COME VENGONO SVILUPPATE LE ATTREZZATURE SPORTIVE PERSONALIZZATE
Aknazar Arysbek, fondatore, ingegnere biomedico (MSc, Tufts University). LinkedIn ↗
Supponiamo che lei alleni una squadra di lacrosse. L'allenamento finisce con cento palle sparse per il campo. Qualcuno deve raccoglierle. Lei ha un'idea per una macchina che lo farebbe. Questa nota mostra come lo sviluppo di attrezzature sportive porta quell'idea da uno schizzo a un prodotto in scatola, con i numeri calcolati a ogni passaggio.
Tre cose da risolvere prima
Ogni progetto per costruire attrezzature sportive personalizzate parte da tre cose: intenzioni, vincoli e un sistema.
L'intenzione è ciò che lei vuole che il prodotto cambi. Per la nostra macchina è semplice. L'allenatore dovrebbe smettere di passare la fine di ogni allenamento piegato su un campo pieno di palle.
I vincoli sono i limiti entro cui il prodotto deve convivere. Ognuno funziona come una recinzione attorno al progetto. La nostra macchina deve funzionare senza motore. Deve essere gestita da una sola persona. Deve entrare in un'auto.
Il sistema è il metodo che si ripete a ogni decisione, e il nostro è il metodo del risultato ideale. Con questo metodo, lei immagina ogni possibile soluzione funzionare perfettamente entro le leggi della fisica, poi la giudica. Se nemmeno la versione perfetta la soddisfa, la scarti; se la soddisfa, capisca come arrivarci. Questo metodo elimina le cattive idee finché costano ancora poco.
I sei passaggi dello sviluppo di prodotti sportivi
Ogni pezzo di hardware, dal casco a una macchina per raccogliere palle, passa attraverso gli stessi sei passaggi. Ogni passaggio risponde a una domanda.
Seguiremo una macchina attraverso tutte e sei: un raccoglitore di palline per palline piccole. Ha parti mobili. Tocca terra. Torna a casa in macchina. Deve anche costare meno rispetto all'alternativa, che è un assistente allenatore stanco con un secchio.
Valuteremo due sport, lacrosse e squash. Entrambi usano palle piccole. Le differenze tra queste palle determinano gran parte del design.
Passo 1: requisiti
Prima di qualsiasi disegno, scriva cosa deve fare la macchina. Questo elenco sono i requisiti. Le decisioni successive vengono verificate rispetto a esso.
Un buon requisito ha un numero. "Raccoglie le palline velocemente" è un desiderio. "Raccoglie 100 palline in 10 minuti o meno" è un requisito.
Partiamo dalla palla.
| Proprietà | Palla da lacrosse | Pallina da squash |
|---|---|---|
| Diametro | da 62,7 a 64,7 mm | da 39,5 a 40,5 mm |
| Massa | da 142 a 149 g | da 23 a 25 g |
| Costruzione | Gomma piena | Cava, due metà di gomma incollate |
| Dove si trova | Erba naturale o sintetica, all'aperto | Pavimento in legno, tra quattro pareti |
I dati del lacrosse provengono dallo standard delle palle, NOCSAE ND049. Fissa un peso da 5,0 a 5,25 oz e una circonferenza da 7,75 a 8,0 in, e i valori metrici sono una nostra conversione. I dati dello squash sono la specifica della palla World Squash così come pubblicata.
La palla da lacrosse è circa 1,6 volte più larga della pallina da squash. È circa sei volte più pesante. Una macchina costruita per entrambe è più difficile da realizzare di due macchine costruite ciascuna per una.
