2019年9月26日

设计您的产品，使其具有可制造性和高质量

贡献:查理卖家，Ryan Vinyard

从原型设计到生产中的过渡是任何国家的任何硬件启动的巨大步骤。鉴于此转换是许多硬件启动失败的情况下，重要的是考虑设计产品强调生产能力和局限性的不同方法。在本文中，我们将通过水过滤镜片检查许多不同的方法，以“制造”（DFM设计“（DFM），特别关注”质量设计“（DFQ）。

传统的方法

DFM是将设计从原型工具和方法转换为可扩展的生产就绪设计的最传统方法。这是一个广泛的术语,有时被用来代替下面描述的更一般的“DFX”子类别(X是一个占位符的专业术语),但在它的严格定义,DFM分析只有各个部分和准备的新工具,机械,材料,需要进行大规模的生产。本文以陶罐滤水器为例，探讨了这一概念。在他们的情况下，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，使从工装中去除成为可能)来实现。正如您将在下面看到的，DFM只是一种方法，必须与许多其他战略相结合，才能实现成功的产品转型。

面向装配的设计(DFA)是从原型到生产的第二大常见领域。最简单的形式是，DFA着眼于零件是如何组装成一个完整的产品的。DFA更广泛地关注组装的复杂性、劳动力和成本，以及任何可能降低吞吐量或增加劳动力成本的事情。DFM和DFA必须密切协调，因为针对单个部分的纯DFM方法可能与DFA不一致。例如，在陶罐的各个角落添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时将它们固定在一起。

DFX -变得有创意

虽然DFM和DFA是制造业转换的传统方法，但缩略词已经大量出现。企业已经开始意识到，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DFX术语:

• 为服务而设计(DFS)——为可服务性而设计部件或系统意味着强调可更换部件、预防性维护机会，以及其他可能延长产品寿命或性能的服务领域。对于每个服务任务是期望由用户还是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，在昂贵的资产的长寿命中，故障是预期的。对于水过滤器来说，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)——这是一个强调临终的担忧,尤其是对任何特殊材料由于最近关注生命周期设计考虑看一个产品如何影响环境从初始生产到最终处置和希望的部分产品的回收。尤其重要的是，尽早考虑并同意作为公司的下游处理，回收，或重复使用的理念，这与你的公司的价值观一致。
  可回收性通常与DFX的其他原则不一致。例如，DFM原则可以促使您向陶罐中添加某些粘合剂，从而使加工更容易，但这可能会使报废的部件无法回收或再加工。
• 成本设计(DFC) -解决生产成本。这通常是通过细化单个部件和减少整体部件数量来完成的。这是由对BOM(物料清单-设备中组件及其相关规格和成本的清单)的分析驱动的，以分析预计的销货成本(销货成本)。虽然减少零部件的代价有时可能是降低质量，但成本是一个合理的担忧，特别是在新兴市场。成本和利润率可以决定一个处于早期阶段的公司的成败。这种设计方法可以应用于水过滤器，通过稀释陶罐以减少所需材料，或者重新设计原型，生产一个只有一半大小的过滤器。较小的过滤器可能适合一个不愿意接受原来较大尺寸的成本而愿意处理较小容量或流量的市场。
• 质量设计(DFQ)——这可以驱动您的整个流程、测试、长期业务模式和期望的许多因素，所以我们在下面更深入地研究DFQ。

当过渡到生产阶段时，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层优先事项达成一致的重要时机。这方面的一个典型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。将这三个领域划分为优先级的意义在于，每个人都想说这三个领域都很关键，但现实主义占上风，在这一过程中你需要做出妥协。按照重要性对这些目标进行排序，或者至少指定一个主要的“锚”值。这可以帮助你的公司在最初的生产运行和持续的增加的决策过程。

设计质量

我们应该什么时候开始为新产品设计高质量的产品?虽然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得到可能的最好的产品，并且这样做的成本不会影响你。质量差对初创公司来说是致命的，因为你不仅要拒绝劣质零件，还要处理所有其他质量差的成本(COPQ)。这些可能包括在你回应投诉和救火时对你的组织造成的损耗。要产生卓越的结果，你不必是六西格玛黑带，六西格玛黑带指的是专家能将生产缺陷减少到仅340 / 100万或更少。不要依赖于使用最终检查来试图确保不良产品永远不会到达现场。相反，要建立一个从一开始就阻止它们被制造出来的系统。

你能测量什么?

