Validierungstests in der Produktentwicklung:Von POC zu EVT, DVT, PVT und Massenproduktion

Als Faustregel gilt:Je weiter sich ein Produkt in der Entwicklung befindet, desto aufwendiger werden Änderungen. Daher besteht ein wichtiges übergeordnetes Ziel jeder Produktentwicklungsinitiative darin, Probleme frühzeitig zu lösen und das Risiko kostspieliger Iterationen in nachfolgenden Phasen zu reduzieren.

Hier kommen Validierungstests ins Spiel. Validierungstests sind der Phase-Gate-Prozess, bei dem festgestellt wird, ob eine Hardware die an sie gestellten Anforderungen in ihrer Reifephase erfüllt und ob sie bereit ist, in die nächste Phase überzugehen. Dabei bauen Designer und Ingenieure zahlreiche Arten von Prototypen. Jede Phase bietet Raum zum Lernen, Erforschen und Anpassen, während ein Produkt definierte Kriterien erfüllen muss, bevor es vorangetrieben wird, um eine erfolgreiche Industrialisierung sicherzustellen.

In diesem Artikel erklären wir, wie der Entwicklungsprozess hin zur Massenproduktion optimiert werden kann, und beleuchten die verschiedenen Phasen der Produktreife einschließlich ihrer Ziele, Aktivitäten, gelösten Probleme, hergestellten Prototypen und Ausstiegskriterien.

Warum Validierungstests durchführen?

Ein Produktdesign ist kaum vom ersten CAD-Modell an serienreif. Selbst ein einfacher Kunststoffartikel kann aufgrund heterogener Abkühlung nach dem Gießen der ersten Serie schlechte Einfallstellen, Fließlinien oder Schwachstellen aufweisen. Eine Fläche kann zu klein ausfallen, um die gesetzlich vorgeschriebenen Kennzeichnungen aufzunehmen. Unter bestimmten Bedingungen kann es zu Toleranzproblemen mit einem passenden Teil kommen. Oder eine Lead-User-Gruppe könnte eine neue Anforderung mit hoher Priorität aufstellen, die die Designer zu einer weiteren Entwicklungsrunde zwingt.

Der Designprozess erfordert von Anfang an solche Änderungen, Verfeinerungen und Pivots sowie Studien zu Aspekten wie Herstellbarkeit, Kostenschätzung, Voice-of-Customer (VOC), Gesetzgebung, IP und Zertifizierungsstandards.

Mit dem Fortschreiten des Prozesses in Richtung Produktion steigen die Kosten dieser Iterationen exponentiell. Während eine Reihe von Skizzen und Schaummodellen, die ein Designer zu Beginn der Entwicklung anfertigte, ein Unternehmen 50 US-Dollar an Material kosten wird, könnte ein verfeinerter Rapid Prototyping basierend auf 3D-Drucken, Zukaufteilen und einer Vakuumguss-Umspritzung das Unternehmen zurückwerfen irgendwo in der Größenordnung von $500-$1000. Werkzeugänderungen in der Produktionsphase können zu Gesamtkosten von bis zu 50.000 USD führen und zu Verzögerungen von mehreren Wochen oder Monaten führen.

Bei komplexen Produkten gehen Produktionsinvestitionen in Millionenhöhe. Die anspruchsvollsten Produkte wie Flugzeuge erfordern Tausende von Mitarbeitern und Milliarden an fixen Produktionskosten. Um solche 1:10:100 und andere Katastrophen zu verhindern, denken Designer und Ingenieure bei jedem Schritt in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit einer Iteration vs. eine Erfolgswahrscheinlichkeit. Validierungstests sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass der Status des Designs in einer bestimmten Phase den richtigen Anforderungen entspricht. Das Gating jeder Phase mit klaren Ausstiegskriterien und Ergebnissen gewährleistet eine optimale Nutzung der Ressourcen und eine Qualitätssteigerung.

