L’hardware è difficile…ma non impossibile.

Il processo di sviluppo dei prodotti hardware e IoT è lungo e costoso, con sfide e insidie per i neofiti e coloro che sottovalutano i rischi associati e la messa in scena del progetto. In questo articolo, scomponiamo l’aiuto per rompere la progettazione del prodotto e lo sviluppo ingegneristico nelle fasi e pietre miliari che qualsiasi casa di progettazione professionale o nuova società di sviluppo del prodotto o ingegneri utilizzano.

In poche parole, il ciclo di vita di sviluppo del nuovo prodotto è diviso in 3 fasi principali:

  1. Idea, Definizione del prodotto, Fattibilità ,concettualizzazione
  2. Sviluppo e prototipazione
  3. Produzione in volume

C’è un’intera gamma di acronimi che rappresentano vari tipi di prototipi hardware tra Concept e Mass Production (MP). Nella fase di sviluppo e prototipazione, vengono realizzati diversi prototipi e tutti hanno scopi molto diversi.

Prodotto Ciclo di Vita di Sviluppo

Se si sta creando una smart IoT altoparlante, un robot, una bici elettrica o un consumatore, apparecchio di cucina dispositivo, sarà necessario progresso attraverso queste fasi e ottenere POC – EVT – DVT – PVT pietre miliari nella vostra impresa, altrimenti apprendimento capisaldi del processo di progettazione avrebbe un costo molto più tempo e denaro e di superamento del preventivo di spesa. Di seguito è riportato un piano “how to” applicabile a qualsiasi progetto di sviluppo e produzione di prodotti.

Dimostratori e Mockup.

Mentre la prima fase dello sviluppo del concetto e della definizione del prodotto è molto importante, non dipende molto dall’ingegneria. In questa prima fase, realizzare vari dimostratori e modelli simili fatti di materiali disponibili come carta, argilla, plastilina, legno con l’aiuto di colla e nastro adesivo è molto utile per incanalare il pensiero incentrato sul consumatore il prima possibile. I progettisti industriali possono praticare la loro creatività e fornire vari schizzi e rendering che sono lontani dall’aspetto finale del prototipo, ma questo è tutto per aiutare a pensare e inquadrare lo sviluppo del design imminente.

Dimostratori andMockups
Ancora un altro rendering di un prodotto di consumo che deve progredire attraverso varie pietre miliari di progettazione e sviluppo

Prova di concetti (POC).

A rigor di termini, qualsiasi ingegneria del prodotto parte da un prototipo POC (proof-of-concept). Lo scopo del POC è quello di dimostrare il concetto fondamentale alla base del prodotto al minor costo possibile. Questo è il motivo per cui POC prototyping beneficia molto dei kit di sviluppo disponibili sul mercato come Arduino e Raspberry Pi o kit di sviluppo hardware/software (HDK/SDK). Nei progetti deep / hard tech che si concentrano sulla commercializzazione di una tecnologia scientifica, viene tipicamente utilizzato il termine POT (proof-of-technology).

Proof of concept
Hardware Development board (HDK) STM32 Nucleo – una piattaforma di sviluppo aperta da ST microelectronics – ideale per il POC di prototipazione e di ingegneria test di convalida (EVT )

si dovrebbe differenziare POC e MVP (minimum viable product), che sono molto spesso confusi nello sviluppo hardware. La funzionalità POC è limitata e NON è identica al prodotto finale, mentre hardware MVP è un prototipo che può essere presentato/venduto a clienti reali per raccogliere preziosi feedback sul prodotto.

Sviluppo e prototipazione.

Gli acronimi EVT – DVT – PVT rappresentano le diverse fasi dell’ingegneria e dell’industrializzazione del prodotto. Queste fasi di sviluppo del prototipo esistono per minimizzare rischi, difetti, errori, bug e difetti di progettazione prima di entrare nella produzione di massa. È estremamente importante identificare e far fronte a questi rischi durante la fase di progettazione ingegneristica, altrimenti produrre e vendere 1000 di prodotti difettosi ti costerebbe molto di più in denaro e reputazione.

La tabella che segue presenta il più comune terminologie utilizzati per il ciclo di sviluppo del prodotto:

Ingegneria Terminologia Terminologia usata per la prototipazione Technology Readiness Level (TRL) terminologia Spiegazione
Concetto di sviluppo: Idea, Definizione di Prodotto, di Fattibilità, di Concettualizzazione Concettuale mock-up (look-alike prototipi) TRL-1 Idea
TRL-2 Tecnologia esiste un lab panchina e/o ben descritto Concetto sviluppato
POC (Proof-of Concept prototipo Proof-of-Concept Prototipo TRL-3 Primo POC o in una PENTOLA (la Prova di Tecnologia prototipo)
TRL-4 convalidato POC/POT
EVT Ingegneria Test di Convalida Lavoro-come prototipi TRL-5 Prototipi testati e validati in ambiente di sviluppo
Lavoro-come + sosia Prototipi di ingegneria. Early Alpha TRL-6 Prototipo vicino al look finale. Test guidati con gli utenti
TVP MVP: Work-like + sosia prototipo pronto (late alpha prototypes) TRL-7 MVP per test utente incustoditi
PVT Production Validation Testing Beta prototype o Beta MVP Possono essere prodotti in lotti TRL-8 Beta prototypes prodotti in lotti. Ancora costoso per unità costo di produzione
MP1 Produzione in volume TRL-9 Costo di produzione unitario mirato. Vendite

