Tuote- ja luotettavuussuunnittelun harjoitustyö

T1

Montako eri työvaihetta ja työkalua tarvitaan tuotteen purkamiseksi pääosiin...
Millä tuotekehityksen toimenpiteillä vähentäisit purkuaikaa ja työkalujen määrää?

Tehtävässä tarkastellaan vuosituhannen vaihteessa julkaistua klassikkomatkapuhelinta,
Nokia 3310.

Näppäinpuhelin testattu toimivaksi, maineensa mukaiseksi kestopuhelimeksi.

Työvaiheissa käytettyjä välineitä olivat:

• Ruuvisarja, T6 Torch ruuvauskärki
• Muovinen avaustyökalu
• Mittatyökalut

Laitteen avaaminen aloitetaan takakuoren puolen avaamisella joka ei tarvitse välineitä, sillä ulkorakenteen muovinen takakuori lukittautuu mekaanisesti liukulukolla.

Kuten kuvasta huomaa, irroitettava takakuori piilottaa taakseen SIM-korttipaikan, sekä laitteen irroitettavan akkukennon.

Akkukenno, ja mahdollinen SIM- kortti tulee irroittaa, jonka jälkeen seuraava toimenpide on vapauttaa muovinen lukkomekanismi, joka pitää laitteen etupuolen suojakuorta paikallaan.

Etupuolen muovinen ulkokuori pitää paikallaan muovista näppäinhattu asettelmaa sekä toimii suojana laitteen nestekidenäytölle.

Ulkokuoret irroitetta, ruuvataan T6 ruuvaripäällä 6 kappaletta noin 8mm pitkää ruuvia. Poistamalla ruuvit saadaan laite jaettua sen kolmeen toiminnalliseen osaan.

Päästään sittenkin tutkimaan itse laitteen piirilevyä.

T2

a) Tutkittavan tuotteen keskeisimmät sisäiset ja ulkoiset lämmönlähteet.

Lämmönlähteet ja Suojakilvet

Suojakilpi 1:

Suojakilven (1) takana sijaitsee PA (PF08109B), joka on GSM-matkapuhelinsignaalin tehonvahvistin (Power Amplifier). Tehonvahvistimet tuottavat huomattavasti lämpöä.

Suojakilpi 2:

Suojakilven (2) takana sijaitsee radiosignaaleja käsittelevä piiri (RF IC). Tämä piiri lämpenee kohtalaisesti, koska se joutuu käsittelemään suuria datamääriä.

Suojakilpi 3:

Suojakilven (3) takana sijaitsee myös kaksi lämmölle keskeistä komponenttia:

• Prosessori (CPU)
• Power IC

b) Laitekotelointi, kaapelointi sekä sen IP-luokka.

Matkapuhelimen liitännät eivät ole juotoksin kiinni piirilevyssä, vaan sijaitsevat puhelimen keskimmäisen tukirakenteen ja ruuvein varmistetun piirilevyn välissä. Tämäntyyppiset joustopinnit käyttävät joustavia kultapinnoitettuja kontakteja hyväkseen, jotka antavat vaivatta periksi rakenteen ollessa kasassa ja kirstyksissä toisiinsa.

Kuvissa näkyvät liittimet:

• Laturiliitin pistoke
• Laturiliitin telakka kontakti
• Hands-free äänijärjestelmäliitin
• Mikrofoni
• SIM-korttipaikka
• Värinäpalaute

Rakenteen yläpäässä olikin sitten:

• HF-antenni SW
• Akkukennon liittimet

Käyttäjäliittymän sisältävä välikeranne sisältää samanlaiset kultapinnoitetut kontaktiliitokset:

• Äänikaiutin
• Kidenäytön liitos
• Metallikosketinryhmittymä piirilevyn näppäinliittymään johtavaksi siltaukseksi.

Matkapuhelin on julkaistu ennen aikaa, jolloin IP-luokitukset olivat standardisoitunut sen tuotekryhmässä. Sillä siis ei ole virallista IP-luokitusta. Vaikka rakenteeltaan puhelin on suunniteltu kestämään rankkojakin olosuhteita, havaittavissa on kuitenkin että sillä ei ole varsinaista suojaa veden vahingoilta. Mitä kiinteisiin kappaleisiin ja partikkeileihin tulee, oletettavissa on että laite on suojattu yli 2.5mm halkaisijaltaan olevilta kiinteiltä kappaleilta.

Arviolta: IP40/IP4X

c) Piirilevyjen johdotukset, komponenttien sijoittelu ja jäähdytys

Mitä torjunta-/minimointikeinoja on käytetty tai
olisi pitänyt käyttää erilaisten lämmön- ja EMC-lähteiden eliminoimiseksi?

Piirilevy on toteutettu nelikerroksiselle piirilevykonfiguraatiolle.

Lämmön- ja EMC- lähteiden minisoimiseksi ollaan käytetty monia eri keinoja, laitteessa päätarkoituksellisesti ollaan suojattu ilmeisimmät EMC- herkät piirit, sekä niiden mahdolliset paikalliset lähteet metallisin RF-suojakotein.

Nämä verkkomallin metallisuojat toimivat myös lämmönlevittäjinä tasaamalla tuottunut lämpöenergia laajemmalle alueelle, kuin myös muihin rakenteisiin.

Metallikotelot (2) ja (3) on kiinnitetty levyn maakerrokseen useasta eri kohtaa.

