Entwicklung mechatronischer Systeme

Im April 2021 erhielt Digital Elektronik den Auftrag zur Entwicklung und Fertigung eines komplexen mechatronischen Produktes. Digital Elektronik entwickelte in 5 Monaten ein mechatronisches System für den Kunden.

Vom Design bis zur Serie
– der Prozess allgemein erklärt

Design
& Ideation
Entwicklung
der Prototypen
Zulassung
& Zertifizierung
Serien-
fertigung
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Der Prozess zur Entwicklung mechatronischer Systeme wird in vier Phasen gegliedert. Zu Beginn wird das Design des Produktes im Zuge des Designprozesses entworfen. Anschließend folgt die Entwicklung der Prototypen, welche unter anderem zur Validierung dienen. Danach erfolgten die Zulassung und Zertifizierung des Produktes. Dann beginnt die Serienfertigung.

Entwicklung mechatronischer Systeme
in nur 5 Monaten

Der Designprozess

Die Entwicklung mechatronischer Systeme beginnt mit der Ermittlung und Darstellung der Nutzerbedürfnisse. Diese dienen als Basis für die Usability, das Design und die technische Umsetzbarkeit. Im nächsten Schritt beginnt der Designprozess gemeinsam mit unserem Kunden und unserem Partner Phormolog . Dieser wurde in zwei Ideationsphasen unterteilt.

Die erste Ideationsphase beschäftigte sich mit der Mechanik. Dabei werden

Diese Phase verlangte ständige Rücksprache und eine enge Zusammenarbeit zwischen Designer und Entwickler für Platzbedarf und die Machbarkeit.

Das Zwischenergebnis dieser Ideationsphase:

Entwicklung mechatronischer Systeme – Skizzierung der ersten Ideationsphase
Im nächsten Schritt wurden verschiedene Varianten des Produktes gebildet. Daraus ergab sich der finale Entwurf.
Entwicklung mechatronischer Systeme – Abbildung der Variantenbildung; mehrere Entwürfe des Produktes
Die zweite Ideationsphase wurde für das User-Interface genutzt.
Das Ergebnis des Designprozesses zur Entwicklung mechatronischer Systeme sind zum Einem gut abgestimmte Nutzerbedürfnisse und Produktanforderungen. Zum anderen eine enorme Zeitersparnis, sowie die Sicherheit für den Kunden, da das Produkt sehr früh digital begutachtet werden kann und somit eine klare Vorstellung vom Produkt geschaffen wird.
Entwicklung mechatronischer Systeme – Abbildung des finalen Entwurfs inkl. Hardware und Userinterface

Entwicklung der Prototypen

Um die Entwicklung des mechatronischen Systems voranzutreiben, wird parallel zum Designprozess bereits der Entwicklungsprozess vorbereitet. Dazu wird eine Systemarchitektur entworfen, Key-Komponenten ausgewählt und erste Versuchsträger aufgebaut. Nach der Finalisierung des Designs werden die 3D Modelle in die vorbereitete Konstruktion übergeführt und die Innenbaugruppe erstellt. Basierend auf dem Systemdesign wird der Schaltplan für die Elektronik entworfen und simuliert. Danach wird das Layout für das Board erstellt und durch den Hardware-Entwicklungsprozess validiert. Im nächsten Schritt werden alle Firmware/ Software-Komponenten zusammen mit einem Elektronikentwickler implementiert.
Entwicklung mechatronischer Systeme – Abbildung eines Prototypen
Bei diesem Projekt haben wir ein proprietäres System für das User-Interface eingesetzt. Aufgrund der hohen Systemanforderungen (Echtzeitanforderung) kam für die eigentliche Steuerung des User-Interfaces sowie der Peripherie ein 32-bit Mikrocontroller ohne Betriebssystem zum Einsatz. Darüber hinaus stand hier auch ein Linux System (Debian oder Yocto) auf einer Embedded PC Plattform mit einem externen Display zur Auswahl. Das User-Interface wurde in Abstimmung mit dem UI-Design programmiert und abhängig von der Zielplattform kompiliert und getestet. In Zuge des Auftrags wurden insgesamt 5 Prototypen, welche so nah wie möglich am Seriengerät sind, angefertigt.
Entwicklung mechatronischer Systeme – Abbildung des Layouts von der Leiterplatte

Komponenten

Bei der Auswahl der Komponenten zur Entwicklung des komplexen mechatronischen Systems wurden die Produktanforderungen vom Kunden sowie bereits verfügbare Standardkomponenten von DE betrachtet.

Der gesamte Auftrag wurde durch die Bauteilsituation und Beschaffung der Bauteile, während der Projektlaufzeit, erschwert. Zu Beginn der Entwicklung vereinbarte DE mit dem Kunden einen Rahmenvertrag. Dadurch konnten Komponenten bereits während der Entwicklungsphase – unmittelbar nach der technischen Klarheit – beschaffen werden. Somit konnte der Kunde nach der Entwicklungsphase sofort mit dem ersten Batch beliefert werden.

Zulassung und Zertifizierung

Für die Zulassung und Zertifizierung neuer Produkte führt Digital Elektronik die Vorprüfung intern durch. Die Zertifizierung erfolgt anschließend durch Externe. In diesem Prozess wurde bei dem neu entwickelte mechatronische System eine EMV Prüfung bei TÜV durchgeführt. Zusätzlich wurden die Produkteigenschaften und die gerätespezifischen Normanforderungen geprüft.

Serienfertigung

Bevor die Serienfertigung gestartet werden kann und die Entwicklung mechatronischer Systeme abgeschlossen wird, werden Prüfmittel zur Qualitätssicherung in der Serie benötigt. Für die Serie wurde ein Funktionstestadapter für die Leiterplatte gebaut. Dieses Prüfmittel dient dazu, dass alle wichtigen Funktionen getestet werden. Nach kompletter Assemblierung wird das Gerät endgeprüft, alle Parameter eingestellt und anschließend zur Serienfertigung geschickt.

Die Serienfertigung dieses komplexen mechatronischen Produktes erfolgt im Lean Management Prozess, in verschiedenen Werken von Digital Elektronik. Alle Metallvorbaugruppen werden im Werk Bosnien hergestellt. Der Elektronikfertigungsprozess (SMD & THT sowie die Inbetriebnahme & Test) und die Assemblierung erfolgen in Salzburg. Alle Komponenten für das Produkt werden durch Digital Elektronik beschaffen und der Wareneingang wird geprüft.
Beispielbild Rogers und Heizungssteuerung