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Entstehung eines elektronischen Gerätes

Eine Entwicklung eines elektronischen Gerätes oder einer elektronischen Komponente bringt viele zu berücksichtigende Aspekte mit sich, erfordert weitgehendes Know-How und eine umfangreiche Infrastruktur. Wir berücksichtigen daher jeden Aspekt bereits zu Beginn und bewerten diesen hinsichtlich des Projektes. Während des gesamten Projektes profitieren Sie von unserem Know-How, unserer Infrastruktur und unserer Erfahrung.



Um einen Einblick in die Entwicklung zu geben, möchten wir nachfolgend einige - nicht alle - Aspekte, deren Abhängigkeiten und Fachbegriffe erläutern. Beachten Sie bitte, dass je nach Projekt nicht zwingend alle aufgeführten Aspekte zum Tragen kommen. So ist beispielsweise Schema/Layout und Bestückung nicht notwendig, wenn ein Projekt ohne kundenspezifische Elektronik umgesetzt wird.


Lastenheft / Grobe Spezifikation

In einem Lastenheft spezifiziert der Kunde sein Bedürfnis grob. Je nach kompexität des Vorhabens kann ein Lastenheft kurz oder bereits sehr umfänglich ausfallen. Wir untersuchen dieses Lastenheft und stellen wenn nötig Rückfragen. Darauf basierend erstellen wir entweder eine Make or buy Analyse, schlagen eine Machbarkeitsprüfung vor oder erstellen ein Pflichtenheft. Bei Kleinstprojekten ist evtl. eine Abkürzung sinnvoll und wir beginnen direkt mit dem Design.

Das Lastenheft kann der Kunde entweder anliefern oder in einem Gespräch gemeinsam mit uns erstellen. Wir bieten dabei gerne Unterstützung.

Make or buy

So simpel es klingen mag, am Anfang einer neuen Entwicklung steht immer die Frage "make or buy" (Zu deutsch im Kontext der Elektronik-Entwicklung in etwa "Entwickeln oder Kaufen"). Auch unbewusst und in anderen Lebenslagen stellen wir uns tagtäglich diese Frage. Folgende make or buy Varianten ergeben sich:

  1. Oft kann ein Standardprodukt ohne Kompromisse eingesetzt werden.
  2. Manchmal wird ein Kompromiss oder ein fehlendes Feature akzeptiert.
  3. In einigen Fällen kann ein Produkt angepasst werden.
  4. In wieder anderen Fällen kann eine Erweiterung an einem Produkt die Bedürfnisse erfüllen.
  5. Und manchmal ist die Entwicklung eines kompletten Produktes unabdingbar.

Oft lässt sich ein Problem nicht ohne weiteres einem dieser 5 Punkte zuweisen, da die am Markt verfügbaren Produkte und Möglichkeiten nicht direkt sichtbar sind -  ein Evluationsprozess ist notwendig. In dieser Phase sind wir bereits Ihr Partner und liefern Entscheidungsgrundlage, wenn möglich auch mit verschiedenen Varianten, bzw. Lösungsansätzen. Auf Basis dieser Entscheidungsgrundlage können Sie dann entweder mit Punkt 1 oder 2 Ihr Vorhaben umsetzen. Entscheiden Sie sich für eine Lösung gemäss Punkt 3 bis 5, sind wir Ihr zuverlässiger Partner für die Weiterführung des Projektes.

Machbarkeitsprüfung

Sind im Lastenheft Punkte sichtbar, deren Machbarkeit noch unklar ist, schlagen wir eine Prüfung vor. Unter Umständen prüfen wir verschiedene Verfahren. Dabei sind wir wenn nötig auch kreativ und gehen neue Wege, um auf den ersten Blick unlösbares lösbar zu machen. Ist die Machbarkeit gegeben, beginnen wir mit dem Pflichtenheft oder je nach Projektkomplexität direkt mit dem Design.

