Johdanto aiheeseen
Fyysistä prototyyppiä rakennettaessa pyritään tuomaan tuleva tuote, palvelu tai järjestelmä kolmiulotteisesti esitettävään muotoon. Prototyypit ovat olennainen osa tuotekehitysprosessia, ne simuloivat tulevan tuotteen ulkomuotoa ja toiminnallisuutta ennen varsinaisen valmistuksen aloittamista (Hallgrimson 2012, 6.) Tavoitteena on päästä ketterästi testaamaan ja kehittämään omaa tuoteideaa ennen isompia investointeja. Prototyypin rakentamisessa voi turvautua omien taitojen lisäksi myös ulkopuolisiin toimittajiin ja alihankintapaikkoihin.
Tässä osiossa keskitytään teknologiaa sisältävän tuoteprototyypin rakentamiseen. Vaiheet noudattavat TEQU:n kuukauden protoprosessia ja tyypillisesti suoritetaan noin kolmen viikon aikajänteellä. Tässä esimerkissä teknisen toiminnallisuuden testaamisen lisäksi prototyypin rakentamisen aikana ratkaistaan asioita liittyen tulevan tuotteen käytettävyyteen, rakenteeseen ja osien hankintaan. Osion arvioitu suoritusaika on 5 tuntia.
Tuplatimantin ”TOIMITA”-vaihe
Tuplatimanttimallissa ‘KEHITÄ’-vaiheessa luotua yhtä tai useampaa tuotekonseptia on tarkoitus lähteä jatkojalostamaan varsinaiseksi tuoteprototyypiksi. Tämä tapahtuu tuplatimanttimallin jälkimmäisen timantin toisessa vaiheessa eli “TOIMITA”-vaiheessa, johon tässä kurssin osiossa siirrytään. Tämän vaiheen lopputuloksena on fyysinen tuoteprototyyppi.
Konseptista prototyypiksi
Jatkokehityksen alkuvaiheissa on tärkeää selkeyttää alkuperäistä konseptia saadun palautteen pohjalta. Konseptin tarkennus voi sisältää jo tarkempia lisätietoja siitä, miltä lopputuote tulisi näyttää ja miten sen tulisi toimia. Jos tuleva tuote sisältää teknologiaa, määritetään tulevat ominaisuudet ja toiminnot yhteistyössä muotoilun ja tekniikan asiantuntijoiden välillä, niin että näkemys kokonaisuudesta on yhtenäinen. Lähtötietojen pohjalta voidaan laatia alustava suunnitelma rakentamisen aikataulusta, sekä tarvittavista osista ja hankintapaikoista. Tässä vaiheessa kannattaa tehdä hintavertailua ja tilata kaikki materiaalit ja tekniset komponentit, joita tietää jo prototyypin rakennusvaiheessa tarvitsevansa.
Konseptin matka valmiiksi, toimivaksi prototyypiksi, syntyy monien iterointikierrosten kautta. Rakentamisvaiheen aikana kokeillaan ja testataan eri ratkaisuvaihtoehtoja, tavoitteena löytää optimaaliset ratkaisut toteutukselle. Mahdollisia prosessin aikana syntyneitä oivalluksia ja kehitysideoita voidaan soveltaa ketterästi osaksi prototyyppiä, jos se on mahdollista ilman aikataulusta lipsumista. Ensimmäisessä prototyypissä ei ole kuitenkaan tarkoitus vielä ratkaista kaikkia ongelmia, vaan tavoitteena on päästä nopeasti testaamaan ja arvioimaan ideaa käytännössä. Alkuvaiheen testauksella voidaan minimoida tuotekehityksen riskejä ja välttää myöhemmin tehtäviä, kalliita muutoksia tuotteeseen.
