Narzędzia i usługi do prototypowania elektroniki – szeroka oferta usług i produktów

Prototypowanie jest częścią procesu projektowania urządzeń elektronicznych i pełni funkcję punktu kontrolnego między etapem komputerowych przygotowań i symulacji a produkcją seryjną. Pozwala na weryfikację konstrukcji, a zwłaszcza na sprawdzenie, czy spełnia ona wymagania nakładane przez normy, np. te w zakresie EMC. Wraz z każdą rynkową rewolucją, nowymi ciekawymi technologiami i rozwiązaniami, proces projektowania staje się trudniejszy i wymaga od projektantów coraz więcej doświadczenia i wiedzy.

Projektantom potrzebna jest orientacja w nowościach technologicznych, znajomość najnowszych rozwiązań wykorzystywanych przez konkurencję czy też wiedza na temat niezbędnych badań i procedur prawnych, dopuszczających urządzenie elektroniczne na rynek od strony formalnej. To dlatego, że współczesne systemy łączą w jednym produkcie wiele technologii, np. komunikację, obróbkę cyfrową sygnału, grafikę albo też obwody dużej mocy z niskosygnałowymi czujnikami itd. Są tym samym złożone od strony sprzętowej. Taką wiedzę mają duże firmy dysponujące wieloosobowym zespołem inżynierów, co pozwala im na specjalizację i podział kompetencji. Coraz rzadziej daje się też zachować ogólny profil i znać dobrze na wszystkim. Nierzadko każdy większy i bardziej złożony projekt wymaga istotnego pogłębienia wiedzy.

Mniejsze firmy, w tym z reguły większość startupów, szuka na rynku wsparcia w zakresie projektu i prototypowania, a w dalszej kolejności certyfikacji, m.in. u producentów EMS lub w wyspecjalizowanych biurach inżynierskich. W każdym przypadku, a więc projektowania we własnym zakresie lub z wykorzystaniem biura, projekt oznacza spore koszty, które trzeba ponieść na przygotowanie założeń, wykonanie części sprzętowej, przygotowanie oprogramowania, a potem dopiero na prototyp i jego badania.

W naszych ankietach sygnalizowano nam wielokrotnie, że firmy nie są przygotowane na duże wydatki w tym zakresie. Część potencjalnych klientów, pytających o projekt elektroniki, nie zdaje sobie sprawy, że certyfikacja kosztuje, oraz że wdrożenie produktu wymaga spełnienia norm, a co za tym idzie, przeprowadzenia kosztownych badań potwierdzających ich spełnienie. W Polsce często zdarzają się klienci, którzy nie do końca wiedzą, czego chcą, ale chcą mieć to zrobione najtaniej i najszybciej – najlepiej na wczoraj. Nie potrafią sprecyzować swoich oczekiwań, poza tymi, że oczekują jak najtańszej usługi. Stąd biura inżynierskie stanowią cały czas biznes, który niezmiennie od lat dobrze zapowiada, a rynek w części opiera się na freelancerach pracujących na zlecenie takich klientów lub firm EMS. Są to osoby prywatne nieprowadzące firmy i przeważnie działające na nielegalnym oprogramowaniu, na przykład w domu po godzinach normalnej pracy zawodowej. Ceny oferowane przez nie są bezkonkurencyjne – gdyż nie mają niemal żadnych kosztów. Oczywiście możliwości realizacji zleceń przez takie osoby zawsze były i zapewne będą, ale w sumie osoby te nie mogą przebić się poza drobne niszowe projekty dla mało wymagających klientów. Ich znaczenie na dojrzałym rynku byłoby pomijalne, natomiast w sytuacji, gdy cena usługi jest często najważniejszym parametrem selekcji, a rynek jest jeszcze młody i brakuje na nim dużych dobrze opłacanych zleceń od największych firm, osoby te tworzą dolny cenowy pułap odniesienia dla rynku.

