Validatietesten in productontwikkeling:van POC tot EVT, DVT, PVT en massaproductie

Als vuistregel geldt:hoe verder een product in ontwikkeling is, hoe duurder het wordt om wijzigingen aan te brengen. Daarom is een belangrijk overkoepelend doel van elk productontwikkelingsinitiatief het vroegtijdig oplossen van problemen, waardoor het risico van kostbare iteraties in latere stadia wordt verminderd.

Dit is waar validatietesten om de hoek komen kijken. Validatietesten is het fase-poortproces om te bepalen of een stuk hardware voldoet aan de vereisten die eraan worden gesteld door zijn volwassenheidsfase en of het klaar is om door te gaan naar de volgende fase. In het proces bouwen ontwerpers en ingenieurs talloze soorten prototypes. Elke fase bevat ruimte voor leren, verkenning en aanpassing, terwijl een product aan gedefinieerde criteria moet voldoen voordat het verder kan gaan om een ​​succesvolle industrialisatie te garanderen.

In dit artikel leggen we uit hoe we het ontwikkelingsproces naar massaproductie kunnen optimaliseren en belichten we de verschillende fasen van productvolwassenheid, inclusief hun doelstellingen, activiteiten, opgeloste problemen, geproduceerde prototypes en exitcriteria.

Waarom validatietests uitvoeren?

Een productontwerp is vrijwel nooit productieklaar vanaf het allereerste CAD-model. Zelfs een eenvoudig plastic item kan slechte gootsteenmarkeringen, stroomlijnen of zwakke plekken vertonen als gevolg van heterogene koeling nadat de eerste serie is gegoten. Een gebied kan te klein blijken om de wettelijk verplichte labels te verwerken. Onder bepaalde omstandigheden kunnen er tolerantieproblemen zijn met een passend onderdeel. Of een hoofdgebruikersgroep kan met een nieuwe hoge prioriteitsvereiste komen die de ontwerpers dwingt tot een nieuwe ontwikkelingsronde.

Het ontwerpproces vereist continu dergelijke aanpassingen, verfijningen en scharnieren, evenals studies naar aspecten als maakbaarheid, kostenraming, voice-of-customer (VOC), wetgeving, IP en certificeringsnormen vanaf het begin.

Naarmate het proces vordert in de richting van productie, stijgen de kosten van deze iteraties exponentieel. Terwijl een reeks schetsen en schuimmodellen, gemaakt door een ontwerper aan het begin van de ontwikkeling, een bedrijf $ 50 aan materialen zal kosten, kan een meer verfijnd snel prototype op basis van 3D-prints, buy-in onderdelen en een vacuüm gegoten omhulsel het bedrijf terughoudend maken ergens in de orde van $ 500- $ 1.000. Gereedschapswijzigingen in de productiefase kunnen tot $ 50.000 aan totale kosten leiden en resulteren in meerdere weken of maanden vertraging.

Voor complexe producten lopen de productie-investeringen in de miljoenen. De meest uitdagende producten, zoals vliegtuigen, vereisen duizenden werknemers en miljarden aan vaste productiekosten. Om dergelijke 1:10:100 en andere rampen te voorkomen, denken ontwerpers en ingenieurs bij elke stap in termen van kans op iteratie versus kans op succes. Validatietesten zijn essentieel om ervoor te zorgen dat de status van het ontwerp in een bepaalde fase aan de juiste eisen voldoet. Door elke fase te voorzien van duidelijke exitcriteria en deliverables, wordt een optimaal gebruik van middelen en kwaliteitsverbetering gegarandeerd.

Een consumentenproduct in verschillende stadia van productrijpheid na de initiële mockup. Achterkant:EVT gebouwd met SLS en SLA 3D-printen. Midden:'First shots' DVT gebouwd op basis van softtooling. Voorkant:PVT gebouwd met hard gereedschap. Hoffelijkheid:IDZone-productontwerp.

