Sprzęt i usługi do produkcji małoseryjnej i prototypowej
Inżynierom zawsze się spieszy, stąd możliwość szybkiego wykonania prototypu lub małej serii próbnej jest i była w centrum zainteresowania. Z takich powodów większość firm PCB proponuje wykonanie ekspresowe prototypów, firmy EMS zapewniają montaż i do realizacji takich zleceń często mają wydzielony sprzęt. Coraz częściej za terminem prototypowanie kryje się wręcz kompleksowa pomoc będącą kombinacją wszystkich czynności związanych z przygotowaniem produktu – od etapu biura projektowego, przez montaż, programowanie oraz dobór odpowiedniej obudowy. To bezsprzecznie jeden z najbardziej istotnych czynników pozytywnych dla omawianego rynku.
Zapotrzebowanie na usługi i produkty związane z prototypowaniem elektroniki oraz produkcją małoseryjną zwiększa postępująca miniaturyzacja. Współczesna elektronika staje się coraz bardziej złożona, a jednocześnie coraz mniejsza, lżejsza, bardziej mobilna. Na płytkach drukowanych jest coraz ciaśniej, bo z uwagi na koszty i wymagania klientów co do funkcjonalności układy elektroniczne stają się bardziej złożone i upakowane na mniejszym obszarze.
Elementy elektroniczne są obecnie tak małe, że łepek od szpilki jest w stanie je zakryć. A nowoczesne aplikacje IoT, układy czujnikowe lub pomiarowe muszą być miniaturowe, aby ich użycie miało sens. Stąd nawet jeśli potrzebna jest tylko jedna sztuka urządzenia, raczej nie da się wykonać jej ręcznie i wymagane jest wsparcie maszyn.
Montaż ręczny płytek PCB daje się wykonać w przypadku elementów o rozmiarze nie mniejszym niż 0603, o ile oczywiście nie ma obudów BGA i innych bezwyprowadzeniowych, wyświetlacza, który wymaga zgrzania taśmy elastycznej, a rastry wyprowadzeń nie przekraczają 0,125 mm. Miniaturyzacja wymusza wykonanie prototypu w oparciu o normalny proces produkcji także dlatego, że nawet nadzwyczaj sprawny operator może pogorszyć jakość na tyle, że późniejsza analiza działania wersji próbnej będzie utrudniona.
Czynniki sprzyjające popytowi na usługi i produkty związane z prototypowaniem
Wzrost zainteresowania usługami i sprzętem do prototypowania urządzeń elektronicznych i produkcji małoseryjnej wynika w największym stopniu ze zwiększającego się znaczenia specjalizacji oraz rosnących kosztów pracy inżynierskiej. Zakres kompetencji technicznych w firmach też jest ograniczony i dzisiaj nie ma możliwości, aby wszystko wykonywać we własnym zakresie. Stąd, aby zapewnić rozwój w ramach organizacji, realizuje się kluczowe zadania i procesy, a resztę kupuje na rynku jako usługi. Droga praca inżynierska, trudne zagadnienia techniczne, jakie są rozwiązywane na etapie projektowania, wymuszają sięganie po zaawansowane i wysokojakościowe narzędzia po to, aby pracować szybko i dokładnie.
Montaż SMT to najważniejszy proces
Od lat głównym procesem technologicznym w produkcji elektroniki jest montaż powierzchniowy. Dzięki dużej automatyzacji operacji związanych z układaniem i lutowaniem elementów oraz standaryzacji obudów elementów elektronicznych zapewnia on dużą wydajność i znakomitą jakość. Montaż SMT został w ogromnej części zoptymalizowany pod kątem wszystkich kluczowych parametrów. Najnowsze urządzenia montują dziesiątki tysięcy elementów w ciągu godziny, zapewniając powtarzalność oraz bardzo mały koszt.
Im mniejsze serie (wolumeny), im więcej wariantów, typów oraz wersji, tym te zalety stają się trudniejsze do osiągnięcia. Ustawienie parametrów procesu produkcji, przezbrojenie automatu na inne zadanie, zamontowanie podajników z innymi podzespołami zajmuje czas i wymaga poświęcenia uwagi na dopracowanie parametrów. Stąd produkcja małych serii rządzi się innymi prawami i jest mniej opłacalna.