Per questo esempio, sviluppiamo un raccoglitore di palle da lacrosse. Ecco l'elenco.
| No. | Requisito | Come viene controllato |
|---|---|---|
| R1 | Raccoglie palle da lacrosse da erba naturale e sintetica | Test sul campo su entrambe le superfici |
| R2 | Raccoglie 100 palle in 10 minuti o meno | Cronometro, 100 palle distribuite su un'area di 30 m per 30 m |
| R3 | Contiene almeno 100 palline | Test di riempimento |
| R4 | Una persona può usarlo | Test sul campo con un solo utente |
| R5 | Entra nel bagagliaio di un'auto di medie dimensioni | Misura rispetto a una dimensione indicata del bagagliaio |
| R6 | Si svuota in un secchio a palline standard | Dimostrazione |
| R7 | Dura una stagione di utilizzo all'aperto | Test di durata, definito nel passo 4 |
| R8 | Si vende a meno di $250 | Modello di costo, passo 5 |
I numeri in R2, R3, R5 e R8 sono ipotesi per questo esempio. In un progetto reale vengono da lei, la persona che sta in campo ogni giorno.
Ora diamo dei numeri ai requisiti, e la lista dei desideri diventa un problema di ingegneria che si può risolvere con una matita.
Quanto pesa un carico completo?
Cento palle da lacrosse da circa 145 g l'una pesano circa 15 kg. Quanto un'anguria gigante. Il telaio, le ruote e il manico devono sostenerla. L'operatore deve spingerla.
Quanto spazio occupano le palle?
Una palla da lacrosse ha un volume di circa 135 cm³. Le palle versate in un contenitore lasciano spazi tra loro, e un mucchio casuale di sfere riempie solo circa il 64% dello spazio che occupa (impaccamento casuale compatto). Quindi 100 palle richiedono circa 21 litri di spazio. È la capienza di uno zaino piccolo.
Quanto velocemente bisogna camminare?
Supponiamo che la macchina raccolga ogni palla in una striscia larga quanto la macchina stessa. Liberare un'area di 30 m per 30 m con una macchina larga 0,6 m significa camminare per 1.500 m. A un passo costante ipotizzato di 1,2 m/s, servono circa 21 minuti. Non soddisfa R2. Una macchina larga 1,2 m dimezza il percorso, a circa 10 minuti. Ma una macchina da 1,2 m deve essere pieghevole per soddisfare R5.
Quindi due requisiti sono in conflitto. Qui c'è una via d'uscita. Supponiamo che le palle siano raggruppate, come potrebbero esserlo vicino alla porta dopo un esercizio di tiro. Allora si cammina da un gruppo all'altro, senza spazzare ogni metro quadrato. R2 può reggere, ma solo se il suo test distribuisce le palle come si trovano davvero. Il metodo di prova di R2 deve specificare come.
La regola: verifichi i requisiti l'uno rispetto all'altro prima di verificarli rispetto al mondo.
Passo 2: concetti
Con i requisiti definiti, il designer abbozza ogni modo ragionevole per soddisfarli. Questi schizzi sono i concetti. Tutti vengono messi sul tavolo prima che qualcuno scelga un preferito.
Il nostro raccoglitore ha quattro concetti. Ognuno fallisce da qualche parte. Il compito è scegliere il fallimento che si può gestire.
| Concetto | Come funziona | Costo di realizzazione | Il punto debole |
|---|---|---|---|
| A. Tubo di raccolta | Un tubo con labbri flessibili, venduto come raccogli-palle da lacrosse; lo si preme su ogni palla | Il più basso; già in vendita | Una palla alla volta; non soddisfa R2 |
| B. Rullo a spinta | Una gabbia di fili a molla fatta rotolare sul terreno; le palle premono tra i fili e restano intrappolate all'interno | Basso | La spaziatura dei fili va bene per una sola misura di palla |
| C. Spazzatrice trainata | Un rullo largo trainato da un veicolo di servizio, come le macchine raccogli-palline dei campi pratica da golf | Alto | Serve un veicolo; non soddisfa R4 e R5 |
| D. Robot | Una macchina su ruote trova le palle con una telecamera e le raggiunge | Il più alto | Batterie, software e meteo; non soddisfa R8 |
Ora applichi il metodo del risultato ideale. Immagini ogni concetto funzionare perfettamente.
