2019年9月26日

为可制造性和高质量设计产品

贡献:查理·塞勒斯，瑞安·温亚德

对于任何国家的硬件初创公司来说，从原型到生产的过渡都是巨大的一步。考虑到这种转变是许多硬件初创公司失败的地方，考虑不同的方法来设计你的产品，强调生产的功能和限制是很重要的。在这篇文章中，我们将通过水过滤的镜头来研究许多不同的“为制造而设计”(DFM)的方法，特别关注“为质量而设计”(DFQ)。

DFM-DFA -传统方法

DFM是将设计从原型工具和方法转换为可扩展的生产设计的最传统方法。这是一个广泛的术语，有时用来代替下面描述的更一般的“DFX”子类别(X是专门术语的占位符)，但在其最严格的定义中，DFM只分析单个部件，并为大规模制造所需的新工具、机械和材料做好准备。本文以陶罐滤水器为例，探讨了这一概念。在这种情况下，DFM可以通过改变锅的轮廓，增加所有角的半径，并增加吃水(垂直表面的角度，以使从模具中去除成为可能)来实现。正如您将在下面看到的，DFM只是一种方法，必须与许多其他策略相结合才能实现成功的产品过渡。

装配设计(DFA)是从原型到生产过程中第二个最常见的领域。在最简单的形式中，DFA研究的是如何将零件组装成一个完整的产品。DFA更广泛地解决了组装、人工和成本的复杂性，以及任何可能降低吞吐量或增加人工成本的问题。DFM和DFA必须密切协调，因为单个部分的纯DFM方法可能与DFA不一致。例如，在陶罐的所有角落都增加小半径可能会使单个组件更容易成型，但可能会使它们更难对齐到桶中或在组装中紧固在一起。

DFX -获得创意

虽然DFM和DFA是制造转换的传统方法，但首字母缩写的数量一直在增加。公司已经开始意识到，有许多领域需要专门设计，以满足长期生产和公司规模。以下是一些正在使用的DFX术语:

• 为服务而设计(DFS)——为可服务性设计部件或系统意味着强调可更换部件、预防性维护机会和其他服务可能延长产品寿命或性能的领域。对于每个服务任务是由用户还是由训练有素的技术人员执行，有明确的内部期望是很重要的。这在更复杂的机器中尤其普遍，因为在昂贵资产的长期使用寿命中，故障是预料之中的。对于滤水器来说，这可以确保水壶本身是可更换的，因为它是关键的功能部件，也有很高的开裂风险。
• 可回收性设计(DFR)——这是对寿命终结问题的强调，特别是对于任何特殊材料，因为最近关注的是从摇篮到摇篮的设计考虑，着眼于产品从最初的生产一直到最终的处理，以及希望回收的部分产品如何影响环境。作为一家公司，尽早考虑并同意与公司价值观一致的下游处置、回收或再利用理念，这一点尤其重要。
  可回收性通常与其他DFX原则不一致。例如，DFM原理可以促使你在陶罐中添加某些粘合剂，使加工更容易，但这可能会使回收或重新加工零件在寿命结束时成为不可能。
• 为成本设计(DFC) -解决生产成本。这通常是通过细化个别零件和减少整体零件数量来实现的。这是通过分析BOM(物料清单-设备中的组件及其相关规格和成本的列表)来分析预计的销货成本(COGS)。虽然减少零部件的代价有时是降低质量，但成本是一个合理的担忧，尤其是在新兴市场。成本和利润率可以决定一家初创公司的成败。这种设计方法可以应用于滤水器，可以将陶罐减薄以减少材料的需求，或者重新设计原型以生产出一半大小的过滤器。较小的过滤器可能适合不愿意接受原来较大尺寸的成本，并愿意处理较小容量或流量的市场。
• 质量设计(DFQ)——它可以驱动您的整个流程、测试、长期业务模型和期望的许多因素，因此我们将在下面更深入地研究DFQ。

在过渡到制造阶段时，您的公司将需要从一系列令人难以置信的设计目标中进行选择。这就是为什么现在是就高级别优先事项达成一致的重要时刻。一个典型的框架是着眼于传统上相互直接冲突的三个生产领域:成本、质量和时间。也就是说，快速生产某样东西可能会导致比你想要的价格更高或产品质量低于预期。在这三个领域之间进行优先级排序的重点是，每个人都想说这三个领域都很重要，但现实主义占上风，一路上你需要做出妥协。按照重要性对这些目标进行排序，或者至少分配一个主要的“锚”值。这可以帮助你的公司在初始生产运行和后续升级过程中做出决策。