Problemy pogłębiają się też na skutek zmian na rynku pracy inżynierów. Na całym świecie brakuje specjalistów zajmujących się układami analogowymi, ale i w wielu innych dziedzinach elektroniki dobry i doświadczony inżynier jest na rynku poszukiwany. A przecież konstruktorzy to elita elektroniki.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

W rozwoju rynku urządzeń, sprzętu, narzędzi przeznaczonych do wspomagania prac projektowych w obszarze prototypowania przeszkadzają w największym stopniu tanie produkty chińskie. Wiele z nich łączy niską cenę z kiepską jakością. Są one nietrwałe, niedostatecznie precyzyjne, wykonane ze słabych materiałów, przez co szybko się zużywają, nie zapewniają pożądanej precyzji i po krótkim czasie muszą być wymienione na nowe, ale są tanie i dostępne. Na kolejnych miejscach wymieniono czynniki, które mają systemowy charakter i związane są ogólnie z rynkiem elektroniki w Polsce, a niekoniecznie z samym obszarem prototypowania, w tym kłopoty z pozyskaniem kadry, silna konkurencja, oszczędności inwestycyjne itd. Wynika to z tego, że omawiane produkty są częścią (podzbiorem) ofert handlowych tworzonych pod kątem produkcji i podlegają tym samym uwarunkowaniom.

PROTOTYPOWANIE WYMAGA INFRASTRUKTURY

Rozwój technologii wymusza inwestycje w prototypowanie, bo wszystko jest mniejsze, delikatniejsze i coraz mniej można dokonać bez dysponowania odpowiednimi narzędziami i urządzeniami. Fizyczne wykonanie prototypu jest trudniejsze, bo elementy elektroniczne są na tyle małe, że wyklucza to montaż ręczny. Konieczne są mikroskopy, lupy nagłowne, precyzyjne narzędzia oraz także urządzenia, które pozwalają na zmontowanie małej serii płytek przy możliwie prostej konfiguracji i dużej elastyczności działania. Elementów elektronicznych na płytkach drukowanych jest więcej i są one coraz mniejsze. Wymiana pojedynczego kondensatora lub rezystora staje się dzisiaj wielkim wyzwaniem, bo nieuzbrojonym okiem trudno jest cokolwiek dostrzec. Widać to w ofertach dostawców, bo lupy, lampy z wbudowaną lupą, mikroskopy (tradycyjne i cyfrowe) wysuwają się na czołowe miejsca w hierarchii potrzeb. Sprzęt poprawiający komfort pracy ze zminiaturyzowaną elektroniką, a więc także chwytaki, ssawki, manipulatory, końcówki, staje się tak samo ważny, jak przyrządy pomiarowe.

Z drugiej strony mamy coraz lepsze oprogramowanie projektowe i symulacyjne, w tym narzędzia do wizualizacji przestrzennej oraz do mechaniki. Są liczne symulatory: elektryczne, elektromagnetyczne, do symulacji warunków termicznych, dzięki czemu wiele szczegółów konstrukcji daje się ustalić i dopracować przed wykonaniem fizycznego prototypu.

Te dwa zjawiska są do siebie przeciwstawne, niemniej nawet przy doskonałych wizualizacjach w 3D i symulacjach dochodzi do momentu, że trzeba przetestować konstrukcję na żywo. Taki prototyp może wykonać firma EMS lub można go zrobić we własnym zakresie. Konkretne rozwiązanie i wybór zależą od wielu czynników, np. posiadanych umiejętności, parku maszynowego, zaawansowania technologicznego projektu itd.

Najważniejsze zjawiska pozytywne

 

Za najbardziej istotne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku produktów i usług niezbędnych do prowadzenia prac prototypowych uznano nowe aplikacje i zastosowania elektroniki, a w drugiej kolejności wzrost nacisku na jakość. Ten drugi czynnik wymusza na producentach elektroniki większą dbałość o dopracowanie techniczne projektów, np. badania przedcertyfikacyjne, testy bezpieczeństwa i w naturalny sposób powoduje, że prototypów wykonuje się znacznie więcej niż jeden. Nowe aplikacje często wymuszają inwestycje w rozwój parku maszynowego i technologii produkcji, bo niosą ze sobą miniaturyzację, nietypowe wymagania, zastosowania lub też konieczność spełnienia norm branżowych. W takiej rzeczywistości sprzętu potrzeba coraz więcej.

