Pasos para fabricar prototipos electrónicos PCB de prototipos Firmwares

Q: ¿Cuánto cuesta desarrollar un prototipo electrónico?

El precio de un prototipo electrónico puede estar entre los 15.000€ y 30.000€ aproximadamente. El coste de los prototipos electrónicos depende del nivel de incertidumbre asociado a las funciones que se pretenden conseguir y a las restricciones que conviven en los requisitos funcionales.

Q: ¿Cuánto cuesta desarrollar el firmware?

El desarrollo del firmware suele costar entre 10.000 € y 20.000 € . El coste del firmware suele representar el 70% del precio total de un prototipo electrónico . La buena noticia, es que la parte software de un prototipo electrónico , es escalable, mientras que la parte hardware no cuenta con esta oportunidad. O sea, cuando lances tu prototipo electrónico al mercado, cada vez que vendas una unidad, debes asumir el precio de fabricación de la PCB y la compra de los periféricos electrónicos. En cambio, el firmware es siempre el mismo y no requiere ningún coste por cada unidad vendida. La inversión necesaria para desarrollar el firmware de un prototipo electrónico , tiende a cero a medida que se venden unidades, por esta razón, se afirma que se trata de una inversión escalable.

Q: ¿Puedo contratar empresas de desarrollo de firmware y hardware diferentes?

Aunque es una práctica habitual para ahorrar costes de fabricación del prototipo electrónico , según nuestra experiencia, es mucho más caro a largo plazo. Es difícil exigir responsabilidades en el funcionamiento y motiva el fenómeno de la sobreingeniería, entre otros errores comunes en el desarrollo de prototipos electrónicos.

Q: ¿Cuánto tarda el desarrollo de un prototipo electrónico?

El desarrollo de prototipos electrónicos puede tardar entre 3 y 6 meses aproximadamente. Los tiempos de fabricación de un prototipo electrónico funcional , así como sus costes reales y la calidad final, están estrechamente relacionados con la profundidad del ciclo de investigación y planificación previa.

Q: ¿Cómo hacer un PMV de un prototipo electrónico?

El producto mínimo viable de un prototipo electrónico , podría consistir en una unidad funcional, con dimensiones reducidas, cuyas características puedan mostrarse sin necesidad de diseñar y fabricar una PCB a medida , ni concluir el desarrollo del Firmware definitivo.

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Metodología para fabricar prototipos electrónicos

Cuando se trata de prototipos electrónicos, identificamos que una de las principales preocupaciones de los inventores, es contactar con fabricantes en China capaces de realizar series de miles de placas electrónicas (PCB). Probablemente este paso sea muy relevante y fundamental para la salud del futuro negocio, pero, priorizar este proceso de contratación antes de desarrollar prototipos electrónicos funcionales, condena tu proyecto al fracaso.

Recuerda que, el objetivo de un prototipo funcional no es solo demostrar la viabilidad técnica, en su proceso de diseño y fabricación es clave iterar y aprender lo suficiente hasta llegar a la forma más óptima de funcionamiento y de futura fabricación.

El desarrollo de prototipos electrónicos, como en el desarrollo de soluciones softwares, puedes llegar a una misma función, a través de cientos de alternativas. En cambio, los aciertos en la elección de la estrategia de desarrollo, influirá de forma crítica en el precio futuro del producto, así como en sus posibilidades de crecimiento, para la inclusión de nuevas funciones, necesarias para competir en el mercado.

Partes de un prototipo electrónico innovador.

El desarrollo de un prototipo electrónico innovador, se divide en dos grandes hemisferios: Hardware y Firmware.

Hardware

Firmware

Hardware

Firmware

¿Qué se desarrolla primero, el Firmware o el hardware?

Por sentido común, si el firmware es el software que controla y hace posible el funcionamiento del hardware electrónico inmerso en el prototipo, cabe pensar que el primer paso es completar el proceso de desarrollo de la parte física, PCB, elección de controladores, periféricos y cualquier otro elemento necesario como parte de la arquitectura hardware de un prototipo electrónico.