La fase EVT (engineering validation testing)

riesce al primo prototipo POC. La fase EVT occupa una serie (o anche un piccolo lotto) prototipi di vari moduli (o sottosistemi). EVT è tutto sullo sviluppo di prototipi simili al lavoro e (a volte) simili al lavoro + simili per convalidare, testare e perfezionare le funzionalità di base del prodotto. Questi prototipi possono essere qualsiasi cosa tra un prototipo di elettronica breadboard, PCB(A) e prototipo funzionale con un involucro stampato in 3D. EVT è intrinsecamente iterativo e diverse iterazioni possono essere fatte prima di eliminare i difetti di progettazione attraverso test e analisi funzionali.

EVT
Questo è il tipico aspetto dei primi prototipi EVT: un supporto stampato in 3D e fili in bundle

L’obiettivo dell’EVT è quello di combinare prototipi di sottosistemi simili a quelli di lavoro realizzati con componenti destinati a soddisfare i requisiti funzionali nel fattore di forma secondo il PRD (product requirements Document).

Quantità prototipo EVT: 3-50 unità, a seconda della complessità del progetto e del costo della distinta base. In media, sono necessari 5-12 prototipi per completare l’EVT.

Tecnologie: stampa 3D, PCB tagliati/fresati al laser, utensili morbidi (stampi in silicone), kit di sviluppo hardware professionale (HDK), parti tagliate/fresate rapidamente;

Uscite / risultati finali: prototipo completamente funzionale con componenti chiave che funzionano come previsto.

Limitazioni: I prototipi consegnati durante la fase EVT possono sembrare un po ‘ brutti, grezzi e mancano di una bella finitura cosmetica. Il prototipo EVT può anche perdere alcune caratteristiche meccaniche non chiave come maniglie, curve nel recinto, verniciatura, ecc.

Solo dopo aver completato la fase EVT si spinge davvero avanti con il design industriale per sviluppare l’aspetto finale del prodotto. Qualsiasi disegno industriale (sia fatto in rendering, schizzi o in CAD) prima di quella fase non è rilevante per le dimensioni effettive, il peso e le disposizioni del modulo. I prototipi tardo alpha “work-like + sosia” intendono realizzare il vero aspetto del design industriale.

La fase DVT (Design Validation Testing)

serve alla necessità di convalidare il design del prodotto sviluppato e iniziare a implementare DFM (design for manufacturability) insieme ad altre regole DF-X. Dopo aver completato la prototipazione EVT, si dovrebbe bloccare per consegnare il design dei prototipi e delle custodie che assomigliano al prodotto finale. Ad esempio, se si sta costruendo una stazione meteo esterna per tutte le stagioni, il prototipo TVP dovrebbe essere impermeabile in questa fase.

È l’ultima fase prima di iniziare le vendite e bisogna assicurarsi che il design sia conforme ai vari standard e requisiti di certificazione per i mercati mirati: CE, CE, FCC, UL, RoHS, ecc. E anche in questo caso, è importante che il prodotto sia conforme alla sorgente di corrente elettrica prima di finalizzare il progetto e richiedere la certificazione (che è meglio pensare in anticipo quando si definisce il prodotto in un PRD).

Ci possono essere diverse iterazioni TVP, e diversi prototipi TVP possono essere consegnati. Si va da costosi prototipi realizzati a mano con una finitura fine a un piccolo lotto prodotto con stampi in acciaio “rapidi” e/o convenzionali nella macchina per lo stampaggio a iniezione.

Quindi, i risultati iniziali della TVP sono ciò a cui ci riferiremmo come MVP.

L’obiettivo della TVP è quello di fissare il design (cioè dimensioni, peso, materiali, finitura, parti meccaniche in movimento) e razionalizzare le caratteristiche del prodotto finale.

  1. In questa fase è necessario rivedere attentamente e considerare le caratteristiche rispetto alla qualità/finitura del prodotto rispetto alla produzione e al costo della distinta base rispetto al volume di produzione.
  2. Completare le certificazioni necessarie;
  3. Sviluppare e finalizzare la boxe e l’imballaggio
  4. Iniziare a richiedere RFQ da produttori di massa e elaborare piani per la logistica.

Quantità prototipo TVP: tipicamente 20-200 unità, a seconda della complessità di progettazione e del costo della distinta base. I prototipi saranno utilizzati per vari motivi: test di laboratorio di certificazione, “beta test” con i primi clienti/tester.