WYSOKA JAKOŚĆ JEST ZAWSZE POŻĄDANA

Ogólną tendencją w branży elektroniki jest zainteresowanie wysoką jakością produktów. Dla projektantów oznacza to dopracowanie szczegółów, gruntowne przetestowanie itp. zabiegi, do których prototypy są niezbędne. Do tego dochodzi przestrzeganie norm. Mimo że nie słychać zbyt wiele o karach za wprowadzanie na rynek niespełniających wymagań produktów ani też o tym, żeby któryś z producentów elektroniki został przymuszony do wycofania z rynku wadliwych urządzeń, zainteresowanie tym, aby sprzęt elektroniczny spełniał wymagania prawne, staje się faktem. Firmy przekonują się, że dbałość o certyfikację oraz zgodność z normami się opłaca.

Najbardziej perspektywiczne obszary aplikacyjne z punktu widzenia prototypowania

 

Za najbardziej perspektywiczne obszary aplikacyjne związane z urządzeniami i narzędziami do prototypowania elektroniki uznano obszar inteligentnego domu, IoT, a także rozwiązania dla przemysłu. Są to tematy, w których w ostatnich latach pojawia się wiele nowości produktowych, a liczne krajowe firmy kierują tam swoją aktywność, także te mniejsze bez rozbudowanego zaplecza produkcyjnego. IoT jest też jednym z najbardziej popularnych kierunków rozwoju wybieranych przez startupy.

Prototypów wykonuje się coraz więcej i dzieje się tak ,pomimo istnienia coraz lepszych symulatorów, oprogramowania do wizualizacji przestrzennej, projektów mechanicznych i podobnych. Te dodatkowe prototypy zwykle dotyczą obszaru badań, a więc testów w zakresie kompatybilności, bezpieczeństwa elektrycznego i oceny środowiskowej z uwagi na prowadzone badania precertyfikacyjne zwykle testy prowadzą do mniejszych lub większych poprawek konstrukcyjnych.

Rośnie też świadomość klientów co do znaczenia jakości, a wiele krajowych firm pracuje na rzecz partnerów i kontrahentów z krajów Europy Zachodniej, co często oznacza konieczność utrzymania wysokiego poziomu obsługi.

PRODUKTY NIE MAJĄ CHARAKTERU SPECJALIZOWANEGO

Na rynku nie ma produktów, które by były ściśle przystosowane do prototypowania elektroniki i w rzeczywistości wykorzystuje się to, co jest dostępne na rynku do prac serwisowych, do reworku podczas produkcji. Prototypowanie łączy się tematycznie z serwisem produkcyjnym lub gwarancyjnym, bo wiele działań w tych obszarach jest do siebie podobnych.

Najważniejszy jest z pewnością sprzęt do lutowania, narzędzia i sprzęt do manipulowania układami oraz wsparcie dla wzroku (lupy, mikroskopy). W tym obszarze na rynku jest wiele tanich produktów chińskich sprzedawanych na dziesiątkach platform handlowych w Internecie jako marki własne przez duże firmy dystrybucyjne, przez co segment ten jest niewątpliwie trudny od strony biznesowej.

Omawiany sektor rynku tworzony jest przez wiele, nierzadko drobnych produktów i jednostkowe usługi. Jest to na tyle szeroki asortyment produktów i usług, że zdecydowana większość przedsiębiorstw nie ma kompleksowej oferty w tym zakresie, a wiele wręcz nie konkuruje ze sobą. W ostatnich latach widać, że rynek kieruje się ku specjalizacji, w miejsce przypadkowych wyrobów i adaptowanych urządzeń pojawiają się wersje skonstruowane specjalnie pod kątem potrzeb przemysłu elektronicznego.

