Comprensione dell'Ingegneria dei Sistemi

In articoli precedenti, abbiamo discusso dell'importanza della gestione dei requisiti nei progetti di ingegneria e della necessità di progettare prodotti tenendo in mente la fabbricabilità. È fondamentale riconoscere che la progettazione di un prodotto elettronico coinvolge non solo compiti di design elettronico, ma anche una serie di attività che spaziano tra diverse discipline, come il design meccanico, lo sviluppo di firmware e software, la progettazione di logica programmabile, le simulazioni, e altri ambiti come la gestione del progetto, il marketing e le vendite.

In questo articolo, navigheremo attraverso le varie aree coinvolte in un progetto di ingegneria e le diverse fasi dello sviluppo di un prodotto elettronico da un punto di vista dell'esecuzione del progetto. Questo include la fase di iniziazione, così come la pianificazione, il follow-up, la progettazione e lo sviluppo, la validazione, i test e le fasi di certificazione, tra gli altri.

Sviluppo di Prodotti Elettronici: Cos'è l'Ingegneria dei Sistemi?

L'ingegneria dei sistemi è un approccio strutturato e interdisciplinare allo sviluppo di prodotti complessi che richiede il coordinamento tra molteplici ambiti tecnici e non tecnici. Nel contesto dello sviluppo di prodotti elettronici, garantisce che hardware, software, progettazione meccanica, firmware, conformità e persino i processi aziendali lavorino insieme in modo coeso. Pone enfasi su requisiti chiari, fasi di sviluppo definite, strategie di integrazione robuste e gestione del ciclo di vita per consegnare prodotti affidabili, fabbricabili e pronti per il mercato. Applicando l'ingegneria dei sistemi, i team possono allineare gli sforzi tecnici agli obiettivi aziendali e ridurre costosi problemi nelle fasi avanzate.

Di seguito è riportato un elenco dei ruoli chiave in un progetto di sviluppo prodotto e delle loro funzioni principali.

Gestione del Progetto

Responsabile della pianificazione del progetto (roadmap, tappe importanti), coordinamento delle attività tra i dipartimenti, gestione delle risorse e della configurazione, monitoraggio del progetto e segnalazione dei progressi o dei ritardi alla leadership.

Gestione del Prodotto

Quest'area definisce i requisiti e le funzionalità del prodotto, collabora con le vendite e il marketing per il benchmarking del prodotto (prezzo, caratteristiche, design) e allinea il design con le strategie aziendali e di marketing. Assicura inoltre che il prodotto finale soddisfi gli obiettivi strategici.

Marketing e Vendite

Ogni prodotto destinato alla commercializzazione richiede ricerche di mercato e posizionamento. Questo dipartimento gestisce le strategie di prezzo, i canali di vendita e le campagne di lancio.

Ingegneria Hardware

Il team hardware definisce l'architettura del sistema (CPU, memoria, sensori, connettività, ecc.), seleziona i componenti elettronici (in collaborazione con gli ingegneri della catena di fornitura e della produzione), progetta schemi e layout dei PCB, esegue simulazioni di integrità del segnale e della potenza, e supporta i test di validazione e certificazione.

Ingegneria del Software

Nei progetti di sviluppo di prodotti elettronici, c'è tipicamente uno sviluppo software a basso livello (che include bootloader, driver a basso livello, ecc.) e una componente di sviluppo software ad alto livello (come il sistema operativo, le applicazioni e gli script). Questo lavoro rientra nel dipartimento di sviluppo software, anche se è comune che le aree del software embedded e del software ad alto livello siano piuttosto distinte.

Design Meccanico/Industriale

Gli ingegneri del design meccanico o industriale progettano l'involucro del prodotto, selezionano materiali e finiture, analizzano la compatibilità con l'elettronica (interferenze meccaniche, posizionamento dei connettori, pulsanti, ecc.), l'ergonomia e la gestione termica (dissipazione del calore per processori, batterie).