Najbardziej perspektywiczne obszary aplikacyjne z punktu widzenia prototypowania
Za najbardziej perspektywiczne obszary aplikacyjne związane z urządzeniami i narzędziami do prototypowania elektroniki uznano rozwiązania dla przemysłu, wojska, aplikacje energii odnawialnej, oświetleniowe i systemy inteligentnego domu. W porównaniu z naszymi wcześniejszymi analizami widoczny jest duży awans w tym zestawieniu rozwiązań wojskowych, które przez wiele lat plasowały się na dole, a teraz wskoczyły na drugie miejsce. To pokłosie wojny.
Dla firmy kontraktowej zlecenia prototypowe wymagają ponadto innej organizacji pracy zapewniającej możliwość wykonania niewielkiego, ale pracochłonnego zadania, obok "normalnej" produkcji. Przy wykorzystaniu wspólnego parku maszynowego zadanie to jest trudne do osiągnięcia, stąd coraz powszechniej firmy inwestują w działającą równolegle linię do obsługi takich zleceń. Rozwiązanie takie ma wiele zalet i umożliwia niezależny montaż nowych opracowań w działach R& D bez przerywania ciągłości bieżącej produkcji i tym samym bez zagrożenia dla powtarzalności i jakości procesów.
Kilka linii produkcyjnych umożliwia też optymalizację kosztów, bo urządzenia mają swoje profile, np. są ukierunkowane na wykonywanie dużych jednakowych serii, inne mają małą wydajność, ale za to łatwo się je przestawia, jeszcze inne zapewniają dużą uniwersalność i obsługują szeroki zakres elementów kosztem wydajności itd. Nawet jeśli taka linia nie działa cały czas, to ułatwia zgranie harmonogramu i ułożenie różnego typu zleceń w grafiku oraz brak konieczności zlecania wykonania prototypów na zewnątrz do kooperantów. Takie zależności powodują, że wydzielone urządzenia do małych serii, prototypów, stają się normalną częścią parku maszynowego.
Z roku na rok w ofertach producentów jest coraz więcej sprzętu ukierunkowanego na opisywane potrzeby, co wynika z tego, że serie produkcyjne są coraz mniejsze. Tak zmienia się branża elektroniczna i oczekiwania klientów, którzy poszukują innowacji, wariantowości, możliwości kastomizacji. Do tego dochodzi presja kosztowa związana z magazynowaniem gotowych wyrobów i ryzyko ich niesprzedania. Z uwagi na koszty te duże serie produkowane są w globalnych firmach EMS, stąd na naszym rynku najczęściej dominują serie małe i średnie, a za nimi idą zakupy maszyn pod takie właśnie warunki.
Marzena Laren
dyrektor ds. sprzedaży i marketingu w firmie Softcom
Czego oczekują dzisiaj klienci od dostawcy/usługodawcy?
Klienci oczekują przede wszystkim niezawodności i wysokiej jakości produktów i usług, kompleksowej i specjalistycznej obsługi, transparentności związanej z kosztami, elastyczności w spełnianiu specyficznych wymagań oraz szybkiej reakcji na ich potrzeby w produkcji nawet od 1 sztuki urządzenia. Możliwość prototypowania i produkcji seryjnej u jednego wykonawcy EMS jest optymalnym rozwiązaniem. Spersonalizowane podejście i wsparcie techniczne mają również kluczowe znaczenie.
Czy narzędzia i usługi związane z prototypowaniem to wartościowy i dochodowy obszar biznesu?
Prototypowanie to obszar o najwyższym koszcie dla klienta, szczególnie w przypadku konieczności optymalizacji projektu przed wprowadzeniem urządzenia na rynek. Firmy dążą do szybkiego wprowadzania produktów do sprzedaży, co sprawia, że potrzebują wsparcia i efektywnych oraz innowacyjnych rozwiązań w zakresie prototypowania, co zwiększa wartość specjalistycznej firmy EMS, jaką jest Softcom, w łańcuchu dostaw.