En cambio, avanzar demasiado en el hardware, puede representar un despilfarro de recursos, ya que es muy frecuente, en el desarrollo de productos electrónicos innovadores, encontrarse con nuevas necesidades hardware para consolidar el cumplimiento de los requisitos funcionales del prototipo electrónico en cuestión.

Tras más de 100 prototipos electrónicos desarrollados, con niveles de dificultad muy variados, en Let´s Prototype hemos desarrollado un método útil para coordinar las tareas en el proceso de diseño y fabricación de prototipos electrónicos.

Paso a paso para desarrollar prototipos electrónicos funcionales.

Paso 1: Levantamiento de requisitos funcionales.

El punto de partida para comenzar el desarrollo de cualquier prototipo, independientemente de las disciplinas de ingeniería que intervengan, es realizar una toma de requisitos pausada y documentar los resultados.

En la mayoría de ocasiones, el levantamiento de requisitos se centra en las funciones clave del prototipo, o sea, aquellas que responden al problema de mercado que se pretende atender con el nuevo artilugio. Este tipo de prácticas, en ocasiones, condena el futuro desarrollo de los prototipos funcionales, ya que motiva la elección errónea de las tecnologías base del prototipo.

Utilizando la analogía de la construcción, un sector que todos entendemos. Si tomamos los requisitos de una vivienda unifamiliar de una planta y posteriormente el cliente quiere ampliar una habitación, probablemente no sea un caos mayor, ya que el cimiento soportará esta carga.

En cambio, si el cliente, después de construida la primera planta y única, según las previsiones, solicita construir dos pisos más, probablemente sea imposible, o requiera destruir lo que se ha construido para fortalecer los cimientos de la vivienda.

Lo mismo pasa en tecnología. En la industria del desarrollo de productos electrónicos a medida, le llamamos: escalabilidad de la tecnología. Consiste en la elección de tecnologías (hardware y software), suficientes para que el prototipo crezca en funciones sin necesidad de destruir los avances tecnológicos desarrollados para las primeras versiones.

Es clave comprender en las reuniones de toma de requerimientos, la estrategia de desarrollo de negocio que se pretende con el prototipo en cuestión.

¡Sí! Aunque nuestro objetivo sea desarrollar un prototipo electrónico funcional, debemos comprender las necesidades de negocio previstas en cada etapa, con el fin de plantear una estrategia de desarrollo de producto que acompañe y permita la llegada a los objetivos de negocio.

Los levantamiento de requisitos funcionales bien ejecutados, permiten definir las funciones, pero también permite ordenarlas en versiones y niveles de complejidad. Esta definición por versiones, permite al inventor controlar las primeras inversiones, diluir la percepción de riesgo de potenciales inversores, reducir los tiempos de llegada al mercado y test de funcionamiento del prototipo.

En este primer paso, marca la diferencia, la experiencia en desarrollo de productos electrónicos que pueda acumular el profesional. En Let´s Prototype no nos ceñimos a los comentarios y solicitudes de los clientes, desde este primer encuentro tratamos de aportar valor, sumando ideas, simplificando funciones y analizando de forma preliminar la viabilidad técnica de los planteamientos asociados a las funcionalidades esperadas en el prototipo.

Paso 2: Redacción de casos de uso y lógicas de negocio.

Muchas empresas de desarrollo de prototipos electrónicos, confunden la toma de requerimientos funcionales del futuro producto, con la redacción de los casos de uso de un prototipo funcional.

Toma de requerimientos: Redacción de funciones clave del prototipo funcional esperado. Se centra en definir qué funcionalidades son necesarias y cómo aparecerán estas funciones en las diferentes versiones del prototipo electrónico.

