Un nuevo producto de consumo pasará por muchas iteraciones de prototipos antes de estar listo para su fabricación en masa. En este artículo le enseñaré exactamente lo que debería aprender con cada una de las versiones del prototipo. Cada etapa de la introducción de su producto electrónico en el mercado tendrá unos requisitos de prototipo diferentes. Por desgracia, ningún prototipo es suficiente para llevar un producto comercial hasta el mercado. Por muy avanzado que sea el diseño asistido por ordenador, su nuevo producto necesitará múltiples iteraciones de prototipos antes de estar listo para la fabricación en masa.
La creación de prototipos de su producto consiste en aprender. Cada vez que cree una versión del prototipo aprenderá, o al menos debería hacerlo, algo nuevo. Empiece siempre con la forma más sencilla y barata de crear un prototipo de su producto. Luego, con cada iteración del prototipo debería progresar más y más cerca de un prototipo de calidad de producción. Durante las primeras fases de creación de prototipos, lo mejor será separar su producto en diferentes tipos de prototipos, cada uno con su propio objetivo.
Prototipo de prueba de concepto (POC)
Un prototipo de prueba de concepto (POC) es, como su nombre indica, un prototipo en fase inicial para probar el concepto básico del producto. Un prototipo POC rara vez funciona exactamente como el producto final, y nunca se parecerá al producto final. Sólo tiene un objetivo: probar el concepto fundamental del producto al menor coste posible.
Para la mayoría de los productos de hardware electrónico, un prototipo POC se construirá en un kit de desarrollo electrónico como un Arduino o una Raspberry Pi. La mayoría de los productos electrónicos requieren un microcontrolador o un microprocesador. La serie de kits de desarrollo Arduino se basa en microcontroladores, y la Raspberry Pi y el BeagleBone se basan en microprocesadores. Un prototipo de prueba de concepto suele utilizarse únicamente para determinar la viabilidad de una nueva idea de producto; rara vez lo verán los clientes. Crear uno tiene más sentido si tiene dudas fundamentales sobre si su producto puede realmente resolver el problema previsto.
Si existen múltiples formas de resolver un problema previsto, pero no está seguro de cuál es la mejor solución, este prototipo puede proporcionarle una gran cantidad de información valiosa. Las cuestiones fundamentales, como la opción de solución básica, se determinan mucho mejor con un prototipo POC que con una PCB personalizada. Si tiene conocimientos técnicos, puede crear su propio prototipo utilizando un Arduino o una Raspberry Pi. Si no tiene los conocimientos necesarios para crear su propio prototipo POC, y/o no tiene grandes dudas sobre la viabilidad de su solución, probablemente sea mejor saltarse por completo el prototipo POC.
La mayoría de las grandes empresas tecnológicas pasan por alto la fase de POC, principalmente porque es un camino más rápido hacia el mercado empezar con una versión de producción. Las grandes empresas también tienen mucho más dinero, por lo que pueden tomar costosos atajos que la startup media no puede permitirse.
Algunos ingenieros de diseño también se burlan del concepto de un prototipo POC porque saben que rara vez son similares a la versión final de producción. Sin embargo, si tiene dudas o preocupaciones fundamentales sobre su solución y cuenta con un presupuesto limitado, la creación de un prototipo POC es un tiempo bien empleado. El inconveniente es que aumenta el tiempo que tarda su producto en llegar al mercado.
Prototipo de apariencia
Una estrategia común es separar la apariencia y la sensación de su producto de la funcionalidad. Estos se denominan prototipos de apariencia y prototipos de funcionamiento.
Un prototipo de apariencia se centra en optimizar el aspecto, el tacto, la forma y la estética del producto. Para este prototipo utilizará técnicas de creación de prototipos como la espuma, la arcilla, la impresión 3D, el mecanizado CNC y, finalmente, el moldeo por inyección.
Al crear un prototipo de un nuevo producto, debe separar la apariencia del producto de la función del mismo.
