Prototipazione: quali vantaggi per start-up e imprese

Negli ultimi anni, il mercato dell’elettronica si è orientato verso applicazioni con funzionalità sempre più avanzate in dimensioni sempre più ridotte. Il conseguente aumento della densità dei componenti presenti sul PCB, in massima parte realizzati con tecnologia SMD, impone oggi delle sfide ardue al progettista, come il corretto posizionamento e distanziamento tra i componenti, il layout delle tracce e la corretta gestione termica per dissipare il calore in eccesso.

Questi aspetti sono fondamentali per garantire il corretto funzionamento del circuito nelle condizioni operative previste dai requisiti di progetto, garantendo protezione nei confronti di interferenze elettromagnetiche (EMI), accoppiamenti induttivi o capacitivi tra i segnali e surriscaldamento dei componenti.

Il primo passo su cui si articola lo sviluppo di qualunque dispositivo elettronico consiste nella progettazione del PCB, il cuore del circuito da cui dipendono le prestazioni operative della specifica applicazione, la sua affidabilità e la sua durata. Realizzato in piccoli lotti, il circuito stampato viene poi sottoposto alla fase di assemblaggio dei componenti per eseguire i test iniziali e consentire lo sviluppo del firmware, oggi presente sulla maggior parte dei dispositivi elettronici.

In sintesi, questo approccio allo sviluppo di un prodotto elettronico prende il nome di prototipazione.

Cosa significa prototipare?  

Per stare al passo con le esigenze del mercato, che richiede prodotti sempre più evoluti in tempi sempre più ristretti, le aziende devono essere in grado di realizzare in tempi brevi un prototipo per ogni nuovo potenziale prodotto.

Con il termine prototipazione si intende il processo con cui il team di sviluppo, tipicamente il reparto R&D di un’azienda, implementa in formato tangibile le idee di prodotto (i cosiddetti ‘concept’). La prototipazione è quindi il passaggio da un’idea alla sua rappresentazione fisica, che a seconda dei casi può essere un modello di carta, un mock-up, un’applicazione software o altro ancora.

Il prototipo consente ai progettisti di valutare la fattibilità del prodotto, le nuove funzionalità introdotte e le relative prestazioni, nonché possibili migliorie e ottimizzazioni da apportare al progetto prima di arrivare in produzione. Analogamente, il prototipo è utile al potenziale cliente per valutare le funzionalità e gli scenari applicativi di un nuovo prodotto, individuare e risolvere precocemente possibili problematiche di tipo tecnico e agevolare la fase di integrazione con altre parti del sistema.

NPI: come inserire nuovi prodotti sul mercato

Il concetto di prototipazione è strettamente legato a due termini, la cui importanza è oggi sempre più rilevante: NPI e HMLV.

Con NPI, acronimo di New Product Introduction, si intende il processo in grado di trasformare un’idea da un prototipo iniziale funzionante a un prodotto finale, completo e riproducibile su larga scala. Il processo NPI prevede in genere una serie di modifiche e miglioramenti costanti applicati all’idea originale, che proseguono sino a quando le parti interessate non concordano che il design del prodotto sia sufficientemente maturo per creare un prototipo funzionante.

Il termine HMLV, acronimo di High-Mix Low-Volume, indica invece un approccio alla progettazione di nuovi prodotti basato sulla realizzazione di un’ampia varietà di prodotti, ciascuno prodotto in piccole quantità. HMLV si contrappone dunque alla filosofia tradizionale LMHV (Low-Mix High-Volume) che per lungo tempo ha dominato il settore produttivo, ovvero produrre pochi prodotti e solo in quantità elevate per favorire le economie di scala.

Il processo HMLV, comunemente utilizzato per realizzare prodotti unici e più complessi con requisiti di qualità specifici, offre alcuni vantaggi significativi, tra cui: migliore personalizzazione dei prodotti, maggiore reattività alle richieste dei clienti e riduzione dei costi attraverso minori scorte di magazzino.