Ein Konsumprodukt in verschiedenen Stadien der Produktreife über das anfängliche Modell hinaus. Rückseite:EVT-Build mit SLS- und SLA-3D-Druck. Mitte:DVT-Build „Erste Aufnahmen“ basierend auf Softtooling. Vorderseite:PVT-Konstruktion mit harten Werkzeugen. Mit freundlicher Genehmigung:IDZone Produktdesign.

Produktreifephasen

POC und Prototyping

Nachdem die Führungskräfte des Unternehmens die Neuproduktplanung (NPP) bestätigt haben, indem sie eine Marktchance, eine Produktpositionierung, eine Technologiebewertung, eine Lieferkettenstrategie und eine Ressourcenallokation festlegen, wird der Entwicklungsprozess typischerweise in die Hände eines Produkts gelegt Team, das diese in ein Product Requirements Document (PRD) übersetzen und tragfähige Konzepte entwickeln muss.

Zunächst werden Proof-of-Concept-Prototypen (POC) für den ersten Test einer Idee, Methode oder eines Produkts verwendet, um deren Potenzial und Machbarkeit in der Praxis zu demonstrieren. Diese Konzepte werden später in Prototypen umgewandelt, bei denen es sich um Arbeitsmodelle eines Produkts handelt, die genau zeigen, wie das Produkt in Bezug auf Mechanik, Design, Benutzererfahrung usw. funktionieren wird.

Die verschiedenen Stadien der Produktentwicklung bis hin zur Massenproduktion. (Quelle)

Ein Prototyp ist eine Instanzierung eines Produktdesigns, mit der der Wert in Bezug auf bestimmte Anforderungen kommuniziert und bewertet werden kann. Die Prototypen reichen von „weichen“ Modellen mit geringer Wiedergabetreue, die aus Materialien wie Ton, Pappe, Schaumstoff und Holz handgefertigt werden, bis hin zu hochgenauen Funktionsprototypen, die in 3D gedruckt oder in der Maschinenwerkstatt hergestellt werden. Fokussierte Prototypen sollen nur einen Teil der Produktanforderungen verkörpern und können ein „look-like“-Modell, ein funktionales „work-like“-Modell oder eines sein, das partielle Form und Funktion demonstriert, um bestimmte Unterfunktionalitäten zu testen. Wenn ein Prototyp alle Anforderungen und Funktionalitäten in das Design integriert, wird er als Engineering Prototyp bezeichnet.

Frühe werksähnliche Prototypen des großformatigen SLA-3D-Druckers Form 3L.

Dabei können Non-Form-Factor (NFF)-Modelle erstellt werden, die im Wesentlichen riesige Versionen des Produktdesigns sind, die Platzhalterversionen aller Funktionskomponenten aufnehmen sollen, um einen funktionierenden Demonstrator zu entwickeln. Rudimentäre Arbeitsversionen der Elektronik sind in Form von Hardware Development Kits, Arduino- oder Raspberry Pi-Konstruktionen enthalten.

Analytische oder virtuelle Prototypen sind nicht-physische Produktinstanziierungen wie ein 3D-Modell für das Rendering, die mathematische Simulation oder die FEA-Analyse. Sogar eine Skizze ist eine grobe Form eines virtuellen Prototyps.

Testbare Alpha-Prototypen mit unterschiedlichen Wiedergabetreuen. Links:„Look-like“-Schaummodelle von Küchengeräten. Höflichkeit:Überlegener Prototyp. Mitte:Foamcore/Karton-Mockup mit teilweiser Form und Interaktivität. Höflichkeit:Frits van Beek. Rechts:Teilweise interaktiver maschinenbestückter Prototyp einer Digitalkamera. Beachten Sie, dass dies ein Alpha-Prototyp ist, da er noch nicht für die Produktionsabsicht entwickelt wurde. Höflichkeit:Joep Frens.

Die Prototyping-Phase ist unerlässlich, um Details in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Ästhetik, versteckte Benutzerbedürfnisse, Meinungen von Designerkollegen, Produktmanagern, Experten zu diesem Thema sowie gesetzliche und technologische Einschränkungen zu klären. Ein typischer Designprozess für ein komplexes elektromechanisches Produkt umfasst mehrere Konzepte, von denen jedes von einem Stapel von Erkundungsskizzen, einer Reihe von physischen Modellen und einer Reihe von 3D-Renderings unterstützt wird.