Tecnologie: involucri stampati in 3D + rivestiti in gel con finitura “as from the factory”, pezzi tagliati/fresati rapidamente; attrezzature industriali( es. stampaggio ad iniezione) e utensili di 1a generazione (es.”stampi rapidi”).

Output/ Deliverables: un prototipo funzionale pronto per la produzione di massa con distinta base e un pacchetto di documentazione di progettazione. Boxe e Packaging design completato. Stima dei rendimenti della produzione di massa

Limitazioni: I prototipi e la documentazione TVP sono quasi definitivi e possono essere leggermente modificati ulteriormente in fase di sviluppo. Alcune parti meccaniche e componenti elettronici potrebbero non essere definitive a causa di motivi economici (ad esempio è più economico fresare alcune parti metalliche invece di utilizzare la fusione di coloranti).

Se pianifichi una campagna di crowdfunding come Kickstarter o IndieGoGo, non rischiare la tua reputazione mostrando il prototipo POC o early EVT ai sostenitori. La fase EVT può essere lunga e richiede molto R&D. Quindi è importante presentare il prototipo MVP / TVP che è stato progettato e testato con gli utenti. Con successo crowdfunding, è possibile finanziare le regolazioni di progettazione finale e facilmente e rapidamente entrare nella produzione PVT e pilota

POC e EVT
Un prototipo di stampo rapido in alluminio e un esempio di utensili. Tali “stampi rapidi” possono davvero beneficiare dei test di validazione del progetto in progetti in cui la stampa 3D e gli stampi in silicio non forniscono le tolleranze richieste o la finitura richiesta per consentire un’adeguata validazione del sistema/prodotto.

Il PVT o test di validazione della produzione.

è l’ultimo passo prima di iniziare ufficialmente la produzione di massa. Di solito il 5-10% della produzione viene consegnato nel PVT, con l’obiettivo di stabilizzare la qualità del prodotto fabbricabile.

Sebbene il PVT non sia la fase più costosa, i risultati possono avere un impatto cruciale sulla qualità e sul costo della produzione in volume. Solo piccole modifiche sono consentite al PVT. Qualsiasi cambiamento significativo nel design calci il progetto torna a TVP.

I prototipi rilasciati in questa fase sono anche chiamati “Beta” e campioni acquisiti dal produttore di massa denominato “campioni goldens”.

Il DF-X subisce alcune correzioni che portano allo sviluppo di stampi e utensili. I banchi di prova per le prove di PCBA sono progettati. Tutti i componenti, i materiali, l’imballaggio e la logistica sono pianificati in questa fase.

Obiettivi PVT:

  1. Verificare i rendimenti di produzione di massa;
  2. Finalizzare DF-X con l’aiuto di CM al fine di ridurre al minimo gli sprechi e rendere l’assemblaggio più efficiente;
  3. Effettuare la prima produzione pilota e garantire che la qualità del prodotto aderisca alle vostre aspettative;
  4. Eliminare gli ultimi difetti di progettazione durante la produzione pilota;

Le quantità del prototipo di PVT variano tipicamente fra 50 e 500 per verificare i rendimenti di fabbricazione in serie e per fornire i campioni del prodotto.

Tecnologie: Tecnologie industriali adatte solo alla produzione di volume;

Output / Deliverables: Prodotto finale prodotto in quantità limitata utilizzando gli strumenti per la produzione di massa. I layout e i componenti elettronici vengono rivisitati utilizzando stencil PCB per la saldatura di componenti. La DFM meccanica è finalizzata e le parti in plastica sono prodotte utilizzando stampi di 2a generazione.

Durata: 3-6 mesi in generale.

Limitazioni: Il tempo necessario per progettare e produrre strumenti personalizzati è generalmente lungo.

EVT PVT PVT
Un buon esempio di EVT – DVT – PVT enclosure design ciclo di vita. Una foto tratta da questo caso di studio https://encata.net/industries-case/ip-66-enclosure

Produzione di massa (MP)

o MP1 per il primo volume eseguito sulle linee di produzione / assemblaggio. Ciò significa che hai effettuato il tuo ordine di acquisto (PO) e concordato le quantità di produzione con il CM

MP1 è in genere iniziato da 1000-2000 unità che subiscono test di qualità e funzionalità. Ciò è assicurato tramite misure QC (controllo di qualità) e QA (quality assurance).

poc evt dvt pvt
hardware IOT PCB design POC – EVT – DVT – PVT – EnCata

Ora ti rimangono le “cose semplici” che sono le vendite, l’assistenza clienti e il servizio, che si occupano di resi e difetti dei prodotti e pensano alla prossima versione del prodotto.

E non dimenticare la fine del ciclo di vita (EOL) che comporta seguire varie procedure di smaltimento e protocolli di gestione dei rifiuti mentre pensi di sostituire il tuo vecchio prodotto con un nuovo SKU!