Le matériel est dur…mais pas impossible.

Le processus de développement de produits matériels et IoT est long et coûteux, présentant des défis et des pièges pour les néophytes et ceux qui sous-estiment les risques associés et la mise en scène du projet. Dans cet article, nous décomposons l’aide pour décomposer la conception de produits et le développement de l’ingénierie en phases et étapes que toute maison de conception professionnelle ou toute société de développement de nouveaux produits ou ingénieurs utilisent.

En un mot, le cycle de vie du développement de nouveaux produits est divisé en 3 phases principales:

  1. Idée, Définition de produit, Faisabilité, Conceptualisation
  2. Développement et Prototypage
  3. Production en volume

Il existe toute une gamme d’acronymes pour différents types de prototypes matériels entre le Concept et la Production en série (MP). Dans la phase de développement et de prototypage, il y a différents prototypes en cours de fabrication et ils servent tous des objectifs très différents.

 Cycle De Vie Du Développement du Produit

Que vous construisiez un haut-parleur IoT intelligent, un robot, un vélo électrique ou un appareil électroménager de cuisine grand public, vous devrez progresser via ces phases et atteindre les jalons POC-EVT-DVT-PVT dans votre entreprise, sinon apprendre les pierres angulaires du processus de conception vous coûterait beaucoup plus de temps et d’argent et dépasserait le budget estimé. Vous trouverez ci-dessous un plan « mode d’emploi » applicable à tout projet de développement et de fabrication de produits.

Démonstrateurs et maquettes.

Bien que la première phase du développement du concept et de la définition du produit soit très importante, elle ne dépend pas beaucoup de l’ingénierie. Lors de cette première étape, la fabrication de divers démonstrateurs et maquettes similaires à partir de matériaux disponibles tels que le papier, l’argile, la pâte à modeler, le bois à l’aide de colle et de scotch est très bénéfique pour canaliser le plus tôt possible la réflexion centrée sur le consommateur. Les concepteurs industriels peuvent mettre en pratique leur créativité et livrer divers croquis et rendus qui sont loin de l’apparence finale du prototype, mais c’est tout pour aider à réfléchir et encadrer le développement du design à venir.

 Demonstrators andMockups
Encore un autre rendu d’un produit de consommation qui doit progresser à travers diverses étapes de conception et de développement étendues

Preuve de concepts (POCs).

À proprement parler, toute ingénierie produit part d’un prototype POC (proof-of-concept). Le but du POC est de prouver le concept fondamental derrière le produit au coût le plus bas possible. C’est pourquoi le prototypage POC bénéficie fortement des kits de développement disponibles sur le marché tels que Arduino et Raspberry Pi ou des kits de développement matériel / logiciel (HDK / SDK). Dans les projets de technologie profonde / dure axés sur la commercialisation d’une technologie scientifique, le terme POT (preuve de technologie) est généralement utilisé.

 Preuve de concepts
Carte de développement matériel (HDK) STM32 Nucleo – une plate-forme de développement ouverte de ST microelectronics – idéale pour le prototypage POC et les tests de validation d’ingénierie (EVT )

Il faut différencier POC et MVP (produit minimum viable) qui sont très souvent confondus dans le développement matériel. La fonctionnalité POC est limitée et n’est PAS identique au produit final, tandis que le MVP matériel est un prototype qui peut être présenté / vendu à de vrais clients pour recueillir de précieux commentaires sur le produit.

Développement et prototypage.

Les acronymes EVT–DVT–PVT représentent les différentes étapes de l’ingénierie et de l’industrialisation des produits. Ces phases de développement de prototypes existent pour minimiser les risques, les défauts, les erreurs, les bugs et les défauts de conception avant d’entrer dans la production de masse. Il est extrêmement important d’identifier et de faire face à ces risques pendant la phase de conception technique, sinon la production et la vente de 1000 produits défectueux vous coûteraient beaucoup plus cher en argent et en réputation.

Le tableau ci-dessous combine les terminologies les plus courantes utilisées pour le cycle de vie du développement de produits:

Terminologie de l’ingénierie Terminologie commune utilisée pour le prototypage Terminologie du Niveau de préparation technologique (TRL) Explication
Développement de concepts: Idée, Définition du produit, Faisabilité, Conceptualisation Maquettes conceptuelles (prototypes semblables) TRL-1 Idée
La technologie TRL-2 existe sur un banc de laboratoire et/ou un concept bien décrit développé
Prototype de Preuve de concept POC Prototype de Preuve de Concept TRL-3 Premier POC ou POT (Prototype de Preuve de technologie)
TRL-4 POC/POT validé
Essais de Validation d’ingénierie EVT Prototypes de travail TRL-5 Prototypes testés et validés en environnement de développement
Prototypes d’ingénierie ressemblant à des travaux et ressemblant. Prototype Alpha TRL-6 proche de l’aspect final. Tests guidés avec les utilisateurs
TVP MVP: Prototype prêt à l’emploi et à l’apparence (prototypes alpha tardifs) TRL-7 MVP pour les tests utilisateur sans surveillance
Test de validation de la production PVT Le prototype bêta ou le MVP bêta Peut être produit par lots TRL-8 Les prototypes bêta produits par lots. Encore cher par coût de production unitaire
MP1 Production en volume TRL-9 Coût de production unitaire ciblé. Ventes