Das IDEO-Designteam brauchte 80 Schaumstoffmodelle, um 1987 die erste ergonomische Computermaus für Microsoft in die richtige Form zu bringen dass James Dyson im Laufe von 15 Jahren den ersten Staubsauger mit „Zyklon-Technologie“ entwickelt hat. Um den Entwicklungsprozess neuer Produkte zu beschleunigen und den berüchtigten „Hardware-Sumpf“ zu vermeiden, ist es von größter Bedeutung, Prototypen auf die wichtigsten Anforderungen zu konzentrieren, Risiken zu berücksichtigen, die spätere Phasen darstellen, und explorative Benutzertests angemessen zu planen.

Alles in allem besteht das Ziel der Prototyping-Phase darin, einen technischen Prototyp zu erstellen, der wie das Endprodukt funktioniert und aussieht. In dieser Phase muss nachgewiesen werden, dass die verwendete Technologie den Anforderungen des Kunden entspricht, die Herstellung machbar ist und das Produkt wie vorgesehen funktioniert. Sobald diese bestätigt sind, besteht das Ziel der nachfolgenden Validierungsstufen darin, sicherzustellen, dass das Produkt konsistent im Maßstab hergestellt werden kann.

Engineering Validation Test (EVT)

In der Phase Engineering Validation Test (EVT) geht es darum, den entscheidenden Funktionsumfang des Produkts zu integrieren und zu optimieren. Während das Ergebnis der Prototyping-Phase ein begrenzter „Alpha“-Prototyp war, wird hier ein „Beta“-Prototyp auf Engineering-Ebene entwickelt, der einen umfassenderen Satz von Funktionalitäten enthält, der typischerweise durch eine Build-Matrix bestimmt wird. Der technische Prototyp ist eine minimal tragfähige Version des endgültigen kommerziellen Produkts, das für die Fertigung (DFM) entwickelt wurde. Es wird für laborbasierte Benutzertests mit einer ausgewählten Gruppe von Lead-Benutzern verwendet, um die Produktionsabsichten an Werkzeugspezialisten in späteren Phasen zu kommunizieren und als Demonstrator in den ersten Verkaufsgesprächen zu fungieren.

Für alle Komponenten in der Baugruppe wird eine Make-Buy-Analyse durchgeführt, das Komponenten-Engineering für kundenspezifische Teile wird durchgeführt und eine Stückliste (BOM) wird für RFQs an Auftragsfertiger (CMs) erstellt, damit diese sich auf die erste Montagelinie vorbereiten können und First Shots (FS) Werkzeuge. Für elektronische Produkte werden High-End-Hot-Stake-Leiterplatten mit industriellen Prozessen entwickelt. An dieser Stelle werden auch Leistungs-, Wärme- und EMI-Tests durchgeführt.

Typische Aktivitäten in der EVT-Phase. Links:Rendering des Produktdesigns mit einer Explosionsansicht auf Produktionsabsichtsebene. Höflichkeit:Oculus. Rechts:Kleinserien-Spritzgießen mit 3D-gedruckten Formen.

Etwa 20 bis 50 Einheiten werden mit hochpräzisen Verfahren wie additiver Fertigung und CNC-Bearbeitung oder einer Reihe von Gussteilen auf Basis von Softtooling wie Silikon oder 3D-gedruckten Formen hergestellt. Das übergeordnete Ziel besteht darin, das Design mit voller Produktionsabsicht zu entwickeln und am Ende eine kleine Anzahl serientauglicher technischer Prototypen zu erhalten.