Pflichtenheft / Genaue Spezifikation

Das Pflichtenheft legt die genaue Umsetzung fest. Es spezifiziert das zu entwickelnde Produkt genau.

Beispiel, grobe Spezifikation in einem Lastenheft: "Der Benutzer kann durch Drücken eines Tasters einen Messbericht erstellen."

Wird zur detaillierten Spezifikation im Pflichtenheft: "Wenn der Taster A auf der Folientastatur gedrückt wird, wird ein PDF mit den Angaben Datum, Mitarbeiter, Temperatur, Druck erstellt, welches wie folgt aussieht:"

Entsprechend ist sowohl für den Kunden als auch für uns klar, wie das Produkt umgesetzt wird. Dies gibt Sicherheit für beide Parteien: Der Lieferant muss sich daran halten und der Kunde weiss, was er am Schluss erwarten kann. Da nachträgliche Anpassungen oft sehr aufwändig sind und bei fehlender genauer Spezifikation mehrfach vorkommen würden, können dank Pflichtenheft, Aufwände und Lieferfristen eingehalten werden.

Selbstverständlich haben wir auch nach dem Pflichtenheft noch ein offenes Ohr für Ihre neuen Ideen. Sollten diese nicht direkt einfliessen können, sammeln wir Ideen/Features/Wünsche in einem Projektkatalog, um diese nicht aus den Augen zu verlieren. Zu gegebenem Zeitpunkt kann dann eine Auslegeordnung und Beurteilung dieser erfassten Punkte erfolgen.

Design

In der Designphase entstehen Dokumente, welche die im Pflichtenheft genau spezifizierten Sachverhalte technisch umsetzbar spezifizieren. Dies sind, je nach Projekt Blockdiagramme, Konstruktionszeichnungen oder UML-Diagramme.

Designverifikations-Dokument

Bereits während oder sogar vor der Designphase wird sichtbar, welchen Anforderungen das finale Produkt entsprechen muss. Die in der abschliessenden Designverifikation durchzuführenden Tests und die dazugehörigen erwarteten Testergebnisse werden daher bereits jetzt erfasst.

Komponentenevaluationen

Es gibt Komponenten, bei denen lohnt sich (je nach schlussendlicher Stückzahl) eine Evaluation gar nicht. Als Beispiel können hier SMD Widerstände genannt werden. Komplexere oder teurere Komponenten müssen jedoch sorgfältig evaluiert werden, denn es gibt einiges zu Berücksichtigen. Ein paar Beispiele hierzu: Langzeitverfügbarkeit, Kosten, Lieferanten, Lieferfristen, Spannungs- und Stromwerte, sowie Temperaturbeständigkeit.

Design, Schema / Layout

Im CAD entsteht ein Schema der elektronischen Schaltung, aus welchem anschliessend das Layout für die Leiterplatte entwickelt wird. Moderne CAD erlauben uns sogar die Erstellung von 3D Modellen.

Firmware / Software

Selten kommt eine Elektronik ohne Software aus. Im Minimum steuert oder regelt eine Software gewisse Vorgänge der Elektronik. Weiter kann die Elektronik auch eine Webapplikation enthalten, wodurch sie in Netzwerke eingebunden werden kann. Die Elektronik kann dadurch mit Computern, anderen Elektroniken oder Mobilen Geräten wie z.B. Smartphones kommunizieren.

Weitere Informationen zu unserem Softwareentwicklungs-Angebot finden Sie hier.

Prototypenproduktion (Elektronik)

Eine Prototypenproduktion lohnt sich in aller Regel, bevor ein Produkt in die Serienproduktion oder in die 0-Serie geht. Dadurch kann die Inbetriebnahme und die Designverifikation durchgeführt werden. Zudem kann der Prototyp ausgiebig getestet werden und letzte Knackpunkte und "Kinderkrankheiten" können ausgemerzt werden. Ansonsten würden diese auf sämtliche Geräte einer Serie kopiert werden. Im Besten Fall sind dies Unschönheiten, im schlimmsten Fall aber fehlt dem Kunden eine unabdingbare Funktion, die er im Lasten- und Pflichtenheft schlichtweg vergessen hat.