Metallikotelon (1) alla on laitteen matkapuhelinsignaalin tehonvahvistin, sekä muita lähetin-vastaanottimelle ominaisia tehopiirejä. Osion oleellisimmat maadoitusreitit on johdettu erilleen laitteen muusta maasta EMC- vaatimusten mukaisesti, minkä tavoitteena on mitigoida ulkoisen että sisäisen radiotaajuisten häiriöiden leviämistä.

Jottei mene liian pitkäksi, listataan loput havainnot lyhyesti:

• Nelikerros PCB
• Läpivetoja (myös via stiching)
• Maadoitusreuna
• Erillinen maareitti RF-piireille
• Lämmön johtavuutta parantava rakenne/materiaalisuunnittelu muovirakenteissa
• Signaalireittien suunnittelu (useampia tapoja)
• Energianhallinta (ohjelmisto)

T3

Määritä/arvioi tutkittavan tuotteen eri osien materiaalien lajit, pinta-alat ja painot.

• mekaniikka- ja metalliosat
  • 5g
• muoviosat
  • 43g
  • 113mm * 48mm
• piirilevy(t)
  • 20g
  • 42mm * 108mm
• kaapelit ja johdot
  • >1g
• kiinnitysvälineet
  • 1g
• muuta merkittävää?
  • akku
  • 32g
  • 53mm * 38mm

T4

Millä tuotekehityksen toimenpiteillä saisit tuotteen
energiakulutuksen, ympäristöominaisuudet ja kilpailukyvyn paremmaksi?

Monella tapaa Nokia 3310 ansaitsi asemansa vuosituhannen alun ikonisena suosikkina. Tulevina vuosina julkaistiin malli uudelleen, mutta muutamalla uudella ominaisuudella, joka jatkaisi laitteen tunnettavuuden perintöä uusin houkuttimin.

Nokia 3330 oli miltein identtinen sekä ulkonäöltään, kuin myös laitteistoltaan. Investointi viihdekäyttöön uusilla ohjelmistoilla ja peleillä vaati suuremman sisäisen flash-muistin. Päivitetty versio nosti kapasiteettia 2MB -> 4MB.

Päivitetympi malli toi myös tutun teknologiahitin, Wireless Application Protocol (WAP) teknologian aikaisen internetsalauksen mahdollistamiseksi. Tämän lisäksi puhelin sisälsi muutaman uuden pelin.

Pohdin myös, että olisiko tuoteluokan energiatehokkuus sidonnainen ensisijaisesti hyödynnettyihin radioteknologioihin, ja prosessointialgorytmeihin, eikä fyysisten komponenttien ominaisuuksista. GSM- laitteden viestintäteknologia liikkuu huomattavasti hitaammin, kuin esimerkiksi prosessointiteho. Tämä voidaan osoittaa rinnaistamalla käytetyn virran ja hyödynnetyt tietopaketit siihen, kuinka suuren suorituskyvyn tietyllä suoritin- taikka energiabudjetillasai.

Nokia 3310 aikoinaan oli adoptoimassa uusinta radioverkkoa, ja otti käyttöön optimaaliset prosessointiyksiköt. Se oli yksi syistä miksi puhelin oli niinkin menestyksekäs. Toiset valmistajat eivät tähän aikaan nähneet tarvetta siirtyä käyttämään uusinta prosessointiyksikköä taikka radioteknologiaa.

Nokia 3310 ei toiminut Amerikassa, niiden käyttämien algoritmien ja radiotaajuuksien vuoksi.

T5

Miten tuotteessa on huomioitu DFM, DFA ja DFT? Millä tuotekehityksen toimenpiteillä em. asioita voitaisiin parantaa?
Miten tuotteessa on huomioitu jäljitettävyys, asennus-, käyttö- ja huoltotoimenpiteiden suorittaminen?

DFM = Design for Manufacturing

Kuten tuolloin tuotettujen matkapuhelimille oli yleistä, käytettiin valmistusprosessin aikana sekä automatiikka, että manuaalisia kokoopanoprosesseja. Monet matkapuhelinmallit jakoivat yhteensopivia osia, mikä teki niistä hyvin modulaarisia. Nopea sopeutuminen 2000-luvun alussa siirtymiseen lyijyttömiin juotoksiin. Suunnittelu varauksella sopeutua tuotannon suureen skaalaautumiseen, sekä valmistuslinjastojen prosessien jatkuvaan kehittymiseen.

DFA = Design for Assembly

Teollisuusautomatiikka ei ollut vielä tarpeeksi kehittynyttä kasaamaan kompleksisia rakenteita loppuun saakka. Tämä tarkoitti suunnittelunäkökulmaa, missä tukirakenteiden, että myös elektroniikkakomponenttien tulisi olla tarpeeksi yksinkertaisia kasattaviksi vähille mekaanisilla liikkeillä. Myös pinta-alaltaan suuria rakenteita suosittiin niiden omatessa pienemmän valmistusvirheosingon.

DFT = Design for Test

Testauspisteiden sisällyttäminen piirilevylle ja sen sijoittaminen, missä testausta, huoltoa ja ohjelmistopäivitystä pääsi tekemään helposti lopullisen kokoonpanon jälkeenkin. Vikadiagnostiikkaa oli myös mahdollista kohdistaa yksittäisiin komponentteihin tai piireihin, missä myös ohjelmistosuunnittelun valinnat olivat osana.

T6

Harjoitustyön yhteenveto, kuva.