Aunque parezcan demasiado sencillas, no descuide técnicas antiguas como la espuma y la arcilla, que pueden ser muy útiles en las fases iniciales. Ambas “tecnologías” le permiten transformar de forma rápida y barata un concepto en algo que pueda tener en la mano. Utilizar espuma o arcilla puede ser la forma más barata y sencilla de experimentar con el tamaño, la forma y el tacto de su producto.
Con mi propio producto electrónico, mis primeros prototipos se hicieron con arcilla. Estos modelos de arcilla me proporcionaron información crítica sobre cómo se siente realmente el producto en las manos de un usuario. Empezar con prototipos de arcilla también puede reducir el número de iteraciones de prototipos que necesitará cuando pase a la impresión 3D. Empiece siempre con los métodos más sencillos y baratos de creación de prototipos. Aprenda todo lo que pueda de los prototipos de bajo coste antes de pasar a tecnologías de creación de prototipos más avanzadas.
A medida que vaya ascendiendo en la jerarquía de la tecnología de prototipado, descubrirá que los cambios en el diseño son cada vez más complicados de aplicar. Los prototipos de arcilla son triviales de cambiar, los prototipos impresos en 3D son moderadamente complejos/caros de modificar, y los prototipos moldeados por inyección son los más complejos de actualizar. Así que, por encima de todo, mantenga las cosas sencillas y aprenda lo máximo posible antes de actualizar los prototipos.
- La impresión 3D: La impresión 3D es un proceso de prototipado aditivo que añade material para crear la forma deseada. El término impresión 3D es un término de uso general que en realidad se refiere a varias tecnologías de creación de prototipos. Veamos los tres tipos de impresoras 3D con mayor profundidad:
- Modelado por deposición fundida (FDM): Es el método más asequible de impresión 3D y, por tanto, la tecnología más comúnmente utilizada en las impresoras 3D domésticas. Esta tecnología puede producir prototipos con una cantidad moderada de detalles. Las impresoras FDM funcionan alimentando el plástico a través de una boquilla calentada. El material se funde y se deposita capa a capa, y cada capa se fusiona con la que está debajo. Las impresoras FDM están limitadas en los detalles finos que pueden producir, por lo que una impresora SLA es una mejor opción para prototipos complejos.
- Estereolitografía (SLA): La SLA es un proceso más costoso que se utiliza principalmente en las impresoras 3D domésticas de gama alta y en los talleres de prototipos profesionales. Este tipo de impresora 3D funciona curando la resina con luz. La luz endurece la resina líquida capa a capa en un proceso llamado fotopolimerización. La SLA es un método muy preciso de impresión 3D que puede fabricar piezas con muchos detalles finos. Las impresoras SLA también producen un prototipo mucho más resistente porque las capas están unidas químicamente. Los prototipos producidos por una impresora SLA suelen tener un aspecto más profesional que los creados con impresoras FDM. Una buena estrategia para muchos empresarios es comprar una impresora 3D de bajo coste basada en FDM para producir los primeros prototipos. Una vez que el aspecto y la resistencia del prototipo impreso en 3D sean más importantes, podrá pasar a utilizar un taller de prototipos profesional con impresoras SLA. Esta estrategia le permitirá ahorrar dinero y acelerar el desarrollo de muchos productos.
- Sinterización láser selectiva (SLS): Un sistema SLS utiliza un láser para sinterizar (es decir, endurecer) los materiales en polvo capa a capa para formar la forma deseada. Una gran ventaja del SLS es que puede utilizarse para crear prototipos de metal. Tenga en cuenta que el SLS es demasiado complejo para las impresoras 3D domésticas, por lo que sólo es una opción cuando se recurre a una empresa de prototipos profesional.
- Mecanizado CNC (control numérico por ordenador): Lo contrario de un proceso aditivo es un proceso sustractivo. Como su nombre indica, un proceso sustractivo elimina material para formar la forma deseada. El proceso comienza con un bloque sólido de plástico o metal. A continuación se talla el material para formar el prototipo final esculpido. Una de las principales ventajas del mecanizado CNC en comparación con la impresión 3D es que tiene mucha más flexibilidad en cuanto al material utilizado. No sólo puede crear prototipos de plástico o metal, sino que puede seleccionar resinas plásticas muy específicas que coincidan exactamente con el material que utilizará para la producción en serie.