Qualità e Conformità

Per essere immesso sul mercato, un prodotto deve rispettare gli standard e le normative obbligatorie, come la marcatura CE, le regolamentazioni FCC, RoHS, ecc. Inoltre, devono essere effettuati test ambientali (temperatura, umidità, vibrazioni), test di impatto, valutazioni IPx e certificazioni specifiche (Wi-Fi, Bluetooth). Il dipartimento di Qualità e Omologazione è responsabile di tutte queste attività, così come dei controlli di qualità per materiali, processi e prodotto finale.

Ingegneria di Produzione/Manifatturiera

Una volta che il prodotto ha completato tutte le fasi di progettazione e validazione, è il momento della produzione. Questa è la responsabilità del dipartimento di produzione, che si occupa non solo della fabbricazione in sé, ma anche della progettazione di tutti i processi necessari per la fabbricazione, l'assemblaggio, i test e altro ancora.

Supply Chain

Un compito non meno critico è la gestione della catena di approvvigionamento, che comprende la gestione e la qualificazione dei fornitori, l'acquisto di tutti i componenti necessari alla produzione, l'analisi dei rischi di approvvigionamento, il controllo dell'obsolescenza dei componenti (gestione del ciclo di vita), la gestione delle scorte e la pianificazione degli acquisti. Tutte queste attività sono gestite dal dipartimento Supply Chain.

Quali sono le fasi di un progetto di sviluppo di un prodotto elettronico?

Come abbiamo menzionato nell'introduzione, un progetto di sviluppo di un prodotto elettronico è un processo che coinvolge diverse aree, ognuna con compiti specifici. Pertanto, il progetto è diviso in fasi distinte per suddividere compiti di alto livello in altri più piccoli e gestibili. Questi compiti più piccoli sono poi eseguiti da vari team di lavoro, garantendo il completamento tempestivo e la qualità.

Un progetto di ingegneria dovrebbe, al minimo, essere diviso nelle seguenti fasi:

1. Definizione e Riunione di Avvio (KOM)
2. Pianificazione
3. Progettazione
4. Prototipazione
5. Validazione
6. Industrializzazione
7. Lancio

1. Definizione del Prodotto

Durante questa fase iniziale, le domande fondamentali sono: Quale scopo serve il prodotto e quale reale necessità soddisfa? Se non ci sono risposte solide a queste domande, avviare il progetto potrebbe non essere conveniente. Altrimenti, a seguito di un'analisi approfondita (che include l'identificazione delle necessità, dei concorrenti, delle risorse necessarie, delle tempistiche di sviluppo e dei costi di sviluppo del prodotto) viene convocata una Riunione di Lancio (KOM). Qui, il progetto viene ufficialmente presentato, insieme al team di progetto, all'ambito, alle date chiave (inizio, fine e tappe intermedie), alle stime dei costi, al cliente target o al bisogno specifico che il prodotto soddisfa. Questa riunione segna ufficialmente l'avvio del progetto.

Il passo successivo e probabilmente più cruciale è la definizione dei requisiti del progetto. Tutti i requisiti definiti formeranno collettivamente la specifica del prodotto, che servirà come documento fondamentale per lo sviluppo del prodotto.

2. Pianificazione del Progetto

La pianificazione del progetto è cruciale per l'esecuzione, assicurando che tutte le parti coinvolte siano a conoscenza delle tempistiche di sviluppo e delle tappe chiave. Più importante, evidenzia le dipendenze tra le discipline, specialmente quando si integrano hardware con firmware o componenti meccanici. I progetti spesso sfruttano metodologie agili o a cascata per la pianificazione. Altium Develop offre uno strumento di gestione delle attività (simile a una bacheca Kanban) che può essere collegato direttamente agli schemi e ai layout. Questo semplifica il flusso di lavoro ed elimina la necessità di strumenti esterni.

3. Progettazione del Prodotto

Quando parliamo di progettazione, non ci riferiamo solo al design hardware in sé, ma alla progettazione di tutte le parti integrate o discipline che si uniscono per concepire il prodotto. Questo include il design hardware, meccanico, termico, il firmware e il software.

Ogni processo di progettazione inizia con un design concettuale iniziale – un diagramma che rappresenta l'architettura generale del prodotto da creare. Questo diagramma serve non solo a strutturare il design ma anche a permettere la divisione di compiti più specializzati, come "progettazione dell'antenna PCB per circuito BLE" o "progettazione dell'alimentatore". Una volta che l'architettura è chiara, il team passa alla progettazione dettagliata. Questo comporta la creazione di schemi, la selezione dei componenti, l'esecuzione di simulazioni, la scrittura di codice, la progettazione di PCB, l'analisi termica e le simulazioni di integrità del segnale e della potenza.

Se durante queste simulazioni vengono trovate delle carenze, il processo di progettazione viene iterato fino a quando le simulazioni non danno risultati positivi.

4. Prototipazione e Integrazione

Il passo successivo è costruire un prototipo iniziale che coinvolga tutte le aree tecniche:

• PCB / PCBA (Circuito Stampato / Assemblaggio di Circuiti Stampati)
• Stampa 3D del Contenitore
• Rilascio del Firmware / Software

Una volta che una versione di ogni componente è pronta, è il momento di integrare tutto e formare il primo prototipo funzionale.

5. Test e Validazione

Una volta che il prototipo è funzionale e ha superato una verifica iniziale di base, il team di validazione esegue una suite completa di test e valutazioni per convalidare il suo corretto funzionamento. La definizione appropriata dei test comporta il collegamento di ogni test a requisiti specifici, assicurando che ogni requisito abbia uno o più test associati per la verifica e la validazione. Questa validazione si estende oltre la semplice funzionalità, abbracciando altri aspetti come test elettrici, valutazioni termiche, test di integrità del segnale, test di compatibilità elettromagnetica (EMC), stress meccanico e durabilità del contenitore.

6. Fase di Industrializzazione

Se la validazione ha successo e non sono necessari ridisegni, è il momento di industrializzare il prodotto, ovvero trasformarlo in un articolo producibile in massa. È fondamentale che i requisiti di Progettazione per la Fabbricabilità (DFM) siano stati considerati durante la fase di progettazione per evitare sorprese inaspettate che potrebbero richiedere un ridisegno del prodotto a causa di problemi di produzione. 

Inoltre, i processi produttivi coinvolti nella fabbricazione del prodotto devono essere validati. Ciò comporta la verifica della loro affidabilità su una grande serie di produzione. Tipicamente, viene prodotto e sottoposto a una valida comprensiva un campione significativo di 500 a 1000 unità, con i risultati di ogni pezzo fabbricato esaminati e ogni processo validato.

Questa fase è anche il momento in cui si ottengono tutte le certificazioni necessarie (tenendo presente che le normative variano da paese a paese o da regione a regione) e si finalizzano gli accordi di fornitura con i venditori di componenti.

7. Lancio del Prodotto

Il lancio di un prodotto non si limita semplicemente a fabbricarlo e spedirlo al cliente. Un lancio di successo comporta una serie di passaggi critici che possono determinare il suo successo o fallimento finale, anche per un prodotto ben progettato.

È fondamentale pianificare meticolosamente il lancio, mantenere un robusto controllo di qualità sulle parti fabbricate, stabilire canali di vendita efficaci, gestire i resi in garanzia, fornire un eccellente servizio clienti e supporto tecnico, gestire correttamente gli aggiornamenti futuri ed essere consapevoli dell'impatto ambientale riguardo alla logistica del prodotto (imballaggio, trasporto e riciclaggio).

Conclusioni

• Lo sviluppo di prodotti elettronici coinvolge numerosi stakeholder

Nello sviluppo di prodotti elettronici, gli ingegneri addetti alla progettazione hardware non sono gli unici tasselli del puzzle. Il team coinvolto include tipicamente almeno ingegneri elettronici, designer industriali, sviluppatori di firmware/software, specialisti in simulazione, team di produzione, controllo qualità, vendite, logistica e reparti di pianificazione.

• Lo sviluppo di prodotti elettronici richiede molteplici fasi

Sviluppare un prodotto elettronico necessita di una serie di passaggi sequenziali, che iniziano con la definizione dei requisiti e proseguono attraverso la progettazione, il prototipaggio, i test di validazione e l'industrializzazione, culminando nel lancio del prodotto sul mercato.

Fortunatamente, non sei solo in tutto questo processo.Scopri come Altium Develop può supportarti durante il tuo viaggio di sviluppo del prodotto.