Materiaalit, menetelmät ja rakenne
Prototyypin materiaalien ja valmistusmenetelmien valintaan vaikuttavat monet asiat, kuten vaadittava kestävyys, toiminnallisuuden ja ulkomuodon asettamat vaatimukset, valmistusaika ja kustannustehokkuus. Prototyypin materiaalien ei tarvitse olla samoja kuin lopputuotteeseen tulevat, mutta riippuen tuotteen luonteesta samankaltaisia vaihtoehtoja voi olla hyvä testata jo tässä vaiheessa. Valitut materiaalit ja menetelmät vaikuttavat rakenteessa tehtäviin valintoihin esimerkiksi osien muodon ja koon, saumakohtien ja kiinnitysten osalta. 3D-tulostaessa esimerkiksi tulee huomioida tulostusalustan koon asettamat rajoitteet ja optimaalinen tulostussuunta, kun taas vesi- ja laserleikkauksessa tietyt muodot saattavat nostaa ajoaikaa ja siten kustannuksia huomattavasti.
Prototypointi-vaiheessa käytetään usein “rapid prototyping”-termin alle eli nopeaan prototyypin valmistukseen soveltuvia menetelmiä. Näiden valmistusmenetelmien tavoitteena on esittää tuleva tuote kolmiulotteisesti ja suunnitelluissa mitoissaan, niin että sen ulkonäköä, toiminnallisuutta ja osien yhteensopivuutta voidaan testata ennen sitoutumista isompien tuotantomäärien vaatimiin investointeihin, kuten muottikustannuksiin. Nimensä mukaisesti nämä menetelmät ovat myös perinteiseen valmistukseen verrattuna nopeita, uusia kappaleita voidaan tehdä päivien ja viikkojen sijasta tunneissa. Nopean prototypoinnin menetelmät voivat olla ainetta poistavia, jolloin toivottu kappale leikataan levystä tai lohkomaisesta aihiosta tai ainetta lisääviä, jolloin kappale muodostuu lisäämällä materiaalia kerroksittain. Valmistukseen tarvittavien leikkuu- tai valmistustiedostojen luominen tehdään CAD-mallinnuksen avulla. CAD eli “computer-aided design” viittaa prosessiin, jossa tietokoneen ja ohjelmiston avulla luodaan virtuaalinen, kolmi- tai kaksiulotteinen piirros tulevasta tuotteesta. (Bryden 2014, 11, 67.)
Prototyypin rakenteeseen olennaisesti vaikuttavat asiat, kuten tekniikan asettamat vaatimukset, on hyvä selvittää ennen lopullisen muotokielen ja visuaalisen ilmeen viimeistelyä. Tekniikalle varattava tila vaikuttaa prototyypin lopulliseen kokoon, ja usein tietyt komponentit tulee sijoitella määrättyihin kohtiin prototyyppiä tai testiympäristöä, jotta tuote toimisi optimaalisesti. Usein muutoksia saattaa tulla myös testattaessa tekniikkaa, kun huomataan toiminnallisuuden kannalta tarvittavia parannuksia. Huollettavuus sekä tekniikan, että rakenteiden osalta on hyvä huomioida rakennetta suunniteltaessa.
Usein tekniikkaa sisältäviä tuotteita käyttäessään henkilö on tuotteen kanssa jonkinlaisessa vuorovaikutuksessa. Vuorovaikutus voi tapahtua erilaisten nappien, kytkinten, indikaatiovalojen ja -äänien kautta, tai pidemmälle viedyn käyttöliittymän kautta. Muotoilija on yleensä vastuussa käyttöliittymien kokemuksellisesta suunnittelusta ja siitä, että vuorovaikutus käyttäjän suuntaan on selkeää. Tuleva käyttöliittymä voi vaatia esimerkiksi aukkoja kotelointiin, tai näytön asettamista käyttäjälle optimaaliselle käyttökorkeudelle, vaikuttaen siten prototyypin rakenteeseen. Tuotteen tulevan käyttöliittymän intuitiivisuuden ja käytettävyyden testaus tulevalla prototyypillä on tärkeä osa uuden tuotteen kehitystä.
