Wprowadzenie na rynek jakiegokolwiek urządzenia wiąże się ze sporymi kosztami i ryzykiem bezpowrotnej utraty pieniędzy. Pierwsze wydatki pojawiają się już w momencie postanowienia o realizacji projektu. Trzeba bowiem stworzyć zespół ludzi i zapłacić za ich pracę, utworzyć dokładną listę potrzeb, przeprowadzić prace badawczo-rozwojowe. Gdy sprzęt jest już gotowy do dystrybucji, należy pokryć się kolejne koszty – logistyki, marketingu, zapewnienia wsparcia technicznego i certyfikacji.
Niezależnie jednak od tego, czy Twój produkt trafi do klienta końcowego, czy zostanie porzucony na etapie szkiców w programach do projektowania elektroniki i mechaniki urządzeń, przez cały czas trwania projektu będzie pojawiać się konieczność tworzenia kolejnych prototypów. Będą one coraz bardziej zaawansowane, zbliżając się funkcjami i wyglądem do urządzenia docelowego.
Jak dzielimy prototypy?
Możemy je kategoryzować na różne sposoby – ze względu na podejście do tworzenia, metodę prototypowania czy typologię. Każda kategoria określa inny aspekt procesu powstawania urządzenia.
Podział ze względu na podejście do tworzenia.
Prototypy tymczasowe (throw-away) – są prostymi modelami tworzonymi w celu wstępnego określenia możliwości realizacji projektu. Z ich pomocą można poznać wymagania, które produkt musi spełnić by stać się w pełni funkcjonalny. Prototypy tymczasowe mają ograniczone możliwości rozbudowy, odnoszą się do niewielkich komponentów finalnego urządzenia. Z tego powodu ich produkcja jest stosunkowo tania, ale raz wykonane modele nie przydają się na dalszych etapach projektowania – są wyrzucane, co podnosi koszt.
Prototypy ewolucyjne – służą do wytworzenia działającego produktu. Oznacza to spełnienie wymagań poznanych podczas procesu prototypowania tymczasowego. Urządzenie powstałe na tym etapie może stać się elementem rozwiązania końcowego, przekłada się na jego kształt. Jednocześnie, prototyp ewolucyjny może być modyfikowany w celu lepszego dostosowania się do wymagań. Jego konstrukcja, w przeciwieństwie do modeli tymczasowych, obejmuje wiele aspektów urządzenia finalnego, toteż m.in większość zastosowanych części powinna być zgodna z produktem końcowym.
Podział ze względu na metodę prototypowania.
Można tu wyróżnić kilka kategorii, począwszy od prostych szkiców utworzonych ołówkiem na kartce, a skończywszy na modelach wykonanych z utwardzanego laserowo proszku. Poniżej opiszę kilka istotnych metod wykorzystywanych podczas prototypowania.
Symulacja komputerowa – służy do badania zjawisk zachodzących w modelu bez konieczności posiadania go w wersji fizycznej. Aby ją zastosować, wymagane jest odpowiednie oprogramowanie i wydajna jednostka obliczeniowa. Dzięki operowaniu w domenie wirtualnej możliwe jest wprowadzanie zmian do projektu i sprawdzanie jego reakcji bez konieczności tworzenia fizycznych egzemplarzy. W ten sposób można znacząco zredukować koszty produkcji kolejnych modeli, a także przyspieszyć prace poprzez zlikwidowanie etapu produkcji kolejnych urządzeń. Obecnie, dzięki możliwości wynajmu szybkich maszyn obliczeniowych na przykład poprzez usługę Google Cloud, udało się zniwelować konieczność zakupu wysokowydajnych komputerów w sytuacji, gdy mają być używane sporadycznie. Miesięczny abonament za używanie jednostki posiadającej 128 GB RAM i 32 rdzenie procesora w ramach usług Google wynosi 782,63$ (stan na 04.11.2021), są też dostępne plany oferujące mniejszą ilość pamięci operacyjnej czy mocy obliczeniowej, istnieje też możliwość wynajmu szybkich maszyn od innych dostawców usług – na przykład Amazon. Dzięki temu symulacje komputerowe są obecnie jednymi z najtańszych form prototypowania. Należy jednak pamiętać, że nie zawsze są w stanie oddać 100% funkcjonalności urządzeń. Ogranicza je je bowiem architektura maszyny, na której są podejmowane, a także specyficzne wyjątki sprzętowe występujące w docelowych komponentach elektronicznych.