Tytułowy sprzęt nie wydaje się może na pierwszy rzut oka bardzo wartościowy, niemniej w rzeczywistości stanowi cenny dodatek zapewniający kompleksowość ofert w wielu przedsiębiorstwach. Jest to też sektor rynku, w którym krajowe firmy próbują swoich sił jako producenci, wytwarzając wybrane niszowe wyroby.

Czynniki sprzyjające popytowi na usługi i produkty związane z prototypowaniem

 

Im więcej realizowanych projektów, im bardziej specjalistyczne urządzenia, im większe znaczenie rozwiązań szytych na miarę, tym znaczenie prac związanych z prototypowaniem elektroniki jest większe. Płytka prototypowa formalnie odpowiada pod względem zaawansowania technologii i użytych rozwiązań technicznych seryjnie produkowanemu urządzeniu, więc rosnąca złożoność urządzeń przekłada się na rozwój rynku produktów kierowanych w takie obszary. Koszt pracy inżynierskiej także się zwiększa, stąd odchodzi się od ręcznego montażu, zwłaszcza że rzadko kiedy projekt kończy się na przygotowaniu jednego prototypu.

MONTAŻ SMT – NAJWAŻNIEJSZY PROCES ZWIĄZANY Z PROTOTYPAMI

Po stronie urządzeń najtrudniejszą do opanowania część stanowi montaż SMT. Zmontowanie płytki wymaga nałożenia pasty lutowniczej na pola kontaktowe, ułożenia elementów a następnie nagrzania całości w piecu, aby pasta się stopiła i zlutowała połączenia. Do nakładania pasty używa się metalowego szablonu, a więc arkusza blachy stalowej, w której wykonane są otwory, przez które pasta jest nanoszona w docelowe miejsce.

Ogólnie i z perspektywy wygląda to prosto i łatwo, niemniej w praktyce jest to skomplikowana operacja. Po pierwsze wykonanie szablonu do nakładania pasty kosztuje i wykonanie go do wyprodukowania kilku sztuk produktu znacząco podraża cenę usługi. W takim przypadku korzysta się raczej z drukarek, które nakładają pastę kolejno na poszczególne pady. Do układania elementów konieczny jest automat pick & place lub przynajmniej urządzenie półautomatyczne. Wymaga przygotowania do działania (zaprogramowania) i uzbrojenia w elementy, a lutowanie w piecu wymusza stworzenie tzw. profilu, czyli rozkładu temperatur i tempa grzania/chłodzenia. Potem płytkę trzeba skontrolować, czy montaż jest perfekcyjny. Przygotowanie produkcji zabiera czas i wymaga wysiłku. Z tych przyczyn firmy EMS mają często drugą linię produkcyjną do prototypów, aby nie przerywać normalnej produkcji. Linia do prototypów bazuje często na specjalnych urządzeniach o funkcjonalności dopasowanej do takich zadań (np. drukarka pasty i automat w jednym).

USŁUGI ZWIĄZANE Z PROTOTYPOWANIEM

Lepiej sytuacja wygląda po stronie usług. Pod kątem prototypowania dostępne są ekspresowe usługi wykonania płytek drukowanych, wydruki 3D do obudów, druk cyfrowy treści płyt czołowych, obróbka CNC detali mechanicznych i podobne. Usługami dopasowanymi do wymogów prototypowania są także montaż krótkich serii płytek oferowany przez firmy kontraktowe.

Kolejna część związana jest z projektowaniem układu elektronicznego, płytki drukowanej, tworzeniem modelu komputerowego obudowy. Ten obszar to domena biur inżynierskich.

W dalszej kolejności można wymienić usługi związane z badaniami urządzeń. Chodzi o kontrole wykonywane podczas procesu projektowania, które mają na celu sprawdzenie możliwie jak najwcześniej, czy czegoś nie trzeba poprawić lub zmienić, bo np. wychodzą 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. 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. Jak widać z tego skrótowego opisu, usług kierowanych w stronę przygotowania prototypów jest dość dużo.