La phase EVT (engineering validation testing)

succède au premier prototype POC. La phase EVT prend une série (voire un petit lot) de prototypes de divers modules (ou sous-systèmes). EVT consiste à développer des prototypes de type work-like et (parfois) work-like + sosie pour valider, tester et affiner les fonctionnalités de base du produit. Ces prototypes peuvent être n’importe quoi entre un prototype électronique de planche à pain, un PCB (A) et un prototype fonctionnel avec un boîtier imprimé en 3D. L’EVT est intrinsèquement itérative et plusieurs itérations peuvent être effectuées avant d’éliminer les défauts de conception par le biais de tests et d’analyses fonctionnels.

EVT
Voici à quoi ressemblent les premiers prototypes d’EVT typiques: un support imprimé en 3D et des fils groupés

L’objectif de l’EVT est de combiner des prototypes de sous-systèmes similaires et de sous-systèmes de travail constitués de composants prévus pour répondre aux exigences fonctionnelles dans le facteur de forme selon votre PRD (document d’exigences du produit).

Quantités de prototypes EVT: 3 à 50 unités, selon la complexité de la conception et le coût de la nomenclature. En moyenne, 5 à 12 prototypes sont nécessaires pour compléter l’EVT.

Technologies: impression 3D, PCB découpés / fraisés au laser, outillage souple (moules en silicium), kits de développement de matériel professionnel (HDK), pièces découpées / fraisées rapidement;

Sorties / Livrables: prototype entièrement fonctionnel avec des composants clés fonctionnant comme prévu.

Limites: Les prototypes livrés tout au long de la phase EVT peuvent sembler un peu moches, crus et manquer de belle finition cosmétique. Le prototype EVT peut également manquer certaines caractéristiques mécaniques non clés telles que les poignées, les courbes dans l’enceinte, la peinture, etc.

Ce n’est qu’après avoir terminé la phase EVT que l’on poursuit réellement le design industriel pour développer l’apparence finale du produit. Tout dessin industriel (qu’il soit réalisé sous forme de rendus, de croquis ou en CAO) avant cette étape n’est pas pertinent pour les tailles, le poids et la disposition des modules réels. Les derniers prototypes alpha « work-like + sosie » ont l’intention de réaliser le véritable look du design industriel.

La phase de test de validation de la conception (DVT)

sert à valider la conception du produit développé et à commencer à implémenter DFM (design for manufacturability) avec d’autres règles DF-X. Après avoir terminé le prototypage EVT, il faut s’attacher à livrer la conception des prototypes et des boîtiers qui ressemblent au produit final. Par exemple, si vous construisez une station météo extérieure tous temps, le prototype de TVP devrait être étanche à l’eau à ce stade.

C’est la dernière étape avant de commencer les ventes et il faut s’assurer que la conception est conforme aux différentes normes et exigences de certification pour les marchés ciblés: CE, CE, FCC, UL, RoHS, etc. Et là encore, il est important que votre produit soit conforme à la source de courant électrique avant de finaliser la conception et de demander la certification (ce que vous feriez mieux de penser à l’avance lors de la définition de votre produit dans un PRD).

Il peut y avoir plusieurs itérations de TVP et différents prototypes de TVP peuvent être livrés. Ceux-ci vont des prototypes coûteux fabriqués à la main avec une finition fine à un petit lot produit avec des moules en acier « rapides » et / ou conventionnels dans la machine de moulage par injection.

Ainsi, les résultats initiaux de la TVP sont ce que nous appellerions le MVP.

L’objectif de la TVP est de fixer la conception (c’est-à-dire les dimensions, le poids, les matériaux, la finition, les pièces mécaniques mobiles) et de rationaliser les caractéristiques du produit final.

  1. À ce stade, vous devez soigneusement réviser et considérer les caractéristiques par rapport à la qualité / finition du produit par rapport à la production et le coût de nomenclature par rapport au volume de production.
  2. Compléter les certifications nécessaires;
  3. Développer et finaliser la boxe et l’emballage
  4. Commencer à demander des appels d’offres aux producteurs de masse et concevoir des plans de logistique.

Quantités de prototypes de TVP: généralement de 20 à 200 unités, selon la complexité de la conception et le coût de la nomenclature. Les prototypes seront utilisés pour diverses raisons : tests en laboratoire de certification, « tests bêta » avec les premiers clients / testeurs.