Tekniikan suunnittelu
Tekniikan osalta prototyypin varsinainen suunnittelutyö aloitetaan valitsemalla prototyyppiin lopulliset fyysiset komponentit, mahdolliset tarvittavat ohjelmistot ja taustajärjestelmät sekä tarkentamalla ja päivittämällä teknologian kartoitusvaiheessa luotu osaluettelo. Tässä kohtaa on hyvin tärkeää jatkaa läheistä yhteistyötä muotoilun kanssa, varsinkin fyysisiä komponentteja valittaessa, jotta muotoiluosasto tietää ja osaa varautua siihen minkälaisia ja kokoisia osia prototyyppiin on lopulta tulossa. Erityisen tärkeää on viestiä niistä fyysisistä komponenteista, jotka tulevat prototyypissä näkyville tai vaativat jonkin liitännän prototyypin ulkopuolelta. Riippuen teknologian kartoituksen laajuudesta ja tarkkuudesta lopullisten komponenttien valinta voi tässä kohtaa olla hyvinkin suoraviivaista.
Kun osaluettelo on päivitetty, tekniikan osalta siirrytään päivittämään ja tarkentamaan prototyypin kokonaisarkkitehtuuria. Kokonaisarkkitehtuurikaavioon tehdään tarvittaessa muutoksia – tässä kohtaa ne ovat yleensä pieniä tarkennuksia. Tarkennetun kaavion pohjalta suunnitellaan eri osa-alueiden toimintojen toteutus. Toteutuksien suunnittelun lähtökohtana on hyödyntää mahdollisimman paljon valmiita tuotteita, joilla toiminto voidaan toteuttaa ketterästi ja nopeasti. Nopeassa tuoteprototypoinnissa tekniikan osalta hyvin oleellista on se, että tässä kohtaa ei ole tarkoitus rakentaa kaikkia toimintoja itse tyhjästä vaan hyödyntää mahdollisimman paljon olemassa olevia ratkaisuja. Tarkoituksena on saada nopeasti kokeiltua ja testattua idea tuoteprototyypin avulla ja vasta myöhemmässä vaiheessa on sitten aika alkaa viilaamaan tuotetta, jos prototyypillä saavutetaan toivottuja tuloksia.
Vastaavasti jos prototyyppiin liittyy taustajärjestelmiä, tietokantoja tai web-sovelluksia, käytetään pilvipalveluratkaisuja, joissa palveluntarjoaja tarjoaa esimerkiksi tietokannan suoraan käyttöön ilman konfigurointia tai varsinaista palvelimen infrastruktuurin hallintaa. Tätä toimintamallia kutsutaan DBaaS-malliksi (database-as-a-service), yleisemmällä tasolla puhutaan SaaS-mallista (software-as-a-service).
Teknisen suunnittelun lopputuloksena on useita eri kaaviota, joista selviää miten eri osa-alueet kytketään toisiinsa joko fyysisesti tai ohjelmistotasolla. Fyysisellä tasolla prototyyppiin voi liittyä kytkentäkaavioita, sähkökaavioita, liitäntäkaavioita tai vaikkapa johtosarjojen kaavioita. Ohjelmistotasolla puolestaan prototyyppiin voi liittyä erilaisia ohjelmistojen arkkitehtuurikaavioita, toimintalogiikkakaaviota tai rajapintakuvauksia.
Ohjelmistoa ja laitealustaa suunniteltaessa prototyyppi rakennetaan ensisijaisesti käyttäen mahdollisimman paljon valmiita ilmaisia tai avoimen lähdekoodin ohjelmistokirjastoja sekä ohjelmistoja. Lisäksi laitealustaa suunnittelun alussa valittaessa painotetaan niitä laitealustoja, joilla on olemassa oleva ekosysteemi ja laaja käyttäjäkunta. Tällaisia laitealustoja ovat esimerkiksi Raspberry PI, Arduino ja NVIDIA Jetson. Avoimen lähdekoodin ja suosittujen ympäristöjen hyödyntäminen helpottaa myös prototyypin mahdollista jatkokehitystä. Tequn ketterien prototyyppien ohjelmoinnissa käytetään usein myös low-code ohjelmointiympäristöjä, kuten Node-RED, jossa on mahdollista nopeasti luoda toiminnallisuutta ilman tarvetta varsinaisesti kirjoittaa ohjelmistokoodia.