卓越的质量取决于两个因素，无论你生产的是改进的炉灶、新的医疗设备、陶瓷滤水器还是太阳能灯。检查您的产品要做什么，以及您如何验证它实际上交付了预期的结果(这在您的工程规范中得到了体现)。它确实有燃料效率，清洁水吞吐量，或光输出你说它会吗?我们看到的一些最大的问题是没有制定切合实际的规格，产品测试计划不充分，以及选择一种不能可靠地制造好产品的制造方法。

让我们以图1中的陶瓷水过滤器为例，例如由potter for Peace组织为满足数以亿计无法获得清洁饮用水的人们的需求而推出的过滤器。

这些由多孔粘土制成，逐渐过滤填充有不安全水的储存器。他们必须提供合适的清水流量，以满足家庭的日常需求。我们将想象您已经开发了初始制造过程（将本地粘土和锯末，成型过滤器组合，并在窑中向其射击，以便锯末燃烧留下适当的孔尺寸和数量）。现在您希望确保您的组织的标准操作程序（SOP）足够好，以满足许多关键规范，包括水质，流量和寿命。请注意，任何规范都将倾向于由因素的组合而导致。可能存在性能问题（产品只是在他们之外的工作），您的客户可能会为您提供一些输入，并且会有制造过程限制（可以制作？）。

例如，通过过滤器的水流速度不能过低(否则主人不会有足够的水喝)或太快(可能会影响水质)。因此，我们首先需要一种方法来确定这两个限制，然后或许可以测试每个过滤器都有一个介于它们之间的值。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，这是很常见的。当然，我们可以简单地把每个过滤器装满水，然后测量在给定的时间内通过它的水量，然后拒绝任何超出规格的过滤器。但是我们如何利用测试结果来改进我们的制造过程，并预测未来的质量呢?首先，我们需要一个可以信赖的测试。

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。它还应该产生一致的结果。在水过滤器流速测量的情况下，这些可能是需要问的重要问题:过滤器是否应该预先浸泡以使其孔隙完全饱和?我们必须不断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?我们应该如何测量过滤的数量(例如，通过重量，体积，或使用试纸来确定有多少已被清空)?重要的部分是，您的测试可以可靠地区分好和坏的部分，有足够的灵敏度，所以当您使用电子表格时，您可以清楚地评估概率曲线的形状，以确保它是合理的。当然，如果你对同一组样本重复测量，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)。这种方法有一个正式的过程评估测试本身,称为Gage R&R,在几个不同的运营商测试几次相同的几部分,然后我们仔细检查结果是否变化的结果是由于测试方法的问题或与运营商如何应用它。

一个糟糕的测试几乎与所有没有测试一样糟糕，因为它可以给你一个虚假的安全感，所以要非常小心，确保它是合适的，所以SOP写得很好，并且操作员培训是彻底的．

正态分布之美

在美好的一天，性质表现得很好。如果我们测量一堆以相同的方式生产的零件（一致，使用良好的SOP）并使用相同的测试设备，那么我们预计将对称地分布在平均值周围。这是我们预期的熟悉的“钟曲线”，当来自理想的波动只是随机的大小。它永远不会真正顺利（如果它是它被描述为高斯函数），因为当我们测量许多部件时，数据值将落入相同宽度的离散“垃圾箱”，从而易于创建的概率直方图电子表格（例如通过使用Excel频率函数）。

当一切进展顺利时，您的数据将形成这个钟形曲线，该曲线将完全落在规格下限和规格上限之间;理想情况下，它将位于规范的中心。曲线的尾部落在任何一个规格之外都表明零件已经失效，导致较低的成品率。在这种情况下，收益率是产品通过并可以出售的部分。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一个有能力的流程。你还必须设计一个好的测试方法(和它的SOP)，并通过仔细控制你的生产过程来确保你的产品符合规格。

优化滤水器制造

让我们看看水过滤器制造的挑战，我们现在确定了清洁水的流速作为一个关键规格。，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.

第二个例子显示了如果我们深入研究并努力确保我们的制造sop是真正应该的，我们的员工通常都遵循它们，我们的测试程序被仔细遵循，我们可以期望什么。平均流速仍然是2。5升/秒，但是现在的分布是正态的(它有一个钟形-非常重要)，所以标准差告诉我们一些关于变化的有意义的东西，产量是85%。我们还有改进的余地，而且如果我们想要盈利，就必须改进。此时可能是值得回顾您的规格来确定这个范围内的流速是你的客户真正想要的产品(太慢和过滤器没有足够的水,太快,他们可能担心水不够干净),和你的制造过程(原材料、员工和设备)可以合理地让你做得更好。