Come si realizza un prototipo?

Per ogni azienda che voglia introdurre sul mercato un nuovo prodotto, è essenziale comprendere l’importanza del processo di sviluppo di un prototipo.

A titolo informativo, si tenga presente che James Dyson, fondatore dell’omonima azienda, in cinque anni realizzò ben 5127 prototipi prima di perfezionare la propria idea iniziale di aspirapolvere senza sacco, un prodotto che ricevette successivamente ampi riconoscimenti dal mercato.

Il prototipo funzionale

Una volta dimostrata la funzionalità del prodotto attraverso il prototipo PoC, il passo successivo è in genere quello di realizzare un prototipo funzionale. In questa fase, il PCB deve essere accuratamente progettato, i componenti selezionati e posizionati sulla scheda in modo tale da soddisfare i requisiti di prestazioni, affidabilità e gestione termica richiesti dall’applicazione finale. Anche se i prototipi funzionali vengono ancora realizzati in numero ridotto, la loro progettazione è già completa, i componenti non richiesti sono stati eliminati, gli spazi sul PCB ottimizzati, il layout delle tracce definito per soddisfare i requisiti di impedenza, immunità alle interferenze elettromagnetiche e dissipazione del calore. È inoltre opportuno selezionare sin da ora componenti elettronici con alternative equivalenti, in modo da semplificare la catena di approvvigionamento, garantire longevità al prodotto e ridurre i costi.

Il prototipo ingegneristico e il prototipo beta

Procedendo con i raffinamenti successivi, si arriva a quello che viene chiamato “prototipo ingegneristico” (EP), noto anche come versione “alfa”. In questo caso il prototipo ha non solo funzionalità, ma anche dimensioni e aspetto fisico molto simili a quelli del prodotto finale. Questo è un tipo di prototipo molto utilizzato dalle start-up, soprattutto nelle campagne di crowdfunding e per organizzare delle dimostrazioni a fiere ed eventi specializzati. Il prototipo, tuttavia, non è ancora pronto per la produzione industriale su larga scala, in quanto deve essere ottimizzato per processi di produzione, lo stampaggio, il montaggio automatico, ecc. È importante sottolineare la rilevanza di questo aspetto, in quanto non è raro che un progetto di crowdfunding, seppur valido tecnicamente, fallisca perché sono stati sottovalutati i tempi e le risorse richiesti per l’ottimizzazione DFM (Design for Manufacturing) e DFA (Design for Assembly).

Applicando al prototipo anche le regole DFM, si arriva al prototipo “beta”, il cui processo di produzione è paragonabile a quello su grandi volumi. In questa fase rientrano anche le analisi di tipo ingegneristico, come tolleranze, simulazioni termiche e ottimizzazioni strutturali.

I vantaggi della prototipazione

Il principale vantaggio della prototipazione consiste nel ridurre i rischi relativi all’introduzione di un nuovo prodotto, incrementando allo stesso tempo il fattore esperienza. Come dimostrato dall’esempio di Dyson, lo sviluppo del prodotto è un processo iterativo.

Maggiore è il numero di prototipi creati, maggiore sarà l’esperienza acquisita e la capacità di superare le sfide imposte dall’NPI. La prototipazione è quindi anche un investimento, che si ripaga nel tempo con una maggiore abilità nel saper migliorare continuamente un’idea di progetto, concretizzandola in un prodotto finale.

Nel caso delle start-up, la prototipazione aiuta inoltre ad acquisire i finanziamenti richiesti per portare avanti il progetto. Nei potenziali investitori, niente infonde più fiducia di qualcosa di tangibile che dimostri il concetto alla base dell’idea del progetto.