Prototyyppiin voi liittyä myös teknisiä oheis- tai lisälaitteita, jotka ovat valmiita kaupallisia tuotteita. Näitäkin valittaessa pyritään valitsemaan niitä tuotteita, joissa on riittävät avoimet rajapinnat ja niitä voidaan käyttää muutenkin kuin ainoastaan valmistajan omilla ohjelmistoilla tai työkaluilla. Tämmöisiä tuotteita voi olla vaikkapa esimerkiksi Philips HUE -valojärjestelmä, verkkovalvontakamera tai 4G-reititin.
Hankinnat
Pääosa hankinnoista toteutetaan siinä vaiheessa kun suunnitelmat on tarkennettu. Joitain hankintoja on voitu jo käynnistää konseptointivaiheessa tai heti konseptin valinnan jälkeen. Nämä ovat niitä hankintoja, jotka ovat prototyypin toteutuksen kannalta pakollisia tai tiedetään, että hankinta voi kestää 1-2 viikkoa. Toimitusaikojen vuoksi hankinnat on hyvä hoitaa heti, kun tiedetään että kyseistä osaa tai materiaalia tarvitaan.
Saatavuus, toimitusajat ja kustannukset vaihtelevat suuresti riippuen toimittajasta, minkä vuoksi ne on hyvä ottaa huomioon jo prototyypin rakennetta ja valmistustapaa miettiessä. Hyödyntämällä paikallisia toimittajia esimerkiksi osien leikkauksessa, voidaan usein säästää ajallisesti toimitusajassa ja -kustannuksissa verrattaessa ulkomailta tilaamiseen. Kokoonpanossa kannattaa hyödyntää mahdollisimman paljon standardisoituja osia ja kiinnikkeitä, joita voi löytää edullisesti ja nopeallakin aikataululla. Tämä edesauttaa myös tulevan tuotteet kustannustehokkuutta. Aina valmisosien käyttö ei ole kuitenkaan mahdollista, eikä edes toivottua. Kustomityönä tehdyt osat voivat olla se, mikä antaa prototyypille uniikin ilmeen ja luo arvoa tulevalle tuotteelle.
Teknisten komponenttien osalta hankinnat tehdään suoraan osaluettelon perusteella. Osaluetteloa käytetään apuna myös hankintojen seurannassa: mitä on tilattu, milloin on tilattu, kuinka monta kappaletta ja mikä oli lopullinen toteutunut hankinnan hinta. Osaluettelon avulla muu tiimi tietää missä ollaan menossa tekniikan hankintojen osalta. Prototyyppiin voi liittyä voi taustajärjestelmien tai ohjelmistojen tai muun vastaavan hankintoja, näiden hankinta hoidetaan tapauskohtaisesti. Monesti ohjelmistoista, pilvipalveluista tai taustajärjestelmistä on saatavilla jonkinlainen kevyt ilmaisversio tai rajoitettu testiversio, jota voidaan prototypoinnissa käyttää.
Tutkimus- ja kehitystoimijoilla, kuten ammattikorkeakoulut, on yleensä mahdollisuus hankkia teknisiä osia edullisesti isoilta toimittajilta. Isojen toimittajien käyttäminen on monesti järkevää teknisten komponenttien osalta useasta syystä: tuotteita on heti varastossa, toimitus on nopeaa, tilaaminen on suoraviivaista ja laskutus tehty helpoksi. Ketterässä prototypoinnissa on oleellista että tuotteita on saatavilla suoraan toimittajan varastosta – lyhyessä aikaikkunassa ei ole mahdollista jäädä odottamaan teknisten osien toimitusta useita viikkoja.
Hintojen vertailu eri toimittajien kesken on helppo tehdä osaluettelon avulla ja tuotekoodilla tuotteet löytyvät suoraan toimittajien verkkosivustoilta. Isoja luotettavia toimittajia teknisille- ja teollisuuskomponenteille ovat mm. Farnell, Elfa Distrelec, RS Components, Mouser Electronics ja Digi-Key. Teknologiaa sisältävän prototyypin osien hankinnalle on tyypillistä, että osia joudutaan hankkimaan usealta eri toimittajalta ympäri Suomen ja välillä ympäri maailman.