Prototypowanie i małoseryjna produkcja: we własnym zakresie czy jednak w kooperacji?
Wiele firm decyduje się na kooperację ze specjalistami zewnętrznymi, aby skorzystać z ich fachowej wiedzy oraz zredukować koszty. Wsparcie firmy zewnętrznej jest rozwiązaniem optymalnym ekonomicznie, umożliwiającym wsparcie specjalistyczne w pełnym spektrum EMS: od projektu, optymalizacji i prototypowania, przez dostawę PCB i elementów po montaż, w tym testowanie, programowanie i montaż końcowy. Klient może angażować swoje moce w obszarach pozaprodukcyjnych.
Co się liczy w prototypowaniu? Krótki czas? Wsparcie techniczne? A może dobra technologia i jakość?
Wszystkie te aspekty są istotne w prototypowaniu. Krótszy czas realizacji zwiększa konkurencyjność, ale równie ważne są wsparcie techniczne oraz wysoka jakość wykorzystywanych technologii i materiałów oraz kontrola procesów, jak AOI 3D czy RTG. Klienci oczekują niezawodnych rozwiązań, które umożliwią im szybkie wprowadzenie niezawodnego produktu na rynek.
Automaty pick & place, które nakładają też pastę lutowniczą, są często atrakcyjną propozycją, bo zajmują mniej miejsca w hali i nie kosztują tyle, ile trzeba zapłacić za dwie osobne maszyny. Analogicznie jest ze sprzętem pozwalającym na obsadzanie podzespołów SMT i THT, także tych większych i o nietypowych rozmiarach.
Dla potrzeb zapewnienia elastyczności warto mieć w firmie dwie linie produkcyjne, a gdy zleceń jest jeszcze więcej, to nawet trzy nie są przesadą. Wydzielone stanowiska do poprawek, sprzęt do prototypowania też staje się z czasem czymś naturalnym w przedsiębiorstwie. Wiele linii produkcyjnych umożliwia także optymalizację działań po stronie kosztów.
Istotna dostępność podzespołów
Z uwagi na wysoki poziom innowacyjności i zmienności branży elektronicznej, a także mocno skrócone okresy wycofywania elementów z rynku w porównaniu z okresem sprzed kilku lat, producenci elektroniki z coraz wyższą częstotliwością wprowadzają nowe wersje produktów oraz zupełnie nowe produkty, co powoduje stopniowe odchodzenie od bardzo dużych serii produktowych na rzecz mniejszych partii. Każda taka partia musi być poprzedzona prototypem, co z kolei powoduje widoczny od kilku lat wzrost zapotrzebowania na krótkie serie testowe. Firmy nieposiadające własnych linii montażowych najchętniej zlecają produkcję gotowych modułów (usługa kompleksowa), firmy z własnymi liniami montażowymi zamawiają wszystkie elementy oddzielnie i składają oraz testują je u siebie. Widoczny jest coraz bardziej nacisk na czas realizacji takich zleceń (prototyp ma być gotowy jak najszybciej) oraz chęć przetestowania prototypu już w docelowej konfiguracji parametrów, innymi słowy, rośnie stopień zaawansowania technologicznego.
Kolejnym czynnikiem jest to, że trudno jest kupić elementy elektroniczne w małych ilościach i dobrej cenie. Inżynierowie tworzący prot typy oraz firmy produkujące małoseryjną elektronikę skazani są na wybór podzespołów "typowych", dostępnych z magazynów dostawców/hurtowni. Odcięci są w ten sposób od najnowszych technologii.
Główne zjawiska pozytywne dla rynku
Za najbardziej istotne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku produktów i usług niezbędnych do prowadzenia prac prototypowych uznano szeroką ofertę specjalistycznych urządzeń, a w drugiej kolejności nowe aplikacje i zastosowania elektroniki. Nowe aplikacje często wymuszają inwestycje w rozwój parku maszynowego i technologii produkcji, bo niosą ze sobą wzrost miniaturyzacji, nietypowe wymagania, zastosowania lub też konieczność spełnienia norm branżowych. Trzecie miejsce to cały czas rosnące znaczenie wysokiej jakości w procesach wytwórczych. Na kolejnych miejscach uplasowano dostępność zleceń z zagranicy dla krajowych firm, a także dużą liczbę firm EMS, które tworzą wymierny popyt.