Inbetriebnahme

Nach dem Prototypenbau wird der elektronische Teil als einzelne Komponente in Betrieb genommen.

Prototypenbau (Einbau in komplettes Gerät, falls möglich/nötig)

Soll der Prototyp noch zu einem gesamten Gerät verbaut werden, erfolgt dies nun. Elektronik kann in ein Gehäuse verbaut und/oder Teil einer weiteren Elektronik sein. Diese Teile werden nun zu einem "Komplettgerät" miteinander verbaut.

Designverifikation

Nun kommt das zu Beginn erstellte Designverifikations-Dokument zum Einsatz. Sämtliche Anforderungen werden geprüft: Sind die Funktionen vorhanden? Sind die Testergebnisse im erlaubten Bereich?

Getestet werden beispielsweise: Spannungen, Ströme, Reaktionszeiten, Temperaturen, Sicherheitsabstände, mechanische Stabilität, Funktionen gemäss Kundenanforderungen, usw.

EMV / Zertifizierungen

EMV, Kurzform für "Elektromagnetische Verträglichkeit" (englisch EMC für electromagnetic compliance), bedeutet:

  • Ein Gerät lässt sich durch fremde Geräte nicht stören
  • und es stört selbst die Funktion fremder Geräte nicht.

Entsprechend pro Gerätetyp erhältliche Normen legen die dazu notwendigen Maximalwerte und den Messaufbau fest.

Geprüft wird unter anderem:

  • Lässt sich ein Gerät stören durch "Funk-Signalen" von anderen Geräten, deren Abstrahlung noch im erlaubten Bereich ist?
  • Lässt sich ein Gerät stören durch elektrostatische Entladungen, die durch Menschen bei Berührung des Gerätes verursacht werden können?
  • Sendet das Gerät störende "Funk-Signale" aus, die andere Geräte stören könnten?
  • Funktioniert das Gerät noch, wenn störende Überspannungsimpulse (wie diese z.B. bei Fahrzeugmotorstart vorkommen) auftreten?

Weitere Anforderungen können, je nach Gerätetyp, auch Umwelt-Zertifizierungen beinhalten: Vibration, Wasser, Sand, Salzwasser, ...

Wir weisen zu Beginn einer Elektronik-Entwicklung auf die alfällig gesetztlich erforderlichen Zertifizierungen hin, die in einem akkreditierten Messlabor nachgewiesen werden müssen.

EMV-Massnahmen sin sehr komplex, vielfältig und immer ein Kompromiss, denn eine Massnahme zur Reduktion einer Problematik hat negative Auswirkungen auf einen anderen EMV-Aspekt. Da EMV konzeptionell berücksichtigt werden muss, beginnen wir früh mit dem Miteinbezug.

Redesign / Anpassungen für finale, produktiv einsetzbare Version

Nach der Designverifikation und nach dem ausgiebigen Testen des Prototypen durch den Kunden, und evtl. auch durch EMV-Messresultate, werden nun die notwendigen Änderungen vorgenommen, damit erreicht das Produkt meist einen serienreifen Zustand.

Testadapter / Testgeräte

Meist denkt der Kunde erst daran, wenn er mit dem Produkt vor der Serienproduktion steht: Irgendwie müssen die Produkte nach der Produktion auch auf die Funktion geprüft werden. Je nach Serienlosgrösse kann ein schnell oder parallel durchzuführender Test hohe Kosten einsparen und die Qualität steigern. Wir berücksichtigen die Herstellung von Testgeräten und Testadaptern, sowie die "Serientestbarkeit" des Produktes von Beginn an.