Fases van productrijpheid

POC en prototypen

Nadat de leidinggevenden van het bedrijf de nieuwe productplanning (NPP) hebben bevestigd door het bepalen van een marktopportuniteit, een productpositionering, het doen van een technologiebeoordeling, supply chain-strategie en toewijzing van middelen, wordt het ontwikkelingsproces doorgaans in handen van een product gelegd team dat deze moet vertalen naar een producteisendocument (PRD) en met haalbare concepten moet komen.

In eerste instantie worden proof-of-concept (POC)-prototypes gebruikt voor de eerste test van een idee, methode of product om het potentieel en de haalbaarheid ervan in de praktijk aan te tonen. Deze concepten worden later omgezet in prototypes, dit zijn werkmodellen van een product die precies laten zien hoe het product zal functioneren in termen van mechanica, ontwerp, gebruikerservaring, enzovoort.

De verschillende stadia van productontwikkeling naar massaproductie. (bron)

Een prototype is een concretisering van een productontwerp dat kan worden gebruikt om te communiceren en de waarde ervan met betrekking tot bepaalde vereisten te beoordelen. Prototypes variëren van low-fidelity 'zachte' modellen, handgemaakt van materialen zoals klei, karton, schuim en hout tot high-fidelity functionele prototypes die 3D zijn geprint of gemaakt in de machinewerkplaats. Gefocuste prototypen zijn bedoeld om slechts een deel van de productvereisten te belichamen en kunnen een 'lijkt-als'-model zijn, een functioneel 'werk-achtig'-model, of een model dat gedeeltelijke vorm en functie demonstreert om bepaalde subfunctionaliteiten te testen. Wanneer een prototype alle eisen en functionaliteiten meeneemt in het ontwerp, wordt dit het engineering prototype genoemd.

Vroege werken-achtige prototypen van de Form 3L grootformaat SLA 3D-printer.

Tijdens het proces kunnen non-form-factor (NFF) modellen worden gemaakt, dat zijn in wezen gigantische versies van het productontwerp die bedoeld zijn om tijdelijke versies van alle functionele componenten te huisvesten om een ​​werkende demonstrator te ontwikkelen. Rudimentaire werkende versies van de elektronica zijn opgenomen in de vorm van hardware-ontwikkelingskits, Arduino- of Raspberry Pi-constructies.

Analytische of virtuele prototypes zijn niet-fysieke productconcreten zoals een 3D-model voor weergave, wiskundige simulatie of FEA-analyse. Zelfs een schets is een ruwe vorm van een virtueel prototype.

Testbare alfa-prototypes met verschillende getrouwheden. Links:‘Lijkt op’ schuimmodellen van keukenapparatuur. Hoffelijkheid:Superieur prototype. Midden:Foamcore/kartonnen mockup met gedeeltelijke vorm en interactiviteit. Met dank aan:Frits van Beek. Rechts:Gedeeltelijk interactief machinaal bewerkt prototype van een digitale camera. Merk op dat dit een alfa-prototype is, omdat het nog niet is ontworpen voor productiedoeleinden. Met dank aan:Joep Frens.

De prototypingfase is essentieel om details te verduidelijken met betrekking tot gebruiksgemak, esthetiek, verborgen gebruikersbehoeften, meningen van collega-ontwerpers, productmanagers, experts over het onderwerp, en wettelijke en technologische beperkingen. Een typisch ontwerpproces voor een complex elektromechanisch product omvat meerdere concepten, elk ondersteund door een stapel verkenningsschetsen, een reeks fysieke mockups en een reeks 3D-weergaven.

Het IDEO-ontwerpteam had 80 schuimmodellen nodig om in 1987 de vorm van de eerste ergonomische computermuis voor Microsoft te krijgen. En met een proces van hoger risico en complexiteit kan het aantal oplopen tot de ongrijpbare 5.127 prototypes dat het James Dyson kostte om de eerste stofzuiger met 'cycloontechnologie' in de loop van 15 jaar te ontwikkelen. Om het ontwikkelingsproces van nieuwe producten te versnellen en het beruchte 'hardwaremoeras' te vermijden, is het van het grootste belang om prototypes te concentreren op de belangrijkste vereisten, rekening te houden met risico's die zich in latere stadia zullen voordoen en om verkennende gebruikerstests goed te plannen.

