subsistemas similares y similares a los de trabajo hechos de componentes previstos para cumplir con los requisitos funcionales en el factor de forma según su PRD (documento de requisitos del producto).

Cantidades de prototipos de EVT: 3-50 unidades, dependiendo de la complejidad del diseño y el costo de la lista de materiales. En promedio, se requieren de 5 a 12 prototipos para completar el EVT.

Tecnologías: impresión 3D, PCB cortadas/fresadas por láser, herramientas blandas (moldes de silicona), kits de desarrollo de hardware profesional (HDK), piezas cortadas/fresadas rápidamente;

Salidas / Entregables: prototipo completamente funcional con componentes clave que funcionan según lo previsto.

Limitaciones: Los prototipos entregados a lo largo de la fase EVT pueden verse algo feos, en bruto y carecer de un hermoso acabado cosmético. El prototipo EVT también puede pasar por alto algunas características mecánicas no clave, como asas, curvas en el recinto, pintura, etc.

Solo después de completar la fase uno de EVT, realmente se impulsa el diseño industrial para desarrollar el aspecto final del producto. Cualquier diseño industrial (ya sea realizado en renders, bocetos o en CAD) anterior a esa etapa no es relevante para los tamaños, el peso y la disposición de los módulos reales. Los prototipos alfa tardíos «similares al trabajo + similares» pretenden realizar el aspecto real del diseño industrial.

La fase de pruebas de validación de diseño (DVT)

sirve para validar el diseño del producto desarrollado y comenzar a implementar DFM (diseño para la capacidad de fabricación) junto con otras reglas DF-X. Después de completar el prototipado de EVT, uno debe fijarse para entregar el diseño de los prototipos y carcasas que se parecen al producto final. Por ejemplo, si está construyendo una estación meteorológica exterior para todo tipo de clima, el prototipo de TVP debe ser a prueba de agua en esta etapa.

Es la última etapa antes de comenzar las ventas y uno debe asegurarse de que el diseño cumpla con los diversos estándares y requisitos de certificación para los mercados objetivo: CE, CE, FCC, UL, RoHS, etc. Y aquí de nuevo, es importante que su producto cumpla con la fuente de corriente eléctrica antes de finalizar el diseño y solicitar la certificación (que es mejor que piense con anticipación al definir su producto en un PRD).

Puede haber varias iteraciones de TVP, y se pueden entregar diferentes prototipos de TVP. Estos van desde prototipos caros hechos a mano con un acabado fino hasta un pequeño lote producido con moldes de acero «rápidos» y/o convencionales en la máquina de moldeo por inyección.

Por lo tanto, los resultados iniciales de la TVP es lo que nos referiríamos como el MVP.

El objetivo de la TVP es fijar el diseño (es decir, dimensiones, peso, materiales, acabado, piezas mecánicas móviles) y racionalizar las características del producto final.

  1. En esta etapa, debe revisar cuidadosamente y considerar las características frente a la calidad/acabado del producto frente a la producción y el costo de la lista de materiales frente al volumen de producción.
  2. Completar las certificaciones necesarias;
  3. Desarrollar y finalizar el embalaje y embalaje
  4. Comenzar a solicitar RFQ a los productores en masa y diseñar planes para la logística.

Cantidades de prototipos de TVP: normalmente 20-200 unidades, dependiendo de la complejidad del diseño y el costo de la lista de materiales. Los prototipos se utilizarán por varias razones: pruebas de laboratorio de certificación, «pruebas beta» con los primeros clientes/probadores.

Tecnologías: Cajas impresas en 3D + recubiertas de gel con el acabado «desde la fábrica», piezas cortadas/fresadas rápidamente; equipos industriales (p. ej. moldeo por inyección) y herramientas de 1a generación (por ejemplo, «moldes rápidos»).

Salidas / Entregables: prototipos funcionales listos para la producción en masa con lista de materiales y un paquete de documentación de diseño. Diseño de embalaje y boxeo completado. Rendimiento estimado de producción en masa

Limitaciones: Los prototipos y la documentación de la TVP son casi definitivos y se pueden cambiar ligeramente en el desarrollo. Algunas piezas mecánicas y componentes electrónicos pueden no ser finales debido a razones económicas (por ejemplo, es más barato fresar CNC algunas piezas metálicas en lugar de usar fundición de tinte).