Il tubo di raccolta perfetto solleva comunque una palla per ogni piegamento. Cento piegamenti sono proprio il problema da cui siamo partiti. Da scartare.
La spazzatrice trainata perfetta ha comunque bisogno di un veicolo in campo. Una squadra che non ne ha uno non può usarla. Da scartare.
Il robot perfetto trova ogni palla. Ha anche bisogno di una batteria, di motori, di una telecamera e di un software che distingua una palla da un dente di leone. Anche nella sua forma perfetta non rispetta il limite di prezzo di R8. Da scartare.
Il rullo spingente perfetto raccoglie ogni palla in un solo passaggio senza alcun motore. Passa. Il verdetto è il concetto B.
Noti perché ha vinto. Tra i concetti che superano la prova, B ha il minor numero di parti. Ogni parte eliminata è una in meno da progettare, acquistare o rompere.
Anche il concetto B è già in vendita, in formato più piccolo. Il Kollectaball K-Field è un rullo a gabbia di fili per palle da lacrosse, baseball, hockey su prato e cricket. Contiene fino a 25 palle e ha un prezzo di listino di $99.95. Dimostra che il principio funziona con una palla da lacrosse. Non soddisfa R3: cento palle significano svuotarlo quattro volte. Il lavoro che resta è una gabbia quattro volte più grande. Controlli cosa c'è già sugli scaffali prima di portare avanti qualsiasi progetto.
Dentro il rullo spingente
La gabbia è un tamburo fatto di fili a molla tesi tra due dischi terminali. Quando il tamburo rotola su una palla, due fili vicini la premono dall'alto. La palla è più larga dello spazio tra loro. Così i fili si divaricano, e la palla entra con uno scatto. Poi i fili tornano in posizione. Ora la palla è dentro e non può uscire.
Tutto dipende dall'apertura. Se è troppo larga, le palle ricadono fuori. Se è troppo stretta, i fili non possono piegarsi abbastanza da far entrare una palla. Un punto di partenza utile è un'apertura di circa l'80% del diametro della palla. Per una palla da lacrosse da 64 mm sono circa 51 mm. Per una pallina da squash da 40 mm sono circa 32 mm. Entrambi i numeri sono ipotesi da verificare al passo 3.
Ora torniamo alla pallina da squash. Con un'apertura dimensionata per la palla da lacrosse, la pallina da squash cade dritta attraverso. Con un'apertura dimensionata per la pallina da squash, la palla da lacrosse non entra mai. Una gabbia non può servire entrambi gli sport. Un raccoglitore di palline da squash ha bisogno di una gabbia propria, o di un telaio che accetti gabbie intercambiabili.
Lo squash pone una seconda domanda. Un campo da squash contiene forse 30 palline tra quattro pareti. Applichi di nuovo il risultato ideale. Una macchina perfetta fa risparmiare a un allenatore di squash un minuto o due. Un cesto potrebbe già bastare. La macchina più economica è quella che si evita di costruire.
La regola: annoti l'oggetto più piccolo e quello più grande che la macchina deve gestire prima di disegnare qualsiasi cosa.
Passo 3: prova di concetto
Una prova di concetto è un modello approssimativo costruito per rispondere a una domanda. L'idea centrale funziona?
Per il rullo a spinta, la domanda è circoscritta. Le palle da lacrosse entrano nella gabbia e restano dentro quando la gabbia rotola sull'erba? Il manico, la vernice e il meccanismo pieghevole possono aspettare.
Il modello può essere qualche filo a molla piegato attorno a due dischi di compensato. Lo faccia rotolare su un tratto d'erba con dieci palle. Conti quante finiscono dentro. Poi cambi l'apertura di 2 mm e lo faccia rotolare di nuovo, in un intervallo da 45 a 57 mm. Riporti in un grafico il conteggio rispetto all'apertura. L'apertura migliore è quella in cui ogni palla entra e nessuna esce.