Al met al is het doel van de prototypingfase om een ​​technisch prototype te creëren dat werkt en eruitziet als het eindproduct. Deze fase moet bewijzen dat de gebruikte technologie voldoet aan de behoeften van de klant, dat het haalbaar is om te produceren en dat het product zal functioneren zoals bedoeld. Zodra deze zijn bevestigd, is het doel van de volgende validatiefasen om ervoor te zorgen dat het product consistent op schaal kan worden vervaardigd.

Engineering Validation Test (EVT)

In de fase van de engineeringvalidatietest (EVT) draait alles om het incorporeren en optimaliseren van de cruciale functionele reikwijdte die nodig is voor het product. Terwijl het resultaat van de prototyping-fase een beperkt 'alfa'-prototype was, zal hier een 'bèta'-prototype op technisch niveau worden ontwikkeld met een completere set functionaliteiten, meestal bepaald door een buildmatrix. Het technische prototype is een minimaal haalbare versie van het uiteindelijke commerciële product, dat is ontworpen voor productie (DFM). Het wordt gebruikt voor laboratoriumgebaseerde gebruikerstests met een selecte groep hoofdgebruikers, om de productie-intentie te communiceren aan toolingspecialisten in volgende stadia en om als demonstrator op te treden tijdens de eerste verkoopvergaderingen.

Er wordt een make-buy-analyse uitgevoerd voor alle componenten in de assemblage, componentengineering wordt gedaan op aangepaste onderdelen en er wordt een stuklijst (BOM) opgesteld voor RFQ's naar contractfabrikanten (CM's), zodat ze zich kunnen voorbereiden op de eerste assemblagelijn en first shots (FS) tooling. Voor elektronische producten worden high-end 'hot-stake' PCB's ontwikkeld met behulp van industriële processen. Op dit punt worden ook stroom-, thermische en EMI-tests uitgevoerd.

Typische werkzaamheden in de EVT-fase. Links:weergave van productontwerp met exploded view op productie-intentieniveau. Met dank aan:Oculus. Rechts:laagvolume spuitgieten met behulp van 3D-geprinte mallen.

Ongeveer 20 tot 50 eenheden worden geproduceerd met behulp van zeer nauwkeurige processen zoals additieve fabricage en CNC-bewerking, of een reeks afgietsels op basis van zacht gereedschap zoals siliconen of 3D-geprinte mallen. Het algemene doel is om het ontwerp te ontwikkelen met volledige productie-intentie en te eindigen met een klein aantal productiewaardige technische prototypen.

Ontwerpvalidatietest (DVT)

In de fase van de ontwerpvalidatietest (DVT) begint een product echt geïndustrialiseerd te worden. Waar EVT draait om ontwerp op architectuurniveau voor productie, gaat DVT over het krijgen van de juiste details terwijl het op weg is naar de eerste massaproductielijn. Het is een fase die wordt gekenmerkt door experimenteren en optimaliseren. PCB's worden tot in de perfectie geïtereerd door middel van foutopsporing en ruisonderdrukking. De CM zal voor elk gemaakt onderdeel de eerste harde tool ontwikkelen om de opbrengsten van massaproductie te verifiëren. Aluminium mallen kunnen worden gebruikt om het ontwerp te optimaliseren in termen van oppervlakteafwerking, materialen, toleranties, malconfiguratie zoals schuiven en nokken, verbindingsmethoden en procesparameters.