Produktionsanweisungen / Produktionsunterlagen

Praktisch immer gibt es in der Produktion zu berücksichtigende Punkte. Evtl. ist ein genauer Fertigungsablauf erforderlich. Die Produktionsanweisung gibt darüber Auskunft.

Dokumentationen

Die Design-Dokumente, Schema, Layout und Kommentare in der Software sind meist bereits sehr aussagekräftig. Dennoch gibt es Eigenheiten, Entscheide die aufgrund von Gegebenheiten gefällt wurden, die später unklar sein können oder Informationen über das "Zusammenspiel" eines Produktes, die in einer Dokumentation zusammengefasst werden müssen. Die Dokumentation ist ein paralleler Prozess während der gesamten Entwicklung.

Datenblatt- / Manualerstellungen

Der Kunde kann wählen, ob er Datanblätter und Manuals für den Kunden selber erstellen möchte, oder ob er dies uns überlassen will.

Serienproduktion

In der Serienproduktion werden mehrere Geräte auf einmal gefertigt, was tiefere Produktkosten zur Folge hat. Meist geht der Serienproduktion eine sogenannte 0-Serie (Nullserie) voraus, in der quasi auch die Serienproduktion "getestet" wird. Der hauseigene SMD-Bestückungsautomat (Pick and Place Maschine) erlaubt für unsere Kunden eine kostengünstige, flexible und schnelle Produktion von Prototypen, 0-Serien und Serien.

Mechanik / Gehäuse / Gehäusebearbeitung / Beschriftungen

Falls das Gehäuse Projektbedingt nicht bereits vorgegeben ist, sollte dieser Aspekt in einer sehr frühen Entwicklungsphase mitberücksichtigt werden. Dadurch kann ein späteres Redesign aufgrund mechanischer Probleme komplett vermieden werden.

Bei der inventlab GmbH steht ein grosses Sortiment an Gehäusesamples bereit. Dadurch kann der Kunde die Gehäuse in die Hand nehmen und das passende für seine Anwendung auswählen. Findet er darunter das passende Gehäuse nicht, kann er aus dem noch grösseren Sortiment unserer Lieferanten auswählen, wobei natürlich auch hier Musterlieferungen möglich sind. Befindet sich auch darunter das passende Gehäuse nicht, entwickeln wir gemeinsam mit unseren Konstrukteuren und Partnern das passende Gehäuse, ganz nach Kundenwunsch.

Natürlich ist für kleinere Stückzahlen die Wahl eines Standard-Gehäuses die kosteneffizienteste Variante. Das heisst nicht, dass Ihr Produkt wie jedes andere aussieht, denn kundenspezifische Bearbeitung, Frontplatten, Folientastatur, Lackierung und Beschriftung des Gehäuses ist auch bei Standardgehäusen möglich. Da in unserer Werkstatt eine CNC-Fräsmaschine bereitsteht, können viele Bearbeitungen direkt und bereits beim ersten Prototypen in unserem Hause erfolgen. Dadurch wird Ihr Produkt auch mit einem Standardgehäuse einzigartig.

Bei der Evaluation des Gehäuses sollte auch der Aspekt EMV / Zertifizierungen mitberücksichtigt werden.



Glossar

Stückliste

Die Stückliste enthält Informationen über die zu verbauenden Komponenten. Darunter sind meist unter anderem: Bezeichnung, Herstellerbezeichnung, Menge, Preis, Lieferant, Lieferantenartikelnummer. Es ist desweiteren möglich, dass auf einer Stückliste Komponenten enthalten sind, denen wiederum eine Stückliste zugrunde liegt.

Anhand der Stückliste kann sowohl der Einkauf der Komponenten erfolgen, als auch die Produktpreiskalkulation.

Um bei späteren Änderungen wieder eine vollständige Stückliste generieren zu können achten wir darauf, alle Komponenten im CAD zu erfassen. Die Stückliste kann durch dieses sorgfältige Vorgehen anschliessend vom CAD automatisch generiert werden.