L'erba aggiunge una seconda prova. Una palla da lacrosse affonda nell'erba. La gabbia deve premere la palla con forza sufficiente a spingerla tra i fili prima che la palla rotoli semplicemente via. Questa spinta viene dal peso del tamburo. Un tamburo troppo leggero salta le palle nell'erba alta. Faccia la prova sull'erba più alta che la macchina incontrerà.
Questo è il punto del progetto in cui sbagliare costa meno. Un'idea che fallisce qui costa un po' di compensato, una bobina di filo e qualche pomeriggio sull'erba. La stessa idea che fallisce dopo la realizzazione degli stampi costa migliaia di dollari.
Passo 4: prototipo ingegneristico e test
Una volta che l'idea funziona, il progettista costruisce un prototipo che appare e si comporta come il prodotto reale. Ogni parte viene prima disegnata in un modello computerizzato. Ogni dimensione, materiale e fissaggio sono elencati.
Il prototipo ha cinque parti principali. Ognuna ha la sua domanda ingegneristica.
| Parte | Cosa fa | La domanda ingegneristica |
|---|---|---|
| Gabbia | Intrappola le palle | Materiale, diametro e apertura dei fili |
| Dischi terminali | Tengono i fili in posizione | Abbastanza rigidi da mantenere l'apertura uniforme sotto 15 kg |
| Asse e ruote | Permettono alla gabbia di rotolare | Cuscinetti che resistono a erba, fango e pioggia |
| Telaio e maniglia | Permettono a una sola persona di spingere | Altezza della maniglia e chiusura pieghevole per il bagagliaio |
| Sportello di svuotamento | Rilascia le palle | Si apre senza attrezzi e resta chiuso durante il rotolamento |
Prendiamo come esempio i fili. Ogni palla che entra ne piega due. Pieghi una graffetta avanti e indietro, e presto si spezza. Il metallo si affatica sotto piegature ripetute. Gli ingegneri chiamano questo fenomeno fatica.
Quindi conti le flessioni. Supponiamo 100 palle per allenamento, cinque allenamenti a settimana e una stagione di 30 settimane. Sono 15.000 palle, e ogni palla piega due fili. L'acciaio per molle mantenuto ben al di sotto dei suoi limiti regge molte più flessioni. I fili rotolano anche sull'erba bagnata. Devono essere in acciaio inox o rivestiti contro la ruggine.
Il prototipo viene poi verificato rispetto ai requisiti, una riga alla volta.
| Test | Metodo | Soglia di superamento |
|---|---|---|
| Velocità di raccolta (R2) | 100 palle in gruppi su un'area di 30 m per 30 m, un operatore | 10 minuti o meno |
| Capacità (R3) | Riempire finché le palle non cadono fuori | 100 palle o più |
| Durata (R7) | Far rotolare la gabbia su 15.000 palle su erba sintetica; caduta dall'altezza del portellone posteriore | Nessun filo rotto o parte incrinata |
| Svuotamento (R6) | Si rovescia in un secchio standard | Tutte le palle fuori senza attrezzi |
La maggior parte dei prototipi non supera almeno un test la prima volta. È a questo che servono i test. Ogni fallimento viene annotato. Il progetto viene modificato. Poi il test si ripete. Preveda due o tre cicli.
Passo 5: progettazione per la produzione
Un prototipo si costruisce un pezzo alla volta, con ciò che si ha a disposizione. Le fabbriche producono a centinaia o a migliaia. La progettazione per la produzione è la fase in cui il progetto cambia perché una fabbrica possa realizzarlo in modo rapido, economico e sempre uguale.
Qui incontra la cifra che decide la maggior parte dei budget hardware: le attrezzature di produzione. Sono gli stampi e le maschere di cui una fabbrica ha bisogno prima di poter produrre il primo pezzo. Le paga prima che venga spedita una sola unità. Uno stampo per un singolo pezzo in plastica costa da circa $1,500 per uno stampo semplice in alluminio a $100,000 per uno grande e complesso.
Il costo di un'unità è:
C è il costo di un'unità. N è il numero di unità prodotte. T è il costo degli stampi e delle attrezzature, pagato una sola volta. M è il costo di materiali e componenti per unità. L è la manodopera di assemblaggio per unità.