高质量设计

我们什么时候开始在新产品中设计质量?当你可能有一个商业计划，你也有一个质量计划吗?质量计划详细说明了你将如何确保客户只收到尽可能最好的产品，这样做的成本不会削弱你。对于初创公司来说，低质量可能是一个杀手，因为你不仅要拒绝不良部件，还必须处理低质量带来的所有其他成本(COPQ)。这些可能包括在你应对投诉和灭火时对你的组织造成的损耗。为了交付出色的结果，你不必成为六西格玛黑带，六西格玛黑带指的是将生产缺陷降低到百万分之3.4或更低的专家。不要依赖于使用最终检查来尝试并确保不良产品永远不会进入现场。相反，要在一开始就建立起防止它们被制造出来的系统。

你能测量什么?

优秀的质量取决于两个因素，无论你是在生产一个改进的炉灶，一个新的医疗设备，一个陶瓷滤水器，还是一盏太阳能灯。检查一下您的产品要做什么，以及您如何验证它实际上交付了预期的结果(在您的工程规范中捕获)。开云全站app登录官网入口下载它真的像你说的那样具有燃油效率、清洁水的吞吐量或光输出吗?我们所看到的一些最大的问题是未能制定切合实际的规格，对产品测试的计划不足，以及选择的制造方法不能可靠地制造出好产品。

让我们以图1中的陶瓷滤水器为例，例如波特和平组织为满足数亿无法获得清洁饮用水的人的需求而推广的陶瓷滤水器。

它们是由一种多孔粘土制成的，这种粘土可以逐渐过滤充满不安全水的水库。它们必须提供适当流量的清洁水，以满足家庭的日常需求。我们将想象你已经开发了一个初始的制造过程(结合当地的粘土和锯末，成型过滤器，并在窑中烧制，以便锯末燃烧出来，留下适当的孔大小和数量)。现在，您希望确保组织的标准操作程序(SOPs)足够好，以满足许多关键规格，包括水质、流速和使用寿命。请注意，任何规范都可能是多种因素结合的结果。可能会有性能问题(在它们之外产品就不能工作了)，您的客户可能会为您提供一些输入，并且会有制造过程的限制(它能制造出来吗?)

例如，通过过滤器的水流速度不能太低(否则业主将没有足够的水喝)或太快(水质可能会受到影响)。因此，我们首先需要一种方法来确定这两个极限，然后测试每个过滤器是否有一个介于这两个极限之间的值。我们并不总是需要测量我们的每一个产品，但对于滤水器来说，这并不罕见。当然，我们可以简单地在每个过滤器中装满水，然后测量在给定的时间内通过它的渗透量，并拒绝任何超出规格的过滤器。但是，我们如何更深入地利用测试结果来改进我们的制造工艺，并预测未来的质量呢?首先，我们需要一个可以依赖的测试。

开发测试，然后测试测试

我们总是有测试选择，我们的目标是开发一个简单的，易于教学和执行的测试。它还应产生一致的结果。在水过滤器流量测量的情况下，这些可能是要问的重要问题:过滤器是否应该预先浸泡以使其毛孔完全饱和?我们必须不断地保持过滤器中的水量(以保持一致的水头压力)吗?流量测试应该持续多长时间?我们如何测量过滤的量(例如，通过重量、体积或使用油尺来确定有多少已经被清空)?重要的是，你的测试可以可靠地区分好的和坏的部分，有足够的灵敏度，所以当你使用电子表格时，你可以清楚地评估概率曲线的形状，以确保它是合理的。当然，如果你在同一组样本上重复测量，结果应该非常相似(可重复性)，如果其他人测试它们，那么他们应该得到非常相似的结果(可重复性)。对于这种评估测试本身的方法，有一个正式的过程，称为Gage R&R，在这个过程中，几个不同的操作员将相同的几个部件分别测试几次，然后我们仔细检查结果，看看结果的变化是由于测试方法的问题还是由于操作人员如何应用它。