Usługi powiązane z prototypowaniem
Pod kątem prototypowania dostępne są ekspresowe usługi wykonania płytek drukowanych, wydruki 3D do testowania koncepcji detali mechanicznych i obudów, druk cyfrowy treści płyt czołowych (elewacji), obróbka CNC mechaniki. Kolejny zestaw usług związany jest z projektowaniem układu elektronicznego, płytki drukowanej, tworzeniem modelu komputerowego obudowy. Ten obszar to domena biur inżynierskich, niemniej w praktyce obszary aktywności firm, kompetencje i oferty się przenikają.
Z prototypowaniem powiązane są też badania urządzeń pod kątem zgodności z normami i certyfikacja. W ramach badań cząstkowych wykonywanych podczas realizacji projektu sprawdza się, czy nie są konieczne jakieś korekty w założeniach lub wykonanych etapach po to, aby zawczasu poprawić lub zmienić konstrukcję, bo np. pojawiają się zakłócenia. Usługi te świadczą laboratoria badawcze i są to badania precompliance (projektowe) oraz finalne testy zgodności z normami wykonywane na koniec procesu przygotowania urządzenia do produkcji.
Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku
Tym razem za najważniejszy czynnik negatywnie wpływający na rozwój rynku w naszej ankiecie uznano konkurencję ze strony tanich produktów dalekowschodnich, które utrudniają rozwój sprzedaży produktów markowych i często są nietrwałe, niedostatecznie precyzyjne, wykonane ze słabych materiałów, przez co szybko się zużywają. Wiele narzędzi, sprzętu lutowniczego i podobnych produktów sprzedawanych jest na chińskich internetowych platformach handlowych, na których koszty wysyłki są dofinansowywane przez chińskie władze. Efekt jest taki, że dotacje tworzą nierównowagę po stronie konkurencji, tj. niższe ceny przy jednoczesnym braku odpowiedzialności za produkt. Kolejne miejsca przypadły czynnikom wiążącym się z obecną sytuacją na rynku, a więc oszczędnościami i cięciami kosztów po stronie klientów i rosnącymi kosztami materiałów oraz pracy po stronie dostawców.
Poza badaniami w zakresie kompatybilności weryfikacje laboratoryjne dotyczą testów klimatycznych, narażeń mechanicznych (np. odporności na upadek), bezpieczeństwa użytkowania, a dalej specyficznych norm branżowych: medycznych, telekomunikacyjnych, wojskowych, pożarniczych i innych specjalistycznych, jak badania odporności na impulsy HPEM (dużej mocy), badania odporności urządzeń na anomalie występujące w sieciach zasilających m.in. zmiany częstotliwości sieci zasilającej, wahania napięcia, zniekształcenia przebiegu napięcia itp., badania zaburzeń od urządzeń PLC pracujących w liniach niskiego napięcia. Jeszcze bardziej specjalistycznie wyglądają badania fotobiologiczne, temperatury barwowej i wskaźnika oddawania barw w oświetleniu, a także oddziaływania fal elektromagnetycznych na organizm ludzki.
Jak widzimy z tego skrótowego opisu, usług kierowanych w stronę przygotowania prototypów jest dość dużo, ale są one rozproszone między wielu usługodawców na rynku.
Główne problemy rynku
Główne problemy rynku to nienajlepsza sytuacja w gospodarce europejskiej (w szerszej skali) i krajowej, a także wojna na Ukrainie, która psuje nastroje biznesowe i ogranicza inwestycje. Te trzy czynniki są ze sobą silnie powiązane i ich odziaływanie oznacza mniejszy popyt, większe ryzyko biznesowe i koszty. Niepewność co do jutra wpływa też na zachowawcze decyzje takich firm, które wprawdzie mają środki na rozwój, ale nie inwestują z uwagi na ryzyko. Ogólnie można powiedzieć, że czynniki geopolityczne ciążą na rynku, a widmo kolejnej wojny za kilka lat ogranicza poziom inwestycji zagranicznych w Polsce oraz mocno skupia rozwój na sektorach strategicznych dla bezpieczeństwa kraju – wojsko, energia, koleje.