Casos de uso de un prototipo: Se trata del documento que resume el comportamiento de un prototipo electrónico. Se trata de una descripción literaria del comportamiento de la máquina en sus diferentes usos. Es fundamental que el cliente valide este documento antes de comenzar el desarrollo del prototipo electrónico, ya que la toma de requisitos suele incorporar algunos términos técnicos que pueden afectar la correcta interpretación del cliente. Es muy útil utilizar técnicas de mapeo e imágenes para evitar incongruencias respecto a la visión de los clientes sobre el futuro producto

En los casos de prototipos electrónicos que contengan pantallas, es muy recomendable tener en cuenta la aparición de pantallas en cada una de las etapas del caso de uso. como ejercicio de buenas prácticas en la redacción casos de uso, es muy recomendable dividir los procesos por etapas o estados del producto. De esta forma, se ayuda al equipo de desarrollo de Firmware a medida, a declarar variables críticas en la estructura del código fuente.

Paso 3: Diseño de arquitectura hardware preliminar.

La arquitectura hardware preliminar es un proceso útil en el desarrollo de los prototipos electrónicos. Se trata de la primera planificación y exploración de componentes electrónicos necesarios para conseguir las diferentes funciones listadas en la toma de requisitos, que además, deberán ser compatibles con las definiciones del documento, caso de uso del prototipo funcional.

Cuando se trata de prototipos electrónicos, en Let’s Prototype lo primero que hacemos es analizar la electrónica necesaria para el prototipo, para luego desarrollar los circuitos en papel y en formato digital.

Así como lo lees, dibujamos sobre el papel las diferentes lógicas o diagramas de circuitos, de esta forma, todo el equipo experto en el área podrá opinar sobre formas óptimas de llegar a la solución.

Esta fase incluye la selección de componentes electrónicos, es importante que el equipo de ingeniería electrónica, identifique componentes que están democratizados en el mercado, cumplan con las necesidades de tu prototipo y sean opciones económicamente viables, según el precio objetivo del futuro producto en el mercado.

Es un equilibrio difícil de conseguir, pero es nuestro día a día.

Antes de fabricar la primera PCB, se pasa a experimentar con conexiones y componentes sobre una protoboard, para encontrar posibles fallos o incompatibilidades entre los componentes seleccionados. En esta fase conseguimos la funcionalidad electrónica del prototipo, puliendo todos los detalles para que se comporte como esperamos.

La mayoría de empresas de desarrollo de productos electrónicos, comete el grave error de saltar este paso. Se presupone el funcionamiento de esquemas electrónicos y se pasa a la fabricación de la primera versión de la PCB sin validar su funcionamiento y compatibilidad de componentes. Este error supone una pérdida de tiempo y dinero. Recursos que no suelen ser muy abundantes en el proceso de diseño y fabricación de prototipos electrónicos innovadores.

Paso 4: Desarrollo y validación de funciones críticas en el Firmware.

Tomando como guía el documento de requisitos funcionales de un prototipo electrónico, se debe comenzar la programación del firmware. Es un error pensar que esta primera versión, será definitiva. Normalmente está sujeta a varias correcciones, por lo que es fundamental comprender el objetivo real de esta etapa: demostrar que los componentes pueden convivir y que con el mínimo de recursos posibles, se consiguen las funciones principales del prototipo.

Según nuestra experiencia en Let´s Prototype, a esta primera versión del Firmware, le llamamos, software de control. Se trata de una versión del firmware que debe ser capaz de controlar los componentes que convivirán en la PCB, así como los principales periféricos necesarios para el cumplimiento de los requisitos funcionales.

Entre los errores comunes de los expertos en desarrollo de firmware, destacan: no mantener un sistema de gestión de versiones del Firmware, trabajar con código local, o sea, no trabajar en un entorno que permita la evolución compartida del código Firmware y su constante auditoría, y no documentar correctamente el desarrollo, dentro y fuera del código del firmware desarrollado.

Según nuestra experiencia en decenas de soluciones firmware desarrolladas para nuestros prototipos electrónicos, es muy recomendable trabajar con tecnologías democratizadas en el mercado. Aprovechar el trabajo de la comunidad, estar conectado con ella y aportar valor a la misma, es clave para desarrollar firmware de alta calidad y maximizar la eficiencia del proceso de desarrollo.

Paso 5: Diseño y fabricación de prototipo PCB.