一个糟糕的测试几乎和没有测试一样糟糕，因为它会给你一种虚假的安全感，所以要非常小心地确保它是合适的，SOP写得很好，很清楚，操作人员培训是彻底的。

正态分布之美

天气好的时候，大自然表现得很好。如果我们测量以相同方式(一致地，使用良好的SOP)生产的一堆部件，并使用相同的测试设备，那么我们期望这些值围绕平均值对称分布。这就是我们所熟悉的“钟形曲线”，当与理想状态的波动在大小上是随机的时，我们就会想到它。它从来都不是真正平滑的(如果是的话，它将被描述为高斯函数)，因为当我们测量许多部分时，数据值将落入离散的等宽“箱子”中，从而产生一个概率直方图，很容易在电子表格中创建(例如使用Excel FREQUENCY函数)。

当一切顺利时，您的数据将形成这个钟形曲线，曲线将完全落在您的规格下限和规格上限之间;理想情况下，它应该在规范的中心。曲线的尾部落在任何一种规格之外表明部分已经失败，导致较低的产量。在这种情况下，产量是你的产品通过并可以出售的比例。您的挑战是选择可以在生产中(现实地)满足的规范，这意味着您的流程是有能力的。你还必须设计一个好的测试方法(和SOP)，并通过仔细控制你的制造过程来确保你的产品符合规格。

优化滤水器制造

让我们来看看水过滤器制造的挑战，我们现在将清洁水的流速确定为一个关键规格。，We determine that a flow rate of 2-3 liters per hour will meet customers’ expectations and is something that we can achieve with our manufacturing process. Figure 3 shows how quality often behaves at the start of new product manufacturing. The vertical lines identify our lower specification (2 L/hr) and upper specification (3 L/hr). The first example shows the test results for a batch of filters which is not at all able to meet specifications adequately. This process is said to be out of statistical control. Note that while we can identify a mean flow rate value for the batch (2.5 L/hr), the standard deviation does not describe the variation of each filter from that average rate. And the manufacturing yield is only 70 percent, so 30 percent of the filters must be thrown away. Things are going wrong somewhere in our manufacturing process. Small random errors are not the only thing that is keeping us from meeting specifications. The worst part about this kind of data is that we cannot predict future quality or yield from it, since the shape of it tells us that we don’t really understand how to meet the specifications, and so any changes to the process that we make in order to try and improve things might just make things worse.

第二个例子表明，如果我们深入研究并试图确保我们的制造标准操作规程确实是应该的，我们的员工通常都在遵循它们，我们的测试程序也得到了仔细的遵循，那么我们可以期待什么。平均流速仍然是2.5升/秒，但现在分布是正态的(它有一个钟形-非常重要)，因此标准差告诉我们一些关于变化的有意义的东西，收率是85%。我们仍有改进的空间，如果我们想盈利，就必须改进。在这一点上，可能值得检查你的规格，以确定这个范围的流速是否真的是你的客户想从你的产品(太慢，过滤器不能产生足够的水，太快，他们可能担心水不够干净)，你的制造工艺(原材料，员工和设备的组合)可以合理地让你做得更好。

精炼制造过程

现在您已经专注于质量、测量正确的事情和分析结果，并且您的过程表现良好，您可以进行进一步的增量更改以提高产量。开云体育体育赛事在图4的第一个例子中，我们已经实现了一个旨在实现零缺陷的质量程序。我们指派员工监控和测量整个生产过程的质量。这样，最终的流量测试就不会是第一个告诉我们一切是否正常工作的检查。对标准操作规程和设备的进一步改进使我们能够始终满足这批产品的规格要求。看来我们可以放心了，不用再担心质量问题了!但如果我们真的认真对待质量，我们知道仅仅勉强满足我们的规格是不够的。就像第二个例子一样，我们希望在我们的规格范围内，给我们的经销商灌输信心，这样他们就会把这个产品推荐给其他人。

在你的规格范围内是六西格玛方法的核心，其中规格范围至少是标准偏差的六倍。如果您总是担心批次与批次之间的差异和正态分布的长尾会经常导致您超出规格，那么您就不能达到以零件为单位测量缺陷产品的阶段。有时这些劣质产品会到达顾客手中。我们甚至有一个称为过程能力指数(Cp)的参数，我们可以用它来描述我们超出规范的程度。精明的经销商可能会问你这些信息。您也可以将这些质量概念用于您的原材料和零部件供应商。如果他们不能提供像这里描述的那样的质量，那么你就不能期望能够预测你自己的质量。