Confrontiamo due modi di realizzare i dischi terminali e le parti del telaio del raccoglitore. Il Metodo 1 li stampa con una stampante 3D e li assembla a mano. La sua attrezzatura è la stampante. Il Metodo 2 usa parti stampate a iniezione. Tutte le cifre sono ipotesi per questo esempio, non preventivi.
| Metodo 1: stampa 3D | Metodo 2: stampaggio a iniezione | |
|---|---|---|
| Attrezzature e stampi, T | $600 | $30,000 |
| Materiale e parti, M | $60 | $18 |
| Assemblaggio, L | $25 | $10 |
| Costo unitario a 100 unità | $91 | $328 |
| Costo unitario a 500 unità | $86 | $88 |
| Costo unitario a 5.000 unità | $85 | $34 |
A 100 unità, ogni raccoglitore stampato a iniezione porta con sé $300 di stampo. A 5.000 unità, lo stesso stampo aggiunge $6. I due metodi costano uguale a circa 516 unità. È la differenza di $29,400 nel costo degli stampi divisa per i $57 che lo stampaggio fa risparmiare su ogni unità.
Quindi il modo di costruire un prodotto dipende da quanti pezzi si prevede di vendere. Una lega che ha bisogno di 50 raccoglitori non dovrebbe acquistare uno stampo. A 5.000 unità, la stampa 3D costa $51 in più per raccoglitore rispetto allo stampaggio.
Qui c'è anche la risposta a una domanda comune: quanto costa realizzare un prototipo? Il prototipo in sé è la cifra piccola. Sono gli stampi che seguono a decidere.
Passo 6: serie pilota e produzione
Prima dell'ordine completo, la fabbrica produce un piccolo lotto chiamato serie pilota, di solito da 30 a 300 unità a seconda del processo. Il progetto è stato definito al passo 4. Ora è la fabbrica a essere messa alla prova. I pezzi si montano bene sulla linea, e la centesima unità corrisponde alla prima? Anche la scatola viene verificata rispetto al prodotto.
Un problema scoperto in una serie pilota costa poche unità. Lo stesso problema scoperto dopo la spedizione è in 5.000 scatole.
Poi inizia la produzione. Da qui in poi il lavoro consiste nel controllare. I pezzi vengono ispezionati all'arrivo. Le unità finite vengono testate a campione. Ogni modifica viene registrata.
Limiti di questo esempio
- Tutti i costi e il prezzo obiettivo di $250 sono ipotesi scelte per mostrare i calcoli. Un progetto reale riceve preventivi reali.
- Il raccoglitore di palline da squash non viene sviluppato oltre la fase concettuale.
- Elettronica, software e certificazione di sicurezza non sono coperti. Un rullo spingente non ne ha bisogno. Molti prodotti sportivi hanno bisogno di tutte e tre.
Domande comuni
Ho bisogno di un brevetto prima di parlare con un progettista? No. Un accordo di riservatezza protegge la conversazione. Se depositare un brevetto è una questione separata, da affrontare con un consulente in brevetti.
Posso saltare la prova di concetto? Raramente. È il passaggio più economico. Ogni passo successivo dipende dalla risposta che offre.
Una macchina dovrebbe servire due sport? Non all'inizio. Progetti per lo sport con il problema più evidente, poi adatti.
Quanto dura l'intero processo? Può durare da 2 mesi a 2 anni. Dipende dai suoi requisiti, dal budget e dalla determinazione.
Dove ci inseriamo
Fonti: NOCSAE ND049-19, standard performance specification for newly manufactured lacrosse balls · Squash ball specification, as summarised by Wikipedia · Random close packing of spheres · Kollectaball K-Field ball collector · Protolabs: injection molding pricing · Xometry: injection molding cost · Fictiv: pilot production · StudioRed: product design cost · Cad Crowd: design and prototyping rates. Correlati: quanto costa un prototipo hardware · come trasformare un'idea in un prodotto.