Hoewel er doorgaans 50 tot 200 eenheden worden geproduceerd, is het niet ongebruikelijk dat er meer dan 1.000 eenheden worden geproduceerd voor grote projecten. Deze eenheden worden vervolgens teruggestuurd voor interne evaluaties en het doorvoeren van definitieve technische wijzigingen, terwijl sommige als bèta-eenheden naar potentiële klanten en deskundige reviewers worden gestuurd. Veel tests zullen worden uitgevoerd op de eerste eenheden op productieniveau:omgevingskamertests, thermische cycli, trillingen, ESD, biocompatibiliteit, chemische weerstand, certificeringen zoals FDA, FCC, UL, CE, EC en RoHS, veroudering, straling, onder andere cosmetische, slijtage- en valtesten. Er worden uitgebreide gebruikerstests gedaan met een significant deel van de bevolking in een realistische context.

In de DVT-fase draait alles om het optimaliseren van details. Links:door warmte vastgezette printplaat op de plastic behuizing met behulp van geïntegreerde klinknagels. Met dank aan:Hartmann. Midden:experiment om een ​​spuitgegoten behuizing te integreren in een weefselsubstraat. Hoffelijkheid:Bemis Sewfree. Rechts:AES-omgevingskamer voor het testen van zoutmistcorrosie. Hoffelijkheid:bijbehorende milieusystemen.

Om de productontwikkeling te versnellen, is het mogelijk om de DVT-fase te omzeilen door aan het einde van de EVT-fase te investeren in hard tooling, zodat de EP direct voldoet aan niet alleen het EVT-exitcriterium van het hebben van een productiewaardig prototype, maar ook aan de DVT-exit criteria van hard tooling en massaproductie opbrengstbeoordeling. Het brengt echter enorme risico's met zich mee om zo snel PVT-middelen te investeren, en het is niet of nauwelijks aan te raden om op deze manier te bezuinigen.

Productievalidatietest (PVT)

De productievalidatietest (PVT) is de laatste fase voordat de massaproductie begint. Harde gereedschappen zijn vast, wat betekent dat er geen wijzigingen meer kunnen worden aangebracht in het productontwerp of de productiematrijzen. Malen, armaturen en testbanken moeten aanwezig en gevalideerd zijn voordat de productiepilot (PP) kan beginnen. De inspanningen die in deze fase worden geleverd, zijn gericht op het optimaliseren en stabiliseren van de productie- en assemblagelijnen in termen van lijnsnelheid, operatorexpertise, uitvalpercentage en dagopbrengst.

Potentiële risico's zoals leveringen van één bron - wanneer een onderdeel beperkt mag worden gemaakt door een enkele geselecteerde CM - zullen worden geïdentificeerd door middel van risicobeheerprotocollen zoals FMECA, QA/QC en FAI. Elektronica ondergaat hun eerste opstart en een firmware-inspectie, en de productverpakking en gebruikershandleidingen zullen ook in deze fase worden gemaakt. Het meeste werk in deze fase zal worden uitgevoerd aan de kant van de contractfabrikant.

De PVT-fase gaat over het optimaliseren van de productielijn door middel van proces- en kwaliteitscontrole. Links:Paneeltestmal voor meerdere printplaten. Met dank aan:Korea Jig. Midden:Multi-station montagemal voor een consumentenproduct. Met dank aan:Aerosport-additief. Rechts:Complexe roterende spuitgietmatrijs voor het vormen van meerdere materialen. Met dank aan:Grosfilley In-Mold &Rotative Solutions.

Een typisch resultaat van de PVT-fase is 500+ eenheden of ten minste 5% van de hoeveelheid van de eerste productierun. De doelstellingen zijn het verifiëren van massaproductieopbrengsten bij massaproductiesnelheden en het creëren van verkoopbare producten. Dit is waar veel bedrijven een verkoopplan zullen maken en hun operatie zullen starten met de vroege kopers. De PVT-build is de laatste kans voor een bedrijf om het productieproces aan te passen. Het is soms gefaseerd in termen van een rode, oranje en groene toestand, gebaseerd op succes volgens de belangrijkste productiestatistieken. Wanneer het groene lampje knippert, kan de echte massaproductie beginnen.