认真对待质量- FMEA

你的质量计划过程是关于了解你的产品和制造过程，一个很好的方法是通过失败模式影响分析(FMEA)，这是一种工程方法，试图预测产品(或过程)可能出现的问题，然后对这些潜在的“失败模式”进行排序，以便我们可以优先考虑它们，首先处理最关键的那些。开云全站app登录官网入口下载我们在某种程度上标准化的电子表格模板的帮助下进行了一次测试(例如这里的https://goleansixsigma.com/failure-modes-effects-analysis-fmea/，有简单的例子)，我们从检查产品的组件开始，然后想象对于我们试图量化的每个单独的故障模式，会出现什么问题:
•严重性:根据客户对问题的体验，故障的后果有多严重。发生:发生的频率，部件故障的比例，或者可能是它们在服务中故障的频率
•检测:我们如何防止故障的发生，包括我们已经采取的控制措施来检测坏部件，或防止故障模式的发生

根据您公司的特定排名方法，这三个(严重性、发生性和检测性)中的每一个都给出了从1到10的数字分数。然后，这些结果的乘积就变成了风险优先数(RPN)分数，您可以选择哪个RPN值太大而不能容忍。由于这三种排名方法都是主观的，没有特定的界限表明你应该采取一些措施来降低风险，但请考虑以下我们的滤水器产品中的简化示例。

我们看到，当健康受到威胁时，我们必须考虑到严重程度很高。影响客户满意度的事情也需要一个较高的严重性分数(因为它威胁到您的业务)，并且不能在缺陷离开工厂之前及时捕获缺陷(即使它不经常发生)应该足以让您暂停并采取一些措施。假设RPN分数为>100足以让您检查这种特定的失败模式。现在你制定了一个行动计划，实施了一些解决根本原因的改变，然后你修改了你的RPN分数，相信你已经接近开云体育体育赛事拥有更好的产品，尤其是让客户满意的产品，并提高了底线。无论如何，在产品开发周期中尽可能早地启动FMEA流程。一旦人们过于依赖他们的设计，他们自然就会拒绝改变它。由于质量总是应该从组织的高层开始，所以让管理层积极参与到这个过程中是非常有帮助的。如果可能的话，管理层应该推动它。

质量计划的组成部分

每个人都知道商业计划——这是一家年轻公司解释他们的产品和商业模式所需要的，通常用于吸引融资。但是质量计划呢?质量计划是你展示你将如何实现你所承诺的信息的地方:一个可以负担得起的持续高质量的产品。

它不必以一份令人生畏的文件开始，只需一个活页夹，包含您的质量愿景、程序、实践、指示、职责、培训材料，以及其他任何影响您如何制作和测试产品的东西。

以下是你需要考虑的事情:

• 为质量而设计:你是否记录了客户的要求?你的设计能让他们满意吗?你完成FMEA了吗?
• 供应商识别、审查、选择和教育:如何定位潜在的供应商?你如何判断他们是否合适?你如何选择最好的一个(或多个)?你将如何管理和记录他们的质量?你们如何沟通质量问题?
• 质量保证测试:您做什么来确保您的质量要求得到满足，并且始终具有高优先级?你做了哪些测试和检查，你如何确保它们是充分的?
• 持续改进:你如何在你的组织中创造和保持质量文化?你如何衡量质量并展示结果，以便所有人都能从中学习?你使用什么指标?

总之

仔细的计划和执行DFX策略可以使初创公司避免灾难和破产。这样的概述可以播下种子，让你的创业公司在这个困难的阶段保持良好的习惯。如果你想知道，世界上最成功的企业是如何始终如一地生产出几乎完美无瑕的产品的，这在很大程度上是因为他们很早就专注于制造、组装、质量和其他方面的设计。

有问题或意见吗?请给我们发邮件。你可以在这里联系Ryan Vinyard:ryan@vpd.io

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作者简介

查理·塞勒斯(Charlie Sellers)是一名顾问，他试图覆盖“技术”的所有领域，从与发展中国家的村庄合作，到为跨国公司如何布局其偏远的工厂以获得最佳效率提供建议。他现在住在瑞士日内瓦，从旧金山地区来到这里，他在那里从事医疗设备开发工作，并通过无国界工程师和弹射设计学会了帮助世界。

Ryan Vinyard为不断增长的硬件初创公司设计稳定和可扩展的框架，使产品和业务战略一致。他的专长是硬件产品开发、制造、项目管理、流程创建和流程以及战略开发。他还介绍了这个颇受欢迎的E4C网络研讨会:开云体育官方在预算中创建原型．

标签:制造设计，设计原则，产品设计，质量控制