Tekniikan valmistelu ja testaus
Prototyypin tekniikan ensimmäinen versio rakennetaan ns. “labran pöydälle”. Ensimmäisessä versiossa on kaikki ne tekniset komponentit, jotka tulevat myös lopulliseen prototyyppiin. Riippuen prototyypistä nämä voivat olla samat komponentit – varsinkin siinä tapauksessa, jos prototyyppi sisältää isompia ja kalliita komponentteja. Jos kyseessä on pieni edullista elektroniikkaa sisältävä prototyyppi, niin fyysisiä komponentteja hankitaan yleensä useampia kappaleita.
Tässä vaiheessa on tarkoituksena testata miten kytkennät ja kaapeloinnit on järkevää rakentaa ja miten eri fyysiset komponentit (sensorit, napit, valot, kaiuttimet yms..) ja muut oheis- tai lisälaitteet toimivat ja miltä ne näyttävät ja miten ne konfiguroidaan käyttöön. Kun prototyypin testiversio on saatu rakennettua, niin tehdään usein erilaisia mittauksia, jotta prototyypin toimintaa voidaan todentaa. Esimerkiksi jos kyseessä on paristo tai akkukäyttöinen prototyyppi, tehdään varmentavat mittaukset energiankulutuksen osalta, jotta tiedetään että päästäänkö arvolupauksessa annettuun toiminta-aikaan.
Se että tekniikka on rakennettuna ja labran pöydällä esillä, on myös avuksi muotoiluosastolle, jotta he pääsevät fyysisesti näkemään prototyyppiin kuuluvat komponentit sekä sovittamaan osia jo mahdollisesti olemassa oleviin koteloihin tai muotteihin. Teknisten komponenttien hahmottaminen pelkästään kuvien, mittapiirrosten ja datalehtien avulla voi olla hankalaa.
Prototyyppiin liittyvän sovelluksen tai sovelluksien ohjelmointi aloitetaan samalla kun tekniikan ensimmäistä labraversiota rakennetaan. Ohjelmointiin liittyy sekä fyysisten komponenttien käyttö ohjelmallisesti ja prototyypin toimintojen toteutus sekä mahdolliset yhteydet taustajärjestelmiin ja rajapintoihin. Kaikki nämä toiminnot toteutetaan valmiiksi ja testataan labraversiolla.
Lisäksi prototyyppiin voi liittyä monenlaista käyttöliittymän ohjelmointia. Käyttöliittymän ohjelmoinnissa tekniikan osalta voidaan yleensä aloittaa toteuttamaan ensimmäiseksi taustalla tapahtuvat toiminnot ja toiminnallisuus valmiiksi, jonka jälkeen keskustellaan muotoiluosaston kanssa, että miten nämä tuodaan käyttäjälle näkyväksi.
Jos testiversion rakentamisen aikana huomataan, että jokin prototyypin osa-alue ei toimi toivotulla tavalla tai alkuperäisen ajatuksen mukaisesti, on mahdollista vielä tehdä pieniä muutoksia prototyyppiin. Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi, että vaihdetaan, poistetaan tai lisätään jokin fyysinen komponentti, tehdään muutoksia ohjelmiston suunniteltuun toimintaan tai vaihdetaan käytettävää taustajärjestelmää.
Prototyypin kokoonpano
Kokoonpano suunnitellaan prototyypin luonteesta riippuen joko kokonaan tai osittain CAD-mallissa. Virtuaalisen mallin avulla voidaan määrittää tuotteet kokoluokka ja mitat, sekä testata eri osien yhteensopivuutta. Usein myös tekniikan komponentit tuodaan malliin, jolloin niiden sijoittelu ja kiinnitys voidaan myös suunnitella osana kokoonpanoa. Kokoonpanoa testataan pitkin prosessia varmistaen, ettei mittauksissa, toleranssien suunnittelussa tai osien valmistusvaiheessa ole sattunut virheitä, jotka voisivat vaikuttaa lopullisen kokoonpanon toimivuuteen. Panostamalla osien suunnitteluun voidaan minimoida kokoonpanoon käytettävää aikaa ja irto-osien määrää, esimerkiksi integroimalla kiinnikkeitä osaksi muotoa, tai moduulimaisen rakenteen avulla.