优化制造过程

现在您关注的是质量，度量正确的东西并分析结果，并且您的过程表现良好，您可以进一步进行增量更改以提高您的产量。在图4的第一个例子中，我们实现了一个以零缺陷为目标的质量程序。我们指派员工监控和测量整个生产过程的质量。这样，最终的流量测试将不会是告诉我们一切是否正常工作的第一个检查。sop和设备的进一步改进使我们能够一直满足这批产品的规格要求。看来我们可以放松了，再也不用担心质量了!但是如果我们真的认真对待质量的话，我们知道仅仅满足我们的规格是不够的。我们希望完全符合我们的规格，就像第二个例子一样，向我们的经销商灌输信心，这样他们就会把这种产品推荐给其他人。

在您的规范范围内是六西格玛方法论的核心，其中规范范围至少是标准偏差的6倍。如果你总是担心批次间的差异和正态分布的长尾会导致你经常滑出规格，你就不能到达测量缺陷产品的阶段。有时那些劣质产品会影响到顾客。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格的程度。精明的经销商可能会问你这些信息。您也可以使用这些质量概念与您的原材料和组件供应商。如果他们不能像这里描述的那样提供质量，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

你们的质量计划过程就是要了解你们的产品和制造过程，一个很好的方法就是通过失效模式影响分析(FMEA)，这是一种试图预测产品(或过程)可能出现的错误的工程方法，然后对这些潜在的“失败模式”进行排序，这样我们就可以对它们进行优先排序，首先处理最关键的。的帮助下我们进行一个比较标准化的电子表格模板(如https://goleansixsigma.com/failure-modes-effects-analysis-fmea/,简单的例子),我们先检查产品的组件,然后想象可能出错为每个失效模式我们试图量化:
•严重程度:故障的后果有多严重，这取决于客户对问题的体验。发生频率:故障发生的频率，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:我们如何防止它的发生，包括我们已经在适当的地方检测坏零件的控制措施，或防止故障模式的发生

这三个(严重程度、发生情况和检测)都根据您公司的具体排名方法给出从1到10的数值分数。然后这些的乘积就变成了风险优先级数(RPN)得分，你可以选择哪个RPN值是你无法承受的。由于这三种排名方法都是主观的，没有特定的界限表明您应该做些什么来降低您的风险，但考虑以下我们的水过滤器产品Figurine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更高的严重评分(因为它威胁到您的业务)，并且不能在缺陷离开您的工厂之前很容易地发现它(即使它不经常发生)，这应该足以让您停下来做一些事情。假设RPN分数>100足以让您检查这种特定的故障模式。现在你需要制定一个行动计划，执行一些针对根本原因的改变，然后修改你的RPN分数，并确信你已经接近于拥有更好的产品，特别是满意的客户，以及改善的底线。无论如何，在产品开发周期中尽可能早地启动FMEA过程。一旦人们对自己的设计过于依恋，他们自然就会抵制更改它。因为质量总是应该从组织的顶层开始，所以让管理层积极参与过程是非常有帮助的。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——这是一个年轻的公司用来解释他们的产品和商业模式，通常用来吸引融资。但是质量计划呢?质量计划是你展示你将如何实现你所说的承诺的信息的地方:一个始终如一的高质量的产品，并且可以负担得起。

它不需要一开始就成为一份令人生畏的文件，而只是一个包含你的质量愿景、程序、实践、说明、责任、培训材料以及任何其他影响你如何制作和测试产品的内容的活页夹。

下面是一些你需要考虑的事情:

• 为质量而设计:您是否记录了客户的要求?你的设计能使他们满意吗?你完成了FMEA吗?
• 供应商识别、审查、选择和教育:如何定位潜在的供应商?你如何确定它们是否合适?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:您如何确保您的质量要求得到满足，并始终保持高度优先级?你做什么测试和检查，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?您使用什么度量?

总之

DFX战略的精心规划和实施，可以挽救初创企业的灾难和破产。这样的概述应该为你的创业计划播下种子，让你养成习惯，在这个困难的阶段维持你的创业。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近乎完美的产品的，这在很大程度上是因为它们很早就专注于制造、组装、质量和其他方面的设计。

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

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关于作者

查理•塞勒斯(Charlie Sellers)是一名顾问，他试图涵盖“技术”的所有领域，从与发展中国家的村庄合作，到为跨国公司提供建议，教他们如何布局偏远的工厂以达到最佳效率。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，并学会了通过无国界工程师(Engineers Without Borders)和Catapult Design帮助世界。

Ryan Vinyard设计稳定和可扩展的框架，用于越来越多的硬件初创公司，对齐产品和商业策略。他的专业知识是硬件产品开发，制造，项目管理，流程创造和流动，以及战略发展。他还介绍了这一流行的E4C网络研讨会：根据预算制作原型．

标签:设计制造，设计原则，产品设计，质量控制