Prosty prototyp fizyczny – jest pierwszym krokiem do przekucia planów na realny, namacalny produkt. Jego podstawowym zadaniem jest pokazanie konkretnych funkcjonalności i sprawdzenie możliwości ich wprowadzenia. Na tym etapie planuje się wykorzystanie konkretnych rodzajów komponentów (jak mikrokontrolery czy silniki elektryczne), często korzystając z tanich gotowych półproduktów. Proste modele zamykane są w tanich obudowach uniwersalnych, oferujących niezbędne wyprowadzenia elektryczne. Cały schemat połączeń realizowany jest przy pomocy płytek prototypowych i przewodów połączeniowych. Ogromną zaletą tego rozwiązania jest możliwość modyfikacji projektu w czasie rzeczywistym oraz niski koszt realizacji. Wśród wad warto wymienić duże rozmiary, podatność na uszkodzenia i skomplikowanie. Wszystkie elementy są bowiem połączone nietrwale, a ogromna ilość przewodów utrudnia szybkie dotarcie do źródła problemu. Koszt utworzenia sprowadza się do cen komponentów, płytek i obudów – można zatem utworzyć taki model zamykając się w stu złotych, jak i osiągnąć pułap dziesięciokrotnie wyższy. Ze względu na poziom skomplikowania często proste prototypy obejmują ograniczony zakres funkcjonalności urządzenia końcowego. Skutkuje to koniecznością tworzenia niezależnych modeli dla każdego komponentu, lub grupy komponentów składających się na finalny produkt.
Zaawansowany prototyp fizyczny – zazwyczaj jest naturalnym następcą prostych modeli, aczkolwiek w przypadku mniej skomplikowanych urządzeń niekiedy można zacząć od tego etapu. Do jego wykonania często niezbędne są specjalistyczne narzędzia, jak drukarki 3D użyte w celu utworzenia obudowy. Zaawansowany prototyp cechuje się wyższym stopniem integracji niż prostsze modele. Zamiast „pajączka”, czyli gąszczu przewodów łączących komponenty, stosuje się płytki drukowane i likwiduje się zbędne elementy. W ten sposób można zredukować ilość przestrzeni zajmowanej przez urządzenie, jak i obniżyć podatność na awarie dzięki redukcji nietrwałych połączeń opartych na goldpinach. Zaletą zaawansowanych prototypów fizycznych jest możliwość porównania osiągniętego produktu z wymaganiami dotyczącymi urządzenia końcowego i ostateczne sprawdzenie, czy zakończenie projektu według pierwotnych założeń jest w ogóle możliwe. Do wad należy zaliczyć wysokie koszty produkcji takiego produktu, ponieważ nie opiera się on już na generycznych komponentach. Dodatkowo, wysoki stopień integracji i stosowanie PCB zamiast płytek prototypowych niemal uniemożliwia modyfikację, przez co próba wprowadzenia jakichkolwiek zmian w urządzeniu skutkuje koniecznością stworzenia kolejnego egzemplarza. Koszt realizacji takiego zaawansowanego/końcowego prototypu fizycznego jest relatywnie wysoki. Opłacalne jest zamawianie PCB w większych ilościach, ponieważ wtedy cena za jedną sztukę maleje. Przy zakupie pojedynczego egzemplarza należy liczyć się z wydatkiem rzędu 30 złotych. Idąc dalej, prosty projekt niewielkiej obudowy wykonanej technologią druku 3D to wydatek rzędu kilkudziesięciu złotych za sztukę, aczkolwiek przy zwiększeniu wymiarów produktu cena rośnie skokowo – jest to związane z koniecznością zastosowania większych, droższych maszyn. Doliczyć trzeba również koszt zaprojektowania obudowy w specjalnym oprogramowaniu inżynierskim – CAD (Computer Allied Design). Przy realizacjach o niewielkich gabarytach dobrym rozwiązaniem może okazać się zakup własnej drukarki 3D, jest to wydatek rzędu 3000 złotych.