Prototyyppi voidaan viimeistellä esimerkiksi hiomalla, maalaamalla tai kiillottamalla materiaalista ja käyttötarkoituksesta riippuen. Yksityiskohdat, kuten merkinnät napeissa, logot ja indikaatiovalot lisäävät prototyypin kiinnostavuutta ja tekevät kokonaisuudesta viimeistellyn. Siisti ulkomuoto ja yksityiskohdat luovat mielikuvan jo pidemmälle viedystä tuotteesta, mikä lisää prototyypin uskottavuutta esiteltäessä. Jos prototyypillä on yhtenäinen ilme, ensimmäisellä prototyypillä voidaan kerätä palautetta myös siitä miten käyttäjät kokevat tuotteen kokonaisuutena, pelkän teknisen toiminnallisuuden arvioinnin sijasta.
Dokumentaatio
Valmiin prototyypin myötä syntyy monenlaista dokumentaatiota riippuen siitä minkälaista ja kuinka laajaa prototyyppiä rakennetaan. Prototyypin dokumentaatio voi sisältää mm. seuraavia teknisiä dokumentaatioita:
- 3D-malli
- Kokonaisarkkitehtuuri
- Mittapiirrokset
- Sähkökaavio
- Kytkentäkaavio
- Piirikaavio
- Osaluettelo
Teknisten kaavioiden lisäksi prototyypille tehdään usein käyttö- ja huolto-ohjeet. Ohjeiden merkitys korostuu silloin, kun protoa testataan käyttäjillä tulevassa toimintaympäristössä ilman erillistä valvontaa. Käyttöohjeiden tulee olla selkeät ja kuvailevat, ja toiminnallisuuden lisäksi on hyvä kertoa että kyse on prototyypin testauksesta. Mukaan liitetään tieto toteuttajasta, sekä yhteyshenkilö. Huolto-ohjeet koskevat niitä prototyyppejä, joiden testijakso on pidempi ja prototyypin testijakson aikana tulee tehdä jotain tiettyjä toimenpiteitä. Esimerkiksi huoltotoimenpiteitä voivat olla prototyypin akuston lataaminen, akun/pariston vaihtaminen tai vaikkapa talvikautena puhdistus lumesta ja jäästä.
Yhteenveto
Olemme nyt käyneet läpi vaiheita, joiden kautta voidaan rakentaa ketterästi teknologiaa hyödyntävä prototyyppi. Prototyypin rakentaminen aloitetaan selkeyttämällä ja jäsentämällä tuotekonseptia ja sopimalla muotoilun ja tekniikan kesken askelmerkit miten prototyyppiä lähdetään rakentamaan. Seuraava ja monesti laajin vaihe on suunnittelutyö, jonka jälkeen voidaan siirtyä hankkimaan tarvittavaa materiaalia, osia, ohjelmistoja ja komponentteja – tai mitä ikinä prototyypin rakentamiseen vaaditaankaan. Hankintojen valmistuessa ja toimitusten saapuessa perille aloitetaan fyysisen tuoteprototyypin valmistelu ja rakentaminen. Osa työstä tehdään itse ja osa voidaan teettää alihankintana, sopiva suhde on prototyyppikohtainen. Lopulta prototyyppi on siinä vaiheessa että se voidaan kokoonpanna. Kokoonpanon jälkeen viimeistellään prototyyppiin liittyvä dokumentaatio. Näiden vaiheiden jälkeen meillä on valmis fyysinen, koottu prototyyppi valmiina esiteltäväksi asiakkaalle. Prototyyppi voi olla jo täysin toiminnallinen, tai helposti käyttöön otettavissa tulevassa testikohteessa.
Lähteet / lue lisää
Hallgrimson, B. (2012). Prototyping and modelmaking for product design. London: Laurence King Publishing Ltd.
Bryden, D. (2014). CAD and rapid prototyping for product design. London: Laurence King Publishing Ltd
Klikkaa “Take Quiz” ja vastaa monivalintakysymyksiin, joihin on yksi oikea vastausvaihtoehto!