Las etapas anteriores brindan pistas muy importantes para el diseño de la primera versión de una PCB de un prototipo electrónico innovador.

Una vez tenemos los circuitos terminados y validados, nos dedicamos a diseñar una placa de circuito impreso minimizando el tamaño de la electrónica. Aquí podemos fabricar la primera unidad grabando el circuito en una placa de cobre, aplicando la resina antisoldante y soldando los componentes.

Tras completar el proceso de fabricación de la primera unidad, se pasa a la fase de test del prototipo, habitualmente, esta etapa motiva el rediseño estético del prototipo, permitiendo que sus piezas puedan ser más pequeñas y compactas.

Encontrarás miles de opciones para fabricar tu placa o PCB en serie. Podrías ir a China u otras industrias donde los precios para productos fabricados en serie son muy competitivos. En cambio, es muy probable que necesites, antes de este paso, tiradas cortas o pre series que te permitan validar el producto en el mercado, mostrarlo a inversores o a potenciales socios industriales interesados. En este caso, Let’s Prototype sigue siendo tu aliado ideal. Si necesitas hacer entre 10 y 100 placas electrónicas, podremos hacerlas en nuestro laboratorio, con total garantía. En caso de necesitar más de 100 y hasta 10.000 unidades, podremos pedirlas a socios estratégicos de Let’s Prototype .

La primera versión de la PCB en combinación con la primera versión del firmware obtenido en la etapa Nº4 de nuestro método para desarrollar prototipos electrónicos, expondrán errores que podrán subsanarse de forma inmediata con conexiones externas, sustitución de componentes electrónicos, ajustes en el software de control y otras soluciones caseras que permitirán documentar los cambios necesarios para el diseño y fabricación de la PCB definitiva.

Paso 6: Integración de hemisferios. Hardware y Firmware.

Utilizando la PCB transformada, customizada y corregida con métodos ágiles, enfrentamos una de las etapas más críticas en el desarrollo de los prototipos electrónicos.

El objetivo de esta etapa es insertar los dos hemisferios: hardware y firmware en el prototipo beta fabricado. Sobre este escenario se deben realizar todo tipo de test y ajustes hasta conseguir la armonía de ambos hemisferios.

La experiencia de la empresa de desarrollo de prototipos electrónicos es clave. Existe una lista de buenas prácticas para el diseño de la primera versión de la PCB que evitarán detenciones innecesarias en esta etapa de comprobación y ajuste de las funcionalidades.

La preparación para el uso de extensiones de pines, exposición de pines sobrantes, sobreprotección para consumo energético, sobredimensionamiento de espacios para realizar conexiones artesanales, son algunas de las prácticas útiles para aprovechar al máximo el tiempo dedicado a la fase de integración de hemisferios en prototipos electrónicos. Se trata de evitar paralizar el proceso por errores comunes y naturales en la primera versión de la PCB.

Paso 7: Comprobación de requisitos funcionales en el prototipo electrónico.

El caos natural de la etapa de integración puede ser frustrante para los desarrolladores noveles de prototipos electrónicos funcionales. Una vez estabilizada la primera versión de las soluciones electrónicas físicas y el firmware, se debe someter el prototipo a todo tipo de test. En esta etapa el documento de comprobación útil, es la redacción de casos de uso.

En nuestro laboratorio de prototipos electrónicos, hemos aprendido que la figura clave en esta etapa, es el propio cliente. Es fundamental que entre los test de funcionamiento del prototipo electrónico, se haga partícipe al cliente de estos ciclos, será el mejor crítico del funcionamiento del prototipo.

La participación del cliente en la etapa de comprobación de prototipos funcionales con elementos electrónicos, evita la aparición tardía de nuevos requisitos y, siguiendo la analogía de la construcción, evita la necesidad de cambios radicales que comprometan los tiempos de desarrollo de un prototipo.

Paso 8: Optimización de energía y optimización del Firmware final.

En Let´s Prototype desarrollamos con mucha frecuencia prototipos de dispositivos wearables a medida y prototipos IoT. En este tipo de prototipos, el consumo de energía suele ser un factor determinante para que el prototipo sea realmente funcional.