Vorm 3L PVT-eenheden vóór QA op het hoofdkantoor van het bedrijf. In de PVT-fase is het nog steeds gebruikelijk om productie-eenheden van de contractfabrikant terug te sturen naar het technische team voor een laatste kwaliteitscontrole voordat de producten klaar zijn om naar klanten te worden verzonden, vooral wanneer een wereldwijde pandemie persoonlijke kwaliteitscontrole bij de CM onmogelijk.

Massaproductie (MP)

De laatste fase in de evolutie van productvolwassenheid is de opgang naar massaproductie (MP). Het begint meestal met een minimale hoeveelheid van 5.000 eenheden, maar kan oplopen tot enkele miljoenen eenheden in het geval van populaire consumentenproducten zoals de PlayStation, iPad, iPhone of de Rubik's Cube.

In deze fase kan de initiële productielijn worden gerepliceerd naar andere lijnen om parallel te lopen. Een storings- en opbrengstanalyse op een klein percentage van de units zorgt voor een constante kwaliteit. De eerste retourzendingen zullen binnenkomen en EFFA-analyse zal ervoor zorgen dat alle defecte eenheden terugkeren naar het technische team. Om de kwaliteit verder te garanderen, moeten fabrieken en leveranciers worden gecontroleerd om geen onvoorziene wijzigingen aan te brengen in tooling of procesparameters die leiden tot kwaliteitsverschuivingen. De algehele focus ligt op rendementsverbetering, kostenreductie en waar nodig uitbreiden. Het marketing- en verkoopteam hier kan zich concentreren op het ontwikkelen van onderpand, advertenties en het voorspellen van verkoopvolumes.

In massa geproduceerde Form 3L-eenheden na QA/QC bij de contractfabrikant.

De verschillende stadia van het nieuwe productontwikkelingsproces voor hardware

Conclusie

Het nemen van verkeerde beslissingen of het over het hoofd zien van essentiële details in een te laat stadium van productontwikkeling kan leiden tot hoge kosten en lange vertragingen. Bedrijven kunnen het zich ook niet veroorloven hun reputatie te schaden door foutieve bèta-eenheden te sturen. Een op validatie gebaseerde phase-gate benadering van ontwikkeling is noodzakelijk voor alle vormen van complexe producten, systemen en diensten. Het zorgt voor het optimale traject naar massaproductie terwijl de middelen tot het minimum worden beperkt.

De fasen van productvolwassenheid samenvattend, het doel van de POC- en prototypingfasen is om te verifiëren dat het productconcept levensvatbaar is, mensen er behoefte aan hebben en dat het mogelijk is om het te ontwikkelen. Tijdens de EVT-fase wil het ontwikkelteam vertrouwen wekken dat het ontwerp correct zal functioneren. De DVT-fase verifieert dat het ontwerp met succes op schaal kan worden vervaardigd en doorstaat een groot aantal testprocedures, terwijl PVT er is om ervoor te zorgen dat de productielijn aan de gewenste statistieken kan voldoen. Tijdens de massaproductie ligt de focus op verkoop, het handhaven van kwaliteit, het afhandelen van retouren, het voorbereiden van toekomstige ontwerpwijzigingen en het einde van de levensduur.

Het belang van een uitgebreide PRD, een goed geplande prototyping-aanpak en analyses in de vroege stadia van productontwikkeling om intensieve veranderingen langs de lijn te voorkomen, kan niet genoeg worden benadrukt. Evenmin de voldoening die het geeft om de eerste omdoos vers van de lopende band te openen en de vruchten te zien van maanden, zo niet jaren van hard werken.

3D-printen is een van de tools die ontwikkelingsteams kunnen ondersteunen tijdens het productontwikkelingsproces. Van high-fidelity prototypes tot snelle gereedschappen en mallen en armaturen voor de assemblagelijn, 3D-printers kunnen u helpen het ontwikkelingsproces te versnellen en de weg vrijmaken voor een succesvolle productie.