Podział ze względu na typologię.
Proof of Concept – skupia się głównie na projekcie, konstrukcji i działaniu finalnego urządzenia. Pozwala określić sposób działania gotowego urządzenia, bez skupiania się na jego obsłudze czy wyglądzie. W praktyce jego realizacja sprowadza się do utworzenia wstępnych założeń i projektu na papierze, symulacji komputerowej lub prostego urządzenia.
Prototyp użyteczności – skupia się przede wszystkim na doświadczeniach użytkownika w momencie, gdy technologie i funkcjonalności zostają już ustalone. Często sprowadza się to do udostępnienia urządzeń grupie testerów (na przykład pracownikom) i zbieranie od nich informacji zwrotnej. Jest dość kosztownym procesem. Można go przeprowadzić poprzez zatrudnienie specjalistów od UX za 100-150 złotych za godzinę pracy nad projektem, albo wydać jakiejś grupie kontrolnej gotowe urządzenia i zbierać informacje zwrotne – ale w takiej sytuacji trzeba liczyć się z koniecznością wyprodukowania sporej ilości prototypów uwzględniających sugerowane przez testerów zmiany.
Ile kosztuje działający prototyp elektroniczny?
Najdokładniejsza odpowiedź brzmi – to zależy. Statystycznie, prototypowanie może odpowiadać aż za 80% całkowitych kosztów związanych z badaniami, rozwojem i designem. Wynika to z faktu, że na różnych etapach rozwoju tworzone są kolejne urządzenia o coraz większym stopniu skomplikowania. Odpowiadając na pytanie o cenę działającego prototypu elektronicznego nie można ograniczać się do ceny wyprodukowania sprzętu, który jest gotowy do masowej produkcji. Zamiast tego należy zsumować koszty poniesione na rzecz wszystkich prototypów, które powstały przed tym finalnym urządzeniem.
Sam wynajem maszyny służącej do wykonania symulacji komputerowych to ponad 3000 złotych miesięcznie, ewentualny zakup własnego urządzenia o zbliżonych parametrach to wydatek rzędu nastu tysięcy. Doliczmy do tego kilka prostych prototypów fizycznych odpowiadających na różne kluczowe dla projektu pytania, i już możemy dodać kolejne dwa tysiące złotych. Jeśli przejdziesz do etapu urządzeń o wysokim stopniu integracji, to przy założeniu braku własnej drukarki 3D każda kolejna obudowa będzie kosztować co najmniej kilkadziesiąt złotych, podobnie wygląda kwestia elementów dyskretnych, natomiast zakup mikrokontrolerów to już wydatek 10-150 złotych za sztukę. Te wyliczenia zakładają optymalizację kosztów – na przykład obudowy wykonywane z metali byłyby kilkukrotnie droższe od tych z żywicy czy proszku. Okazuje się, że aby przygotować w pełni działający prototyp elektroniczny, trzeba liczyć się z kosztami rzędu około 10 tysięcy złotych. Nie jest to wartość uniwersalna, potrafi różnić się w zależności od rodzaju urządzenia – niektóre zwyczajnie są mniejsze lub na tyle proste, że nie potrzebują pakietu osobnych prototypów dla każdej funkcjonalności. Na pewno koszt obniży też skorzystanie z usług profesjonalnej firmy zewnętrznej, która prototypuje na co dzień. Napisz do nas – chętnie zapoznamy się z Twoimi wymaganiami i indywidualnie ustalimy cenę realizacji zlecenia.
Jak prototypujemy urządzenia?
W MIPSO podchodzimy do każdego klienta indywidualne. Jeżeli zleceniodawca ma pieniądze i czas na badania i rozwó,j to proponujemy mu pełną ścieżkę stworzenia prototypu. Zawiera ona zarówno symulacje, proste prototypy tymczasowe jak i prototyp finalnego urządzenia. Na każdym etapie konsultujemy z klientami postęp prac, możliwe zagrożenia oraz dostępność elementów potrzebnych do ukończenia projektu. Następnie wspólnie z klientem decydujemy, czy aktualna wersja prototypu powinna zostać dokończona i trafić do produkcji, czy może decydujemy się na kolejną iterację projektu.