Più in generale, i vantaggi offerti dalla prototipazione possono essere così sintetizzati:

  • Eventuali errori di progettazione possono essere rilevati con facilità già nei primi stadi di sviluppo del prodotto;
  • La progettazione è più flessibile, adattandosi meglio alle esigenze finali del prodotto. I cicli iterativi di prototipazione consentono di migliorare e ottimizzare il concetto di prodotto originale;
  • Permette al gruppo firmware/software di avere una piattaforma hardware molto simile al prodotto finale su cui eseguire lo sviluppo delle nuove funzionalità;
  • I prototipi possono essere riutilizzati per prodotti futuri, accelerando i tempi di sviluppo e il time to market;
  • I clienti e gli utenti vengono coinvolti attivamente, potendo valutare, verificare e testare le funzionalità implementate sul prototipo;
  • La prototipazione, tramite applicazione dell’analisi DFM e DFA consente di anticipare i problemi legati alla produzione su larga scala, semplificando i processi di produzione e assemblaggio delle schede.

I servizi di prototipazione di MW.FEP SPA

Una realtà in grado di assistere imprese e start-up nella delicata fase di prototipazione finalizzata all’introduzione di nuovi prodotti è MW.FEP SPA azienda italiana con siti produttivi a Ronchi dei Legionari (GO) e San Giovanni in Persiceto (BO), oltre a uffici tecnici a Milano, Roma e Genova. L’azienda opera secondo criteri qualitativi certificati, offrendo ai propri clienti servizi e soluzioni per qualunque esigenza relativa alla progettazione elettronica, innovazione e ingegnerizzazione dei prodotti.

Dotata di reparti specializzati (Figura 1) e utilizzando linee produttive all’avanguardia, MW.FEP SPA è in grado di supportare l’approccio HMLW e la prototipazione rapida. Ciò consente di realizzare prototipi su misura per effettuare validazioni di progetto, produzione di piccoli lotti e qualifica del prodotto.

La prototipazione rapida

La prototipazione rapida rappresenta il modo più veloce per verificare le funzionalità di un nuovo prodotto. Il processo di prototipazione fornisce infatti ai progettisti i feedback necessari per validare il prodotto prima che lo stesso raggiunga la fase di produzione e consente inoltre di analizzare i costi e razionalizzare la BOM. Affinché il prototipo sia disponibile in tempi ridotti, occorre disporre di un team dedicato, oltre a servizi di approvvigionamento rapido dei componenti e un’interazione costante con il cliente.

A supporto dell’attività di prototipazione operano sia l’ufficio tecnico, che funge da interfaccia tra il cliente e il reparto occupandosi della creazione del pacchetto dati di produzione, dell’analisi della distinta base, della definizione MPN di acquisto (verifica obsolescenze, verifica disponibilità materiali e proposta alternative) e delle analisi DFM e DFA, sia dell’ufficio acquisti, specializzato nell’approvvigionamento in tempi rapidi del materiale previsto nella distinta base.

Figura 1: il dipartimento prototipazione di MW.FEP

I servizi di ingegneria industriale

MW.FEP SPA offre una vasta gamma di servizi di ingegneria industriale per assistere il cliente nello sviluppo di un nuovo apparato elettronico, inclusa progettazione hardware, firmware, software, PCB (Figura 2) e meccatronica. Le fasi di sviluppo sono supportate da simulazioni analogiche, termiche e meccaniche, analisi di integrità del segnale e dell’alimentazione, oltre a misure di compatibilità elettromagnetica (EMI).

L’azienda ha maturato una solida esperienza, che le consente di realizzare PCB per applicazioni di potenza, RF, digitali, analogiche e high-speed, con utilizzo di differenti tipi di materiali e substrati, interconnessioni HDI o di potenza, schede rigide, rigido-flessibili o flessibili. MW.FEP SPA opera con il formato di output ODB++ ed integra nella progettazione PCB le fasi di analisi DMF e DFA, garantendo i massimi standard qualitativi e riducendo i tempi di sviluppo del circuito elettronico.

Figura 2: controllo visivo e validazione PCB
Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.