Las pulseras inteligentes para el deporte, los ejemplos de prototipos agrotech que deben convivir en situaciones adversas y sin alimentación eléctrica, son algunos de los casos donde hemos enfrentado este tipo de retos.

La estrategia inicial de autonomía de las baterías, debe definirse en el proceso de I+D+Ì de un prototipo. Por esta razón, en Let´s Prototype, antes de fabricar un prototipo electrónico, ofrecemos este servicio a los inventores y departamentos de innovación de nuestros clientes corporativos.

¿En qué consiste el estudio de autonomía energética de un prototipo electrónico?

Antes de comenzar la fabricación de la primera versión de la PCB de un prototipo, es crucial estudiar el consumo individual de los periféricos y elementos electrónicos que conviven en el prototipo. Esta información se combina con los diferentes requerimientos y casos de uso, donde debe definirse la autonomía objetiva del prototipo electrónico, para considerarse funcional.

Para nuestros clientes inventores no expertos, usamos con frecuencia la analogía de las instalaciones hidráulicas domésticas. Un depósito de agua tiene una capacidad determinada, si queremos utilizar exclusivamente el agua del depósito, debemos estudiar previamente el consumo habitual en cada uno de los puntos de dispensado y los ciclos de uso previstos. Con esta información, podrá determinarse si el depósito previsto en el proyecto, es o no suficiente para soportar el uso objetivo.

Algo similar sucede con el consumo energético en los prototipos. Por esta razón es clave, documentar correctamente los objetivos de uso. Con esta información, durante el proceso de desarrollo de un prototipo electrónico, realizamos comprobaciones en varias etapas.

La etapa de comprobaciones sobre el circuito artesanal en protoboard, es clave, da pistas muy relevantes para el desarrollo del firmware, donde se programan los ciclos de activación de los diferentes componentes y se implementan diversas estrategias para minimizar el consumo de energía.

Los requerimientos de dimensiones del prototipo, su geometría en el área de instalación de baterías, peso de un prototipo y cumplimiento de futuras normativas, son algunas de las variables que deben tenerse muy en cuenta cuando se plantea la estrategia de consumo de energía de un prototipo electrónico.

Paso 9: Estrategia de industrialización de prototipos electrónicos.

Como sabes, el proceso de industrialización de un prototipo, es la conversión de las unidades funcionales de comprobación, en un producto comercializable. Intervienen diferentes técnicas de fabricación y procedimientos para el ensamblaje de los productos.

¡Atención! En esta etapa, ya habrás demostrado el potencial de tu producto y por supuesto, su viabilidad técnica. Ahora el objetivo es minimizar los costes asociados al proceso de fabricación del producto y garantizar la protección de tu propiedad intelectual.

En los prototipos electrónicos conviven muchos factores que pueden afectar estos dos objetivos. A continuación, te enumeramos algunos de los riesgos y soluciones comunes de nuestro laboratorio:

Objetivo Nº1: Minimizar los precios en el proceso de fabricación de productos electrónicos innovadores.

Diseño y geometrías del hardware: Para ahorrar dinero en el proceso de prototipado, muchos inventores acuden a empresas de fabricación de prototipos con poca experiencia en el desarrollo íntegro del proceso. En estos entornos, no se tiene en cuenta que el ensamblaje de los productos, representa un gran impacto en el coste de fabricación de los productos. El método de inserción y anclaje de la PCB en el interior del prototipo, disposición de los conectores y uso de componentes electrónicos descatalogados en la industria, suelen ser algunos de los focos de conflicto en este proceso.

¡Sí! Lo que has ahorrado en el diseño y fabricación de tu prototipo electrónico, se convertirá en un problema que puede provocar el fracaso comercial de tu producto, por los altísimos costes a asumir en la fabricación de cada unidad.

Normativa de productos electrónicos: El desarrollo de prototipos electrónicos baratos, suele generar conflictos en el proceso de certificación con normativas vigentes que condicionan la posibilidad de comercializar productos electrónicos. El desconocimiento de estas normas y ahorro de costes en la investigación sobre Marcado CE, provoca la necesidad de cambios sustanciales en los prototipos, en etapas muy avanzadas, por lo que tendrás que asumir altísimos costes para transformar el prototipo y cumplir con las normas existentes.

Objetivo Nº2: Proteger la propiedad intelectual.

Métodos de instalación del Firmware en prototipos electrónicos: Comprendemos que la propiedad intelectual de tu prototipo electrónico, es clave para generar barreras de entrada a los nuevos competidores. Si lo pones demasiado fácil, en horas, copiarán tu producto y lo verás en el mercado. Incluso, si tienes una patente, correrás un altísimo riesgo si no toman las medidas necesarias desde el proceso de fabricación del prototipo electrónico.

Como ya sabes, para que tu producto electrónico innovador funcione correctamente, conviven los elementos electrónicos hardware con el firmware, o sea, con el software de control del producto. Por tanto, en el proceso de fabricación industrial, será necesario instalar este software en el producto. Necesitarás compartir en algún momento tu solución software y hardware a la fábrica, por lo que la tecnología, ya no está solo en tus manos.

Existen diferentes métodos que permiten, reducir los costes de este proceso y además, mantener un control que evita que futuros fabricantes, colaboradores en tu proyecto, puedan manipular y distribuir el software de control, que es en definitiva, el cerebro de un prototipo electrónico.

Preguntas frecuentes sobre prototipos electrónicos

¿Cuánto cuesta desarrollar un prototipo electrónico?

El precio de un prototipo electrónico puede estar entre los 15.000€ y 30.000€ aproximadamente. El coste de los prototipos electrónicos depende del nivel de incertidumbre asociado a las funciones que se pretenden conseguir y a las restricciones que conviven en los requisitos funcionales.

¿Cuánto cuesta desarrollar el firmware?

El desarrollo del firmware suele costar entre 10.000 € y 20.000 €. El coste del firmware suele representar el 70% del precio total de un prototipo electrónico. La buena noticia, es que la parte software de un prototipo electrónico, es escalable, mientras que la parte hardware no cuenta con esta oportunidad.

O sea, cuando lances tu prototipo electrónico al mercado, cada vez que vendas una unidad, debes asumir el precio de fabricación de la PCB y la compra de los periféricos electrónicos. En cambio, el firmware es siempre el mismo y no requiere ningún coste por cada unidad vendida. La inversión necesaria para desarrollar el firmware de un prototipo electrónico, tiende a cero a medida que se venden unidades, por esta razón, se afirma que se trata de una inversión escalable.

¿Puedo contratar empresas de desarrollo de firmware y hardware diferentes?

Aunque es una práctica habitual para ahorrar costes de fabricación del prototipo electrónico, según nuestra experiencia, es mucho más caro a largo plazo. Es difícil exigir responsabilidades en el funcionamiento y motiva el fenómeno de la sobreingeniería, entre otros errores comunes en el desarrollo de prototipos electrónicos.

¿Cuánto tarda el desarrollo de un prototipo electrónico?

El desarrollo de prototipos electrónicos puede tardar entre 3 y 6 meses aproximadamente. Los tiempos de fabricación de un prototipo electrónico funcional, así como sus costes reales y la calidad final, están estrechamente relacionados con la profundidad del ciclo de investigación y planificación previa.

¿Puedo patentar un prototipo electrónico?

Sí. Aunque muchos asesores motivan la protección de los productos electrónicos con Modelos de Utilidad, suele ser un error y falta de compromiso de estos asesores. Siempre que exista innovación y se consiga con ello un valor diferencial en el mercado, el producto puede patentarse.

¿Cómo hacer un PMV de un prototipo electrónico?

El producto mínimo viable de un prototipo electrónico, podría consistir en una unidad funcional, con dimensiones reducidas, cuyas características puedan mostrarse sin necesidad de diseñar y fabricar una PCB a medida, ni concluir el desarrollo del Firmware definitivo.

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