Prototipo similar al de obra
Un prototipo similar al de obra se centra en la funcionalidad de su producto, lo que para la mayoría de los productos electrónicos significa la electrónica interna. Un prototipo POC puede considerarse una versión temprana de un prototipo de tipo industrial, pero ahora es el momento de saltar de un prototipo POC a un prototipo de tipo industrial a nivel de producción. Esto significa abandonar el uso de kits de desarrollo como Arduino. Ahora tiene que desarrollar una placa de circuito impreso (PCB) personalizada para alojar y conectar todos los componentes electrónicos discretos de su producto.
El desarrollo de una placa de circuito impreso a medida para su prototipo de trabajo requiere una importante experiencia en diseño de ingeniería. Si tiene la suerte de contar con estos conocimientos (nota al margen de SparkFun: ¡o quiere aprovechar ALC!), se ahorrará miles de dólares en gastos de desarrollo. Los ingenieros son caros y el desarrollo de esta placa de circuito impreso personalizada suele ser el coste de desarrollo más caro al que se enfrentará.
Creación de prototipos de electrónicos:
La forma de empezar a crear prototipos de la electrónica de su producto depende de las preguntas a las que intente dar respuesta. Cada vez que cree un nuevo prototipo debe tener bien definidas las preguntas a las que debe responder el prototipo. Si tiene grandes preguntas sobre si su producto funcionará, o si resolverá el problema previsto, entonces ya debería haber empezado con un prototipo de tipo laboral basado en un kit de desarrollo como un Arduino o una Raspberry Pi.
Si no hay grandes dudas sobre la funcionalidad de su producto, entonces probablemente debería pasar directamente al diseño de una placa de circuito impreso personalizada. La mayoría de las grandes empresas que desarrollan productos comienzan con una PCB personalizada. Esta es la ruta más rápida hacia el mercado, aunque probablemente no sea la más barata. La creación de un prototipo de placa de circuito impreso a medida consta de dos pasos: producir la placa de circuito impreso desnuda y soldar todos los componentes. Hablaremos de cada proceso por separado.
Aunque existen técnicas para producir sus propias placas de circuito impreso en casa, están limitadas a diseños sencillos. Así que lo más probable es que tenga que subcontratar la producción de su prototipo de PCB. Suponiendo que no fabrique y monte sus propias placas de circuito impreso, utilizará el mismo proceso para producir sus placas prototipo, así como para fabricar sus placas en gran volumen.
La producción de placas de circuito impreso se resume en los siguientes pasos:
- El proceso comienza con un núcleo laminado hecho de vidrio epoxi tejido. Éste sirve de aislante entre las capas conductoras y proporciona resistencia física a la placa.
- Las placas de una sola cara constan de un núcleo laminado con una capa de cobre en una de sus caras. Las placas de doble cara consisten en un núcleo laminado con capas de cobre en cada lado. Las placas de múltiples capas consisten en un apilamiento de capas de cobre alternadas con capas de núcleo laminado. La mayoría de las placas utilizan dos, cuatro, seis o quizás ocho capas conductoras.
- El diseño de cada capa de cobre conductora se traza con láser sobre una película y se aplica una “resistencia” química sensible a la luz. A continuación, las capas de cobre se exponen a una luz ultravioleta de alta intensidad que brilla a través de la película. Esta luz endurece la capa de resistencia sobre las trazas y almohadillas de cobre.
- A continuación, las capas de cobre se procesan a través de una solución química que elimina cualquier parte de la capa de resistencia que no haya sido endurecida por la luz ultravioleta. Esto deja el material de resistencia endurecido sólo sobre las trazas y almohadillas de cobre deseadas. A continuación, se utiliza otro producto químico para eliminar cualquier cobre expuesto que no esté cubierto por la laca. A continuación se retira la capa de resina endurecida, dejando sólo el cobre deseado para formar las trazas y almohadillas.