Si planeas cualquier campaña de crowdfunding, como Kickstarter o IndieGoGo, no arriesgues tu reputación mostrando el prototipo POC o EVT temprano a los patrocinadores. La fase de EVT puede ser larga y requerir una gran cantidad de R&D. Por lo tanto, es importante que presente su prototipo de MVP / TVP que ha sido diseñado y probado con los usuarios. Con el crowdfunding exitoso, puede financiar sus ajustes finales de diseño e ingresar fácil y rápidamente a la producción PVT y piloto

POC y EVT
Un prototipo de molde de aluminio rápido y un ejemplo de herramientas. Estos «moldes rápidos» pueden beneficiar realmente las pruebas de validación de diseño en proyectos en los que la impresión 3D y los moldes de silicona no ofrecen las tolerancias requeridas o el acabado requerido para permitir la validación adecuada del sistema/producto.

El PVT o las Pruebas de Validación de Producción.

es el último paso antes de comenzar oficialmente la producción en masa. Por lo general, el 5-10% de la producción se entrega en el PVT, con el objetivo de estabilizar la calidad del producto manufacturable.

Aunque el PVT no es la etapa más cara, los resultados pueden tener un impacto crucial en la calidad y el costo de la producción en volumen. Solo se permiten cambios menores en la TVP. Cualquier cambio significativo en el diseño hace que el proyecto vuelva a la TVP.

Los prototipos lanzados en esta fase también se llaman» Betas «y las muestras adquiridas del productor en masa se conocen como»muestras de goldens».

El DF-X se somete a algunas correcciones que resultan en el desarrollo de moldes y herramientas. Se diseñan bancos de pruebas para pruebas de PCBA. Todos los componentes, materiales, embalajes y logística están planificados en esta etapa.

Objetivos PVT:

  1. Verificar los rendimientos de producción en masa;
  2. Finalizar DF-X con la ayuda de CM con el objetivo de minimizar el desperdicio y hacer que el ensamblaje sea más eficiente;
  3. Realizar la primera ejecución de producción piloto y garantizar que la calidad del producto cumpla con sus expectativas;
  4. Eliminar los últimos defectos de diseño durante la ejecución de producción piloto;

Las cantidades de prototipos de PVT suelen oscilar entre 50 y 500 para verificar los rendimientos de producción en masa y proporcionar muestras de productos.

Tecnologías: Tecnologías industriales adecuadas únicamente para la producción en serie;

Productos finales: Producto final producido en una cantidad limitada mediante el uso de herramientas para la producción en masa. Los diseños y componentes electrónicos se revisan utilizando plantillas de PCB para soldar componentes. El DFM mecánico se finaliza y las piezas de plástico se fabrican utilizando moldes de 2a generación.

Duración: 3-6 meses en general.

Limitaciones: El tiempo requerido para diseñar y producir herramientas personalizadas generalmente es largo.

EVT PVT PVT
Un buen ejemplo del ciclo de vida del diseño de la carcasa EVT – DVT – PVT. Una foto tomada de este estudio de casohttps://encata.net/industries-case/ip-66-enclosure

Producción en serie (MP)

o MP1 para el primer volumen en las líneas de fabricación / montaje. Esto significa que ha realizado su pedido de compra (PO) y acordado las cantidades de producción con el CM

MP1 generalmente se inicia a partir de 1000-2000 unidades que se someten a pruebas de calidad y funcionalidad. Esto se garantiza a través de medidas de control de calidad (QC) y QA (garantía de calidad).

poc evt dvt pvt
diseño de PCB IOT de hardware POC-EVT-DVT-PVT-EnCata

Ahora se queda con las «cosas simples» que son ventas, atención al cliente y servicio, lidiando con devoluciones y defectos de productos y pensando en la próxima versión del producto.

Y no se olvide del final del ciclo de vida (EOL), que implica seguir varios procedimientos de eliminación y protocolos de gestión de residuos, mientras piensa en reemplazar su producto antiguo por un nuevo SKU.