Przegląd produktów do prototypowania
Najważniejszą grupę produktów do takich zadań tworzy sprzęt lutowniczy, w tym lutownice, stacje lutownicze i na gorące powietrze oraz stanowiska do reworku, czyli napraw płytek w trakcie produkcji. Lutownice do zastosowań w elektronice najczęściej zasilane są niskim napięciem po to, aby ograniczyć do minimum ryzyko przebicia elementów i pozwalają na uziemienie. Kolby umożliwiają wymianę grotów i nierzadko dla danego producenta liczba dostępnych wersji końcówek sięga nawet kilkudziesięciu sztuk. Dobra dostępność grotów o różnych kształtach, w niskich cenach, trwałych, a więc wystarczających na wiele godzin pracy, jest dla dużej części użytkowników z obszaru produkcji zagadnieniem kluczowym przy wybieraniu danego modelu lub też grupy produktów zgodnych pod tym kątem.
Poza lutownicami kolbowymi w tym obszarze produktowym funkcjonują jeszcze lutownice na gorące powietrze wykorzystywane do lutowania i demontażu elementów SMD oraz specjalizowane stacje do demontażu i montażu (reworku) układów w obudowach bezwyprowadzeniowych.
Kolejna grupa to wyposażenie stanowisk pracy w serwisie, laboratoriach, utrzymaniu ruchu, produkcji. Ostatnia grupa produktów to narzędzia ręczne, których oferta szybko się poszerza. Niekoniecznie w zakresie szczypców i śrubokrętów, ale jeśli chodzi o sprzęt do inspekcji, mycia, manipulowania, to zmian jest wiele. Podobnie jest w narzędziach do obróbki złączy: do zaciskania, obrabiania końcówek, przygotowywania kabli itp.
Ranking oczekiwań klientów w stosunku do dostawcy
Klienci zawsze są zainteresowani najlepszym połączeniem kluczowych kryteriów, takich jak wysoka jakość, niska cena oraz krótkim czasem realizacji usług lub dostawy, a w dalszej kolejności możliwością kompleksowej usługi w jednej firmie i wysokimi kompetencjami dostawcy i usługodawcy. Układ ten i kolejność słupków na wykresie są niezmienne od lat, a wartości procentowe dla poszczególnych kryteriów podlegają jedynie niewielkim fluktuacjom.
Główne problemy rynku Główne problemy rynku to nie najlepsza sytuacja w gospodarce europejskiej (w szerszej skali) i krajowej, a także wojna na Ukrainie, która psuje nastroje biznesowe i ogranicza inwestycje. Te trzy czynniki są ze sobą silnie powiązane i ich odziaływanie oznacza mniejszy popyt, większe ryzyko biznesowe i koszty. Niepewność co do jutra wpływa też na zachowawcze decyzje takich firm, które wprawdzie mają środki na rozwój, ale nie inwestują z uwagi na niepewność. Ogólnie można powiedzieć, że czynniki geopolityczne ciążą na rynku, a widmo kolejnej wojny za kilka lat ogranicza poziom inwestycji zagranicznych w Polsce oraz mocno skupia rozwój na sektorach strategicznych dla bezpieczeństwa kraju – wojsko, energia, koleje.
Oprogramowanie projektowe
Znaczenie oprogramowania w procesie wykonania prototypu jest ogromnie duże i cały czas się zwiększa, a im bardziej złożony projekt, im większe wymagania, tym potrzeba posiadania zaawansowanego oprogramowania projektowego jest mocniej zarysowana. Najbardziej perspektywiczne obszary aplikacyjne z punktu widzenia prototypowania to przygotowanie wizualizacji przestrzennej i poddanie go symulacji za pomocą wielu pakietów odpowiedzialnych za ocenę zjawisk elektromagnetycznych, termicznych, integralności sygnałowej i innych. Środowisko projektowe zapewnia obecnie wizualizację płytki w trzech wymiarach, projektowanie mechaniczne obudowy i rozwiązań połączeniowych z możliwością złożenia całości ze sobą (płytki, obudowy, wiązki).