- A continuación se utiliza un proceso de laminación para unir todas las capas y formar el PCB apilado.
- Se perforan agujeros a través del apilado de PCB para formar vías que se utilizan para conectar las señales en las diferentes capas. También se taladran los agujeros para los componentes pasantes. Sin embargo, generalmente es mejor utilizar sólo componentes de tecnología de montaje en superficie (SMT) para minimizar los costes de soldadura.
- A continuación, se deposita cobre en todas las superficies metálicas expuestas, incluidas las paredes interiores de cualquier orificio. Se aplica cobre adicional en todas las superficies de cobre expuestas.
- Ahora que la placa de circuito impreso desnuda está completa, el siguiente paso es colocar y soldar todos los componentes electrónicos. Un equipo robótico llamado máquina pick-and-place utiliza un sistema de vacío para recoger los componentes y colocarlos con precisión en la PCB. La pasta de soldar (una mezcla pegajosa de soldadura y fundente) se utiliza para mantener temporalmente las piezas en su sitio.
- Finalmente, las placas se pasan por un horno de reflujo para fundir la pasta de soldadura y formar una conexión eléctrica permanente entre el componente y las almohadillas de la PCB.
Prototipo de ingeniería
Un prototipo de ingeniería (también llamado a veces prototipo de apariencia) es la primera vez que la apariencia y la funcionalidad se unen en un solo prototipo. Una vez que tenga un prototipo de ingeniería, tendrá por fin algo de suficiente calidad para mostrar a los clientes e inversores.
Es entonces cuando resulta un poco más práctico buscar inversores externos. En esta fase, ya ha superado la mayor parte del riesgo de ingeniería y fabricación. Obviamente, a los inversores les encanta esta reducción del riesgo.
Para mi propio producto de hardware financié yo mismo el desarrollo del producto hasta esta etapa. Utilicé mi prototipo para conseguir que un gran minorista nacional se interesara por mi producto. A partir de ahí, aproveché ese éxito para encontrar un fabricante dispuesto a financiar las etapas restantes del prototipo.
Un prototipo de ingeniería está cerca del prototipo de producción, pero aún no ha sido probado ni preparado para la producción en masa.
Prototipo de preproducción
Se trata de un prototipo de aspecto similar al de trabajo que ha sido optimizado para su fabricación. Es muy parecido al producto final que verán sus clientes. En la mayoría de los casos, también debe incluir el envase de venta al público si el producto se venderá a través de puntos de venta.
Aunque el prototipo de preproducción puede tener un aspecto y un funcionamiento muy similar al prototipo de trabajo, la diferencia clave es la fabricabilidad. Durante el desarrollo del producto, muchos empresarios subestiman el trabajo necesario para pasar de un prototipo a un producto que pueda fabricarse de forma eficiente. Fabricar unos pocos prototipos es completamente diferente a fabricar millones de unidades. En la mayoría de los casos, se requiere un considerable esfuerzo de diseño adicional para preparar el diseño para la fabricación en masa.
Por ejemplo, la impresión en 3D o el mecanizado CNC suelen utilizarse cuando se crea un prototipo de la carcasa del producto. Para la fabricación en masa, el moldeo por inyección a alta presión será la tecnología utilizada para producir la carcasa.
La impresión 3D y el mecanizado CNC son tecnologías muy permisivas y se puede crear un prototipo de casi cualquier forma de plástico que se pueda imaginar. Este no es el caso del moldeo por inyección. El moldeo por inyección tiene unos requisitos de producción muy estrictos. Después de finalizar sus prototipos impresos en 3D, será necesario mejorar el diseño para el moldeo por inyección.
- Moldeo por inyección: La impresión 3D es fantástica para producir decenas de piezas. Sin embargo, no es práctica para producir cientos o miles de piezas. En última instancia, el moldeo por inyección será necesario para fabricar la carcasa de su producto en cantidades mayores. Como es lógico, el proceso de moldeo por inyección comienza con la creación de un molde. Los moldes se mecanizan a partir de metal, y la dureza del metal determina la vida útil y el coste del molde.