Technologies : impression 3D + boîtiers enduits de gel avec la finition « à partir de l’usine », pièces découpées/fraisées rapidement; équipements industriels (p.ex. moulage par injection) et outillage de 1ère génération (par ex.  » moules rapides « ).

Sorties / livrables: un prototype fonctionnel prêt pour la production en série avec nomenclature et un package de documentation de conception. Conception de la boxe et de l’emballage terminée. Estimation des rendements de production en série

Limites: Les prototypes et la documentation de la TVP sont presque définitifs et peuvent être légèrement modifiés au cours du développement. Certaines pièces mécaniques et composants électroniques peuvent ne pas être définitives pour des raisons économiques (par exemple, il est moins coûteux de fraiser CNC certaines pièces métalliques au lieu d’utiliser la coulée de colorant).

Si vous planifiez une campagne de crowdfunding telle que Kickstarter ou IndieGoGo, ne risquez pas votre réputation en montrant le prototype POC ou early EVT aux bailleurs de fonds. La phase EVT peut être longue et nécessiter beaucoup de R & D. Il est donc important que vous présentiez votre prototype MVP / DVT qui a été conçu et testé avec les utilisateurs. Grâce à un crowdfunding réussi, vous pouvez financer vos ajustements de conception finaux et entrer facilement et rapidement dans la production PVT et pilote

 POC et EVT
Un prototype de moule en aluminium rapide et un exemple d’outillage. De tels « moules rapides » peuvent vraiment bénéficier des tests de validation de la conception dans des projets où l’impression 3D et les moules en silicium ne fournissent pas les tolérances requises ni la finition requise pour permettre une validation adéquate du système / produit.

Le PVT ou Test de Validation de la Production.

est la dernière étape avant de commencer officiellement la production en série. Habituellement, 5 à 10% du cycle de production est livré dans le PVT, dans le but de stabiliser la qualité du produit manufacturable.

Bien que le PVT ne soit pas l’étape la plus coûteuse, les résultats peuvent avoir un impact crucial sur la qualité et le coût de la production en volume. Seuls des changements mineurs sont autorisés au PVT. Tout changement significatif dans la conception ramène le projet à la TVP.

Les prototypes sortis à cette phase sont également appelés « Bêtas » et les échantillons acquis auprès du producteur de masse sont appelés « échantillons goldens ».

Le DF-X subit quelques corrections qui entraînent le développement du moule et de l’outillage. Des bancs d’essai pour les tests PCBA sont conçus. Tous les composants, matériaux, emballages et logistiques sont prévus à ce stade.

Objectifs PVT:

  1. Vérifier les rendements de production en série;
  2. Finaliser le DF-X à l’aide de CM visant à minimiser les déchets et à rendre l’assemblage plus efficace;
  3. Effectuer le premier cycle de production pilote et s’assurer que la qualité du produit est conforme à vos attentes;
  4. Éliminer les derniers défauts de conception pendant le cycle de production pilote;

Les quantités de prototypes PVT varient généralement entre 50 et 500 afin de vérifier les rendements de production en série et de fournir des échantillons de produits.

Technologies: Technologies industrielles adaptées à la production en volume uniquement;

Produits/livrables: Produit final produit en quantité limitée en utilisant les outils pour la production en série. Les dispositions et les composants électroniques sont revisités à l’aide de pochoirs de PCB pour les composants à souder. Le DFM mécanique est finalisé et les pièces en plastique sont fabriquées à l’aide de moules de 2ème génération.

Durée: 3-6 mois en général.

Limites: Le temps requis pour concevoir et produire des outils personnalisés est généralement long.

 EVT PVT PVT
Un bon exemple du cycle de vie de la conception du boîtier EVT-DVT-PVT. Une photo tirée de cette étude de cas https://encata.net/industries-case/ip-66-enclosure

Production en série (MP)

ou MP1 pour le premier volume sur les chaînes de fabrication/d’assemblage. Cela signifie que vous avez passé votre bon de commande et convenu des quantités de production avec le CM

MP1 est généralement démarré à partir de 1000-2000 unités qui subissent des tests de qualité et de fonctionnalité. Ceci est assuré par des mesures de contrôle de la qualité (QC) et d’assurance de la qualité (QA).

 poc evt dvt pvt
conception matérielle de circuits imprimés IOT POC-EVT-DVT-PVT-EnCata

Maintenant, il vous reste les « choses simples » qui sont les ventes, le support client et le service, le traitement des retours et des défauts des produits et la réflexion sur la prochaine version du produit.

Et n’oubliez pas la fin de cycle de vie (EOL) qui implique de suivre différentes procédures d’élimination et protocoles de gestion des déchets tout en pensant remplacer votre ancien produit par un nouveau SKU !