Liczba narzędzi symulacyjnych szybko rośnie i patrząc na to, co dzieje się na rynku, należy oczekiwać, że tempo to jeszcze bardziej wzrośnie w kolejnej dekadzie. Rozwój symulatorów i zaawansowanych pakietów przyspieszył wraz z popularyzacją przetwarzania danych w chmurze (cloud computing), gdyż umożliwia to uzyskanie dużej mocy obliczeniowej niezbędnej do szybkich obliczeń złożonych zagadnień. Najbardziej znaczący postęp dotyczy zapewne kompatybilności elektromagnetycznej i symulacji cieplnych (rozkładu temperatury, chłodzenia na poziomie systemu). W tych dziedzinach symulacja przynosi bardzo spektakularne efekty. Rozwijają się też zagadnienia łączenia symulacji z rzeczywistymi pomiarami i modelowaniem fragmentu sprzętowego jeszcze niedostępnego w formie fizycznej.
Najważniejsze cechy oferty brane pod uwagę przy wyborze dostawcy/usługodawcy
Najważniejszym kryterium selekcji produktu i dostawcy usług w obszarze prototypowania elektroniki jest cena, dalej parametry, a na trzeciej pozycji uplasowała, się jakość i niezawodność. Krótki termin dostawy cały czas pozycjonowany jest wysoko na wykresie, zupełnie jakby problemy z niedostępnością i łańcuchami dostaw były cały czas dokuczliwe. Na kolejnych miejscach pojawiły się aspekty związane z długotrwałą współpracą z dostawcą, możliwość kompleksowej obsługi, kompetencje sprzedawcy i podobne czynniki, które praktycznie zawsze mają drugorzędne znaczenie. Wspólnym mianownikiem dla wyboru produktu jest to, aby uzyskać jak najwięcej funkcjonalności, elastyczności i możliwości możliwie najmniejszym kosztem.
Dostawcy produktów i usług
Firm związanych z tematyką prototypowania i produkcji małoseryjnej jest dość dużo, a rynek produktów usług jest bardzo szeroki, gdyż tak sformułowany temat jest podzbiorem dla szerszego kryterium, czyli produkcji elektroniki w ogólności. Stąd w naszym zestawieniu są duże firmy dystrybucyjne o szerokiej ofercie produktowej, jak TME, Masters, Conrad, które sprzedają narzędzia ręczne, stacje lutownicze itp., i zarazem dostawcy oprogramowania projektowego i narzędzi do prototypowania, jak Cadrex. Kolejna grupa charakterystyczna to dostawcy urządzeń do produkcji elektroniki i materiałów, tacy jak SMT- TECH, Loktech, Labem, Robtools. Firmy te mają szerokie oferty sprzętu różnej klasy i o różnym przeznaczeniu, w tym często rozwiązania specjalnie ukierunkowane na produkcję małoseryjną, jak np. urządzenia półautomatyczne wspomagające pracę ręczną lub combo (dwa w jednym).
Następna grupa to firmy kontraktowe produkujące elektronikę na zlecenie. Dla nich wytwarzanie prototypów jest naturalną częścią pracy i wiele firm ma do tego celu wydzieloną infrastrukturę. W realiach krajowych firmy tego typu produkują najczęściej średnie i krótkie serie, wielowariantowe rozwiązania produktowe, a część z nich angażuje się w usługi projektowe i ma niezłe zaplecze przygotowane pod tym kątem. Firmy takie często łączą projektowanie z produkcją małoseryjną i prototypowaniem.
Poza opisanymi zbiorami są też firmy, które trudno sklasyfikować w tym zestawieniu, jak firmy dystrybucyjne specjalizowane, producenci PCB, klawiatur, dostawcy aparatury do badań precompliance i wybranych urządzeń specjalistycznych. Przygotowanie produkcji urządzeń elektronicznych obejmuje wiele działań i procesów, stąd taka szeroka reprezentacja firm jest tutaj naturalna.