Para la creación de prototipos, o la producción temprana, los moldes de aluminio suelen ser la mejor opción. Los moldes de aluminio suelen costar un par de miles de dólares cada uno y pueden producir hasta unas 10.000 piezas. El molde forma dos mitades que se mantienen unidas mientras el plástico fundido y caliente se inyecta a alta presión en el molde. La alta presión es necesaria para producir detalles finos en la pieza. Una vez que el plástico se enfría y se solidifica, se abre el molde y se extrae la pieza.
La mayoría de los diseños requerirán importantes modificaciones para prepararlos para el moldeo por inyección. Asegúrese de que quien diseñe su envolvente entienda el moldeo por inyección, de lo contrario es probable que acabe con un producto que pueda ser prototipado pero no fabricado en gran volumen. Llegar al punto de tener un prototipo totalmente funcional, que funcione y se vea bien, es un gran logro, ¡así que dése una palmadita en la espalda cuando logre este hito!
Pero no se emocione todavía… la transición del prototipo a la fabricación en masa es uno de los pasos más subestimados para llevar un nuevo producto de hardware al mercado.
Prueba de validación de ingeniería (EVT)
Una vez que tenga un prototipo de ingeniería terminado, es el momento de empezar a probarlo para validar que funciona exactamente como se ha especificado.
La primera etapa de estas pruebas se denomina Prueba de validación de ingeniería (EVT). Esta etapa de pruebas se centra en la electrónica. Normalmente se probarán entre 10 y 50 unidades durante la EVT. La EVT incluirá la comprobación de la funcionalidad básica, pero también la realización de varias pruebas de estrés para garantizar que no haya problemas ocultos. Esto incluye pruebas de potencia, térmicas y de EMI. El objetivo de la EVT es validar que su prototipo cumple las especificaciones funcionales, de rendimiento y de fiabilidad.
Prueba de validación del diseño (DVT)
La prueba de validación del diseño (DVT) es una de las etapas más complejas. Su objetivo es garantizar que el producto cumple las especificaciones cosméticas y medioambientales necesarias. Se necesitará un número significativamente mayor de unidades que para la etapa EVT, normalmente entre 50 y 200 unidades. Estas unidades se someterán a pruebas muy agresivas que incluyen pruebas de caída, fuego y resistencia al agua. Validar que el producto es lo suficientemente duradero como para soportar el uso diario es uno de los principales objetivos de las pruebas de validación del diseño. Esta es también comúnmente la etapa en la que se obtienen las certificaciones eléctricas. Esto incluye certificaciones como FCC, CE, UL y RoHS, por nombrar algunas. Debido al coste y al tiempo que se requiere para obtener las certificaciones eléctricas necesarias, el proceso suele retrasarse hasta la etapa de TVP. Esto es para asegurar que no se requieran otros cambios en el diseño después de que comiencen las pruebas de certificación. Por supuesto, si se encuentra algún problema durante el proceso de pruebas de certificación, puede ser necesario realizar modificaciones en el diseño para corregirlo.
Validación y pruebas de producción (PVT)
La etapa de PVT será su primera producción oficial. Establecerá una línea de producción piloto con la prioridad de optimizar su proceso de producción. Aquí se centrará en mejorar su tasa de desechos, el tiempo de ensamblaje y el proceso de control de calidad mediante la optimización de su línea de producción, pero no en realizar más cambios en el diseño del producto (a menos que se descubra un problema grave de diseño). Una pequeña tirada de producción piloto de varios centenares de unidades es típica, y si no se encuentran problemas, ¡éstas pueden ser sus primeras unidades que se pueden vender!
Conclusión
Una de las principales cosas que espero que haya aprendido de este artículo es que la creación de prototipos es un proceso largo que requiere muchas iteraciones. El viaje del prototipo es complejo y no debe subestimarse. No tenga prisa por pasar a tecnologías de creación de prototipos más avanzadas hasta que haya obtenido toda la información que pueda de tecnologías menos complejas y de menor coste. La idea de que simplemente se crea un único prototipo (o dos) y luego se pasa a la producción completa debe considerarse claramente un mito.