CAD

Mit einem ECAD (eletronic CAD) können Schema, Layout, Stücklisten, sowie 3D Modelle erstellt werden. Zudem können in den Libraries die Bauteile verwaltet werden. Wir erfassen in der Library sämtliche Daten zu einem Bauteil. Dadurch sind bei der Generierung der Stückliste bereits wichtige Informationen wie Bauteil-Artikelnummer, Bauteil-Preis, Temperaturbereich, Toleranzen usw. vorhanden. Eine Materialbestellung für die Prototypenproduktion oder die Serienproduktion kann dadurch umgehend erfolgen und eine mühsame nachträgliche Zuweisung von Bauteil zu Artikel entfällt. Der sorgfältige Aufbau einer solchen Library ist initial sehr aufwändig, lohnt sich aber im Endeffekt für unsere Kunden und zahlt sich aus, da die Informationen wiederverwendet werden können. Die Möglichkeiten mit einem ECAD gehen noch viel weiter, so können Beispielsweise auch Schaltplanteile (Snipets) in mehreren Projekten wiederverwendet werden.

Mit einem MCAD (mechanical CAD) können Mechanik / Gehäuse / Gehäusebearbeitung / Beschriftungen entwickelt werden. Durch 3D Modelle sieht der Kunde bereits im Entwicklungsprozess wie sein Produkt aussehen wird. Falls gewünscht können mit 3D Druck sogar Prototypen ausgedruckt werden.

Leiterplatte

Eine Leiterplatte (englisch: printed circuit board, kurz PCB) ermöglicht quasi das Drucken einer elektronischen Schaltung. Ein PCB kann heute sehr komplex mit mehreren Lagen und mit sehr feinen Strukturen hergestellt werden. Abhängig von Spannungen, Strömen, der Komplexität der Schaltung, den Platzeinschränkungen, den gewünschten Lieferfristen und natürlich den Stückzahlen, kann ein PCB sehr günstig bis sehr teuer produziert werden. Wir designen daher die Leiterplatte so, dass diese Aspekte in optimalem Verhältnis stehen. Leiterplatten werden in unterschiedlichen Ländern hergestellt. Hier stellt sich die Frage nach Stückzahlen, Qualität, Preis und Lieferfrist, um den wirtschaftlichsten Lieferanten eruieren zu können.

Siebdruckschablone

Eine Siebdruckschablone bildet die Lötstellen auf der Leiterplatte ab. Dadurch kann der Lötzinn mit einem Siebdruck-Rakel in der Produktion an den notwendigen Stellen (auf den Pads) angebracht werden. Eine Siebdruckschablone kann Kostenmässig zu den Initialkosten einer Prototypen-/Serienproduktion gezählt werden. Sofern die Leiterplatte sich was die Bauteile betrifft nicht mehr ändert, kann die gleiche Siebdruckschablone für Folgeserien wiederverwendet werden.

SMD / SMD Bestückung

Surface-mounted device (SMD, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) sind Bauteile, die nicht durch ein Loch gesteckt auf eine Leiterplatte gelötet werden, sondern nur auf der Oberfläche aufgelötet werden. Dadurch kann eine effiziente Produktion erfolgen: Zuerst wird Lötzinn mit einer Siebdruckschablone auf die Leiterplatte an den Lötpunkten (auf den Pads) aufgetragen. Danach werden die Bauteile mit einer Pick-and-Place Maschine platziert. Die Bauteile sind dabei in der Stückliste aufgeführt und die Pick-And-Place-Positons-Daten können aus dem CAD generiert werden. Im darauffolgenden Reflow-Ofen werden die Bauteile verlötet.

Die inventlab GmbH hat eine SMD Pick-and-Place Maschine und ein Bauteilelager, wodurch wir Ihre Elektronik kosteneffizient und flexibel produzieren können.



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