Entendiendo la Ingeniería de Sistemas

En artículos anteriores, hemos discutido la importancia de la gestión de requisitos en proyectos de ingeniería y la necesidad de diseñar productos teniendo en cuenta su manufacturabilidad. Es esencial reconocer que el diseño de un producto electrónico involucra no solo tareas de diseño electrónico, sino también una serie de actividades que abarcan múltiples disciplinas, como el diseño mecánico, el desarrollo de firmware y software, el diseño de lógica programable, simulaciones y otras áreas como la gestión de proyectos, marketing y ventas.

En este artículo, navegaremos a través de las diversas áreas involucradas en un proyecto de ingeniería y las diferentes etapas del desarrollo de productos electrónicos desde el punto de vista de la ejecución del proyecto. Esto incluye la fase de iniciación, así como la planificación, seguimiento, diseño y desarrollo, validación, pruebas y certificación, entre otras.

Desarrollo de Productos Electrónicos: ¿Qué es la Ingeniería de Sistemas?

La ingeniería de sistemas es un enfoque estructurado e interdisciplinario para desarrollar productos complejos que requieren coordinación a través de múltiples dominios técnicos y no técnicos. En el contexto del desarrollo de productos electrónicos, asegura que el hardware, el software, el diseño mecánico, el firmware, el cumplimiento y hasta los procesos empresariales trabajen juntos de manera cohesiva. Enfatiza requisitos claros, fases de desarrollo definidas, estrategias de integración robustas y gestión del ciclo de vida para entregar productos confiables, fabricables y listos para el mercado. Al aplicar la ingeniería de sistemas, los equipos pueden alinear los esfuerzos técnicos con los objetivos empresariales y reducir problemas costosos en etapas tardías.

A continuación, se presenta una lista de los roles clave en un proyecto de desarrollo de producto y sus funciones principales.

Gestión de Proyectos

Responsable de la planificación del proyecto (hoja de ruta, hitos), coordinación de tareas a través de departamentos, gestión de recursos y configuración, seguimiento del proyecto e informe de progresos o retrasos al liderazgo.

Gestión de Producto

Esta área define los requisitos y la funcionalidad del producto, colabora con ventas y marketing en el benchmarking del producto (precio, características, diseño) y alinea el diseño con las estrategias empresariales y de marketing. También asegura que el producto final cumpla con los objetivos estratégicos.

Marketing y Ventas

Cualquier producto destinado a la comercialización requiere investigación de mercado y posicionamiento. Este departamento maneja estrategias de precios, canales de ventas y campañas de lanzamiento.

Ingeniería de Hardware

El equipo de hardware define la arquitectura del sistema (CPU, memoria, sensores, conectividad, etc.), selecciona componentes electrónicos (en colaboración con ingenieros de cadena de suministro y producción), diseña esquemáticos y distribuciones de PCB, realiza simulaciones de integridad de señal y potencia, y apoya en las pruebas de validación y certificación.

Ingeniería de Software

En proyectos de desarrollo de productos electrónicos, típicamente hay un desarrollo de software de bajo nivel (que incluye bootloaders, controladores de bajo nivel, etc.) y un componente de desarrollo de software de alto nivel (como el sistema operativo, aplicaciones y scripts). Este trabajo recae en el departamento de desarrollo de software, aunque es común que las áreas de software embebido y software de alto nivel sean bastante distintas.

Diseño Mecánico/Industrial

Los ingenieros de diseño mecánico o industrial diseñan la carcasa del producto, seleccionan materiales y acabados, analizan la compatibilidad con la electrónica (interferencias mecánicas, colocación de conectores, botones, etc.), ergonomía y gestión térmica (disipación de calor para procesadores, baterías).

Calidad y Cumplimiento

Para que un producto sea lanzado al mercado, debe cumplir con estándares y regulaciones obligatorias, como el marcado CE, las regulaciones de la FCC, RoHS, etc. Además, se deben realizar pruebas ambientales (temperatura, humedad, vibraciones), pruebas de impacto, evaluaciones IPx y certificaciones específicas (Wi-Fi, Bluetooth). El departamento de Calidad y Homologación es responsable de todas estas actividades, así como de los controles de calidad para los materiales, procesos y el producto final.

Ingeniería de Fabricación/Producción

Una vez que el producto ha completado todas las fases de diseño y validación, es momento de la fabricación. Esta es la responsabilidad del departamento de producción, que no solo maneja la fabricación en sí, sino también el diseño de todos los procesos necesarios para la fabricación, ensamblaje, pruebas y más.

Cadena de Suministro

Una tarea no menos crítica es la gestión de la cadena de suministro, que abarca la gestión y calificación de proveedores, la adquisición de todos los componentes de fabricación necesarios, análisis de riesgo de suministro, control de obsolescencia de componentes (gestión del ciclo de vida), gestión de inventarios y planificación de compras. Todas estas actividades son manejadas por el departamento de Cadena de Suministro.

¿Cuáles son las Fases de un Proyecto de Desarrollo de Producto Electrónico?

Como mencionamos en la introducción, un proyecto de desarrollo de producto electrónico es un proceso que involucra diferentes áreas, cada una con tareas específicas. Por lo tanto, el proyecto se divide en distintas fases para desglosar las tareas de alto nivel en otras más pequeñas y manejables. Estas tareas más pequeñas son luego ejecutadas por varios equipos de trabajo, asegurando la finalización a tiempo y con calidad.

Un proyecto de ingeniería debería, como mínimo, dividirse en las siguientes fases:

1. Definición y Reunión de Inicio (KOM)
2. Planificación
3. Diseño
4. Prototipado
5. Validación
6. Industrialización
7. Lanzamiento

1. Definición del Producto

Durante esta fase inicial, las preguntas fundamentales son: ¿Qué propósito sirve el producto y qué necesidad real aborda? Si no hay respuestas sólidas a estas preguntas, iniciar el proyecto podría no valer la pena. De lo contrario, tras un análisis profundo (incluyendo la identificación de necesidades, competidores, recursos necesarios, cronogramas de desarrollo y costos de desarrollo del producto) se convoca una Reunión de Lanzamiento (KOM). Aquí, el proyecto se presenta oficialmente, junto con el equipo del proyecto, alcance, fechas clave (inicio, fin y hitos intermedios), estimaciones de costos, el cliente objetivo o la necesidad específica que el producto satisface. Esta reunión marca oficialmente el lanzamiento del proyecto.

El paso subsiguiente y posiblemente el más crucial es la definición de los requisitos del proyecto. Todos los requisitos definidos formarán colectivamente la especificación del producto, que servirá como el documento fundacional para el desarrollo del producto.

2. Planificación del Proyecto

La planificación del proyecto es crucial para su ejecución, asegurando que todas las partes involucradas estén al tanto de los cronogramas de desarrollo y los hitos clave. Más importante aún, destaca las dependencias entre disciplinas, especialmente cuando se integran hardware con firmware o componentes mecánicos. Los proyectos a menudo aprovechan metodologías ágiles o en cascada para la planificación. Altium Develop ofrece una herramienta de gestión de tareas (similar a un tablero Kanban) que puede vincularse directamente con los esquemáticos y los diseños. Esto agiliza el flujo de trabajo y elimina la necesidad de herramientas externas.

3. Diseño de Producto

Cuando hablamos de diseño, no nos referimos solo al diseño del hardware en sí, sino al diseño de todas las partes integradas o disciplinas que se unen para concebir el producto. Esto incluye hardware, diseño mecánico, diseño térmico, firmware y software.

Cualquier proceso de diseño comienza con un diseño conceptual inicial: un diagrama que representa la arquitectura general del producto a crear. Este diagrama sirve no solo para estructurar el diseño, sino también permite la división de tareas más especializadas, como "diseño de antena PCB para circuito BLE" o "diseño de fuente de alimentación". Una vez que la arquitectura es clara, el equipo pasa al diseño detallado. Esto implica crear esquemáticos, seleccionar componentes, realizar simulaciones, escribir código, diseñar PCBs, realizar análisis térmicos y llevar a cabo simulaciones de integridad de señal y potencia.

Si se encuentran deficiencias durante estas simulaciones, el proceso de diseño se itera hasta que las simulaciones arrojen resultados positivos.

4. Prototipado e Integración

El siguiente paso es construir un prototipo inicial que involucre todas las áreas técnicas:

• PCB / PCBA (Placa de Circuito Impreso / Ensamblaje de Placa de Circuito Impreso)
• Impresión 3D de Carcasa
• Lanzamiento de Firmware / Software

Una vez que una versión de cada componente está lista, es momento de integrar todo y formar el primer prototipo funcional.

5. Pruebas y Validación

Una vez que el prototipo es funcional y ha pasado por una verificación básica inicial, el equipo de validación ejecuta un conjunto completo de pruebas y evaluaciones para validar su correcto funcionamiento. La definición adecuada de las pruebas implica vincular cada prueba a requisitos específicos, asegurando que cada requisito tenga una o más pruebas asociadas para su verificación y validación. Esta validación se extiende más allá de la mera funcionalidad, abarcando otros aspectos como pruebas eléctricas, evaluaciones térmicas, pruebas de integridad de señal, pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC), estrés mecánico y durabilidad de la carcasa.

6. Fase de Industrialización

Si la validación es exitosa y no se necesitan rediseños, es momento de industrializar el producto, lo que significa transformarlo en un artículo producible en masa. Es crucial que los requisitos de Diseño para la Fabricabilidad (DFM) se hayan considerado durante la fase de diseño para evitar sorpresas inesperadas que podrían necesitar un rediseño del producto debido a problemas de fabricación. 

Además, los procesos de producción involucrados en la fabricación del producto deben ser validados. Esto implica verificar su fiabilidad a lo largo de una gran serie de producción. Típicamente, se fabrica y somete a una validación exhaustiva una muestra significativa de 500 a 1000 unidades, revisándose los resultados de cada pieza fabricada y validando cada proceso.

Esta fase también es cuando se obtienen todas las certificaciones necesarias (teniendo en cuenta que las regulaciones varían por país o región), y se finalizan los acuerdos de suministro con los proveedores de componentes.

7. Lanzamiento del Producto

El lanzamiento de un producto no se trata simplemente de fabricarlo y enviarlo al cliente. Un lanzamiento exitoso involucra una serie de pasos críticos que pueden determinar su éxito o fracaso final, incluso para un producto bien diseñado.

Es crucial planificar meticulosamente el lanzamiento, mantener un control de calidad robusto sobre las partes fabricadas, establecer canales de ventas efectivos, gestionar las devoluciones por garantía, proporcionar un excelente servicio al cliente y soporte técnico, manejar correctamente las actualizaciones futuras y ser conscientes del impacto ambiental en la logística del producto (embalaje, transporte y reciclaje).

Conclusiones

• El desarrollo de productos electrónicos involucra a numerosos interesados

En el desarrollo de productos electrónicos, los ingenieros de diseño de hardware no son las únicas piezas del rompecabezas. El equipo involucrado típicamente incluye al menos a ingenieros electrónicos, diseñadores industriales, desarrolladores de firmware/software, especialistas en simulación, equipos de producción, aseguramiento de calidad, ventas, logística y departamentos de planificación.

• El desarrollo de productos electrónicos requiere múltiples fases

Desarrollar un producto electrónico necesita una serie de pasos secuenciales, comenzando con la definición de requisitos y progresando a través del diseño, prototipado, pruebas de validación e industrialización, culminando en el lanzamiento del producto al mercado.

Afortunadamente, no estás solo en todo este proceso.Explora cómo Altium Develop puede apoyarte a lo largo de tu viaje de desarrollo de producto.