Cualquier proceso de innovación incluye una etapa de diseño y prototipado, desde una mejora incremental hasta la fabricación de un producto nuevo.
De hecho, un prototipo es el puente habilitador entre la idea y un dispositivo funcional.
Curiosamente el Alto Comisionado de la ONU para los Refugiados (UNHCR) alude que el proceso de prototipado o desarrollo de prototipos: “cierra brechas entre las ideas conceptuales y las soluciones reales y viables”.
Y es que al momento de llevar a cabo procesos de diseño, los prototipos permiten a los ingenieros y desarrolladores de soluciones:
- Responder cuestionamientos
- Validar o invalidar hipótesis
- Generar desarrollos incrementales
- El aprendizaje y refinamiento de componentes y soluciones completas
- Enfocar esfuerzos
- Evitar el desperdicio de recursos de tiempo, dinero y personal
Valoramos en esta entrega el concepto de prototipo electrónico, los tipos y los pasos más importantes para el prototipado.
¿Qué es un prototipo electrónico?
La industria electrónica, como plataforma transversal de las tecnologías bajo el abanico de la Industria 4.0 se encuentra inmersa en la innovación y de allí surge la necesidad del prototipado electrónico.
Ya que toda nueva creación o mejora significativa demanda un plan y preparativos que incluyen al prototipado; uno que permite crear, explorar, describir, probar y analizar diseños o elementos de diseño, bajo un modelo previo y sus pruebas.
Ahora bien, el concepto de prototipo es amplio, puede involucrar cualquier forma gráfica o física que va desde un boceto impreso, hasta una simulación interactiva, pasando evidentemente por el desarrollo de piezas y componentes o modelos como parte de un producto final.
TechTarget define al prototipo electrónico como un desarrollo tangible o intangible que representará funcionalmente a un dispositivo fácilmente replicable lo suficiente para que un equipo de diseño, ingeniería o I+D lo visualice y lo pruebe en búsqueda de mejoras incrementales.
En el caso específico de los prototipos de productos electrónicos, implica:
- Diseños preliminares
- Especificaciones técnicas y tolerancias
- Diferentes etapas de experimentación
- Validación (preferiblemente con clientes potenciales)
Frecuentemente un hardware electrónico se prototipa mediante software para diseño de PCB (printed circuit boards) o placa de circuito impreso, por sus siglas en inglés.
Aunque la Universidad de Granada aclara que un prototipado electrónico no incluye solamente desarrollo de hardware, sino que también involucra desarrollo de software, en muchos casos los PCB desarrollados involucran microprocesadores o módulos y herramientas de desarrollo que requieren de algún tipo de software embebido.
Tipos de prototipos electrónicos
John Teel, fundador de Predictable Designs, en una publicación para Sparkfun.com explica como la creación de prototipos en electrónica tiene que ver con ‘aprendizaje’ y desarrollo.
El proceso de prototipado en electrónica comienza con el más simple y económico boceto o representación visual y va de iteración en iteración a un nivel funcional de pruebas y validaciones hacia un prototipo con calidad de producción.
Así, las fases y tipos de un prototipado electrónico pueden ser:
1. Prototipo de prueba de concepto (POC)
Se trata de un prototipo electrónico de etapa temprana para probar el concepto básico de un producto.
- Rara vez funciona exactamente como el producto final y casi nunca se verá como tal.
- Tiene como objetivo probar el concepto fundamental del producto al menor costo posible.
- La mayoría de los prototipos POC se construyen en un kit de desarrollo como Arduino, Raspberry Pi u otro kit de microcontrolador o microprocesador.
- Rara vez será visto por los clientes.
- Su creación permite validar o no si el producto electrónico realmente puede resolver el problema previsto.
2. Prototipo de aspecto
En electrónica un prototipo de forma se centra en optimizar el aspecto, la sensación, o la estética del hardware.
Para este tipo de prototipos, utilizará técnicas de fabricación como:
- Modelado con uso de espuma
- Modelado con uso de arcilla
- Moldeo por inyección
- Mecanizado CNC
- Impresión 3D
Responde al cómo se verá el dispositivo en manos de los usuarios y permite minimizar la cantidad de iteraciones mientras se llega a un modelo funcional.
3. Prototipo funcional o prototipado PCB
Un prototipo funcional en la industria electrónica se centra en la usabilidad o funcionalidad de la pieza o dispositivo.
Para la mayoría de los productos electrónicos se trata de la funcionalidad de la electrónica interna, como se puede ver en la Figura 1.
En la mayoría de los desarrollos el prototipo funcional implica dejar el uso de kits de desarrollo (como Arduino) propios de POC, para desarrollar una placa de circuito impreso (PCB) que permita sostener y conectar todos los componentes electrónicos discretos de su producto.
Generalmente, las grandes empresas que desarrollan productos comienzan con una PCB personalizada.
Esta es la ruta más rápida hacia la producción en escala, aunque probablemente no es la más barata.
La creación de prototipos de una PCB personalizada consta de dos pasos: producir la PCB desnuda y luego soldar todos los componentes.
De acuerdo con Moko Technology un prototipado rápido de PCB suele ser crucial en muchos procesos de diseño y desarrollo de productos, ya que:
- Reduce significativamente los costos de modificaciones durante cada etapa
- Permite hacer iteraciones sobre componentes
- Mejora las características del producto
- Habilita las validaciones funcionales reales con clientes
4. Prototipo de ingeniería
Será la primera vez que el prototipo funcional y el prototipo de apariencia se funden.
Ya a este nivel tendrá algo de calidad suficiente como para demostraciones a clientes o inversionistas.
John Teel de Predictable Designs comenta cómo en esta etapa se ha superado la mayor parte del riesgo de ingeniería y fabricación.
5. Prototipo electrónico de pre producción
Se trata de un prototipo ya validado o en proceso de validación de cara a su fabricación para clientes o usuarios finales.
A este nivel un prototipo puede verse y funcionar de manera similar al producto electrónico final, la gran diferencia será la capacidad y escalabilidad en la fabricación, en caso de su producción en masa.
Diseño, construcción y prueba de un prototipo de sistema de intrusión de comunicaciones de drones comerciales
Algunas etapas posteriores al prototipado electrónico
Llevar a un diseño al punto de tener un prototipo totalmente funcional y de apariencia es un gran logro.
Pero aún es necesario según la aplicabilidad y las normativas, alcanzar una serie de validaciones de diseño, ingeniería y producción antes de su lanzamiento al mercado.
La fabricación y ensamble
Una vez se encuentra diseñado el prototipo PCB, es posible fabricarlo, para llevar a cabo esta tarea es necesario aplicar buenas prácticas de diseño para la fabricación, para garantizar placas de circuito confiables.
Si bien es posible imprimir, ajustar y ensamblar tarjetas electrónicas desde el hogar, oficina o hasta talleres improvisados, pensar en un tercero que pueda realizar esta labor brinda una calidad elevada al producto, especialmente si el montaje es superficial (SMD).
Altium reseña algunos fabricantes nacionales como Microcircuitos o Colcircuitos e internacionales como PCBWay, quienes realizan procesos de fabricación de PCB a pequeña y gran escala de acuerdo a las necesidades y cantidades de cada diseño.
Las pruebas y validaciones
También es común que el proveedor brinde pruebas a la PCB que permitan evaluar si esta cumple con los requisitos de diseño y funcionamiento.
Los principales objetivos al hacer pruebas a una PCB son validar especificaciones como:
- Conductividad eléctrica
- Resistencia mecánica
- Calidad de soldaduras
- Limpieza
- Calidad de la pared del orificio
- Laminación
- Metalizado con cobre
- Ensayos ambientales
- Polaridad y orientación de componentes
Entre las pruebas más comunes, de acuerdo con Pro-Electronics, está la prueba ICT (Figura 2).
Esta se realiza con una sonda volante con sensores que se mueven a través de la placa, para realizar pruebas de forma eficiente que permitan identificar defectos de fabricación en la tarjeta de circuito impreso.
Otras validaciones en prototipos electrónicos
Dependiendo del producto final o dispositivo, estas pueden ser:
- Validación de ingeniería (Engineering Validation Test –EVT): Generalmente pruebas de estrés enfocadas en la electrónica, pruebas térmicas y de potencia.
- Validaciones de diseño (Design Validation Test -DVT), las que garantizan que el producto electrónico cumpla las especificaciones ambientales y cosméticas necesarias.
- Las pruebas de producción (Production Validation and Testing -PVT): Se tratan de pruebas de producción piloto para mejorar procesos en masa, busca además mejorar tasas de desechos, tiempos de ensamblaje y controles de calidad.
Prototipado en la industria electrónica – Pensamiento Final
El desarrollo y auge a nivel global de las tecnologías de la Industria 4.0 y la orientación hacia la innovación en muchas empresas y emprendimientos tecnológicos, imprimen la necesidad de contar con una buena gestión en el desarrollo de prototipos electrónicos.
Todo con el propósito de hacer validaciones tempranas que ayuden a anticipar posibles cambios, fallas o adiciones de funcionalidades con la mejor inversión de tiempo, recursos físicos y humanos.
En el caso del prototipado de producto electrónico, es vital conocer cada etapa del mismo, así como tener presente las actualizaciones tecnológicas e industriales que permiten un desarrollo eficiente en costos y tiempo.
En Cidei trabajamos en conjunto con las empresas del sector electrónico para fortalecer sus capacidades en ciencia, tecnología e innovación y aportar al desarrollo de la industria, mediante la transferencia de tecnologías de punta, conocimientos, obtención de resultados en proyectos de I+D+i y estudios sobre tendencias del sector.