Designvalidierungstest (DVT)

In der Phase des Designvalidierungstests (DVT) beginnt ein Produkt wirklich mit der Industrialisierung. Während es bei EVT um Design auf Architekturebene für die Fertigung geht, geht es bei DVT darum, die Details richtig zu machen, während man sich auf die erste Massenproduktionslinie zubewegt. Es ist eine Phase, die von Experimentieren und Optimierung geprägt ist. PCBs werden durch Debugging- und Entrauschungsbemühungen bis zur Perfektion iteriert. Der CM wird für jedes gefertigte Teil das erste harte Werkzeug entwickeln, um die Ausbeute der Massenproduktion zu überprüfen. Aluminiumformen können verwendet werden, um das Design in Bezug auf Oberflächenbeschaffenheit, Materialien, Toleranzen, Formkonfiguration wie Schieber und Nocken, Fügeverfahren sowie Prozessparameter zu optimieren.

Während in der Regel 50 bis 200 Einheiten produziert werden, ist es nicht ungewöhnlich, dass bei großen Projekten über 1.000 Einheiten produziert werden. Diese Einheiten werden anschließend für interne Bewertungen und die Durchführung der letzten technischen Änderungen zurückgeschickt, während einige als Beta-Einheiten an potenzielle Kunden und Fachgutachter verschickt werden. An den ersten Produktionseinheiten werden viele Tests durchgeführt:Klimakammertests, Temperaturzyklen, Vibration, ESD, Biokompatibilität, Chemikalienbeständigkeit, Zertifizierungen wie FDA, FCC, UL, CE, EC und RoHS, Alterung, Strahlung, Kosmetik-, Verschleiß- und Falltests, unter anderem. Umfangreiche Benutzertests werden mit einem erheblichen Teil der Bevölkerung in einem realistischen Kontext durchgeführt.

In der DVT-Phase dreht sich alles um die Optimierung von Details. Links:Wärmeverklebte Platine mit integriertem Nieten an ihrem Kunststoffgehäuse. Höflichkeit:Hartmann. Mitte:Experiment zur Integration eines spritzgegossenen Gehäuses in ein Gewebesubstrat. Höflichkeit:Bemis Sewfree. Rechts:AES-Umweltkammer für Salznebel-Korrosionstests. Mit freundlicher Genehmigung:Zugehörige Umweltsysteme.

Um die Produktentwicklung zu beschleunigen, ist es möglich, die DVT-Phase zu umgehen, indem am Ende der EVT-Phase in Hardtooling investiert wird, sodass der EP sofort nicht nur das EVT-Ausstiegskriterium eines serientauglichen Prototyps, sondern auch den DVT-Ausstieg erfüllt Kriterien für die Bewertung von harten Werkzeugen und der Massenproduktion. Es birgt jedoch enorme Risiken mit sich, Ressourcen im PVT-Maßstab so schnell zu investieren, und solche Abstriche sind, wenn überhaupt, kaum ratsam.

Produktionsvalidierungstest (PVT)

Der Produktionsvalidierungstest (PVT) ist die letzte Phase vor dem Start der Massenproduktion. Harte Werkzeuge sind fixiert, sodass keine Änderungen mehr am Produktdesign oder an den Produktionsformen vorgenommen werden können. Vorrichtungen, Vorrichtungen und Prüfstände müssen vorhanden und validiert sein, damit der Produktionspilot (PP) beginnen kann. Die Bemühungen in dieser Phase zielen auf die Optimierung und Stabilisierung der Produktions- und Montagelinien in Bezug auf Liniengeschwindigkeit, Bedienerkompetenz, Ausschussrate und Tagesausbeute.

Potenzielle Risiken wie Lieferungen aus einer Hand – wenn eine Komponente auf die Herstellung durch einen einzelnen ausgewählten CM beschränkt ist – werden durch Risikomanagementprotokolle wie FMECA, QA/QC und FAI identifiziert. Die Elektronik durchläuft ihren ersten Boot- sowie eine Firmware-Inspektion und auch die Produktverpackung sowie die Bedienungsanleitungen werden in dieser Phase erstellt. Die meisten Arbeiten in dieser Phase werden auf Seiten des Auftragsfertigers ausgeführt.

In der PVT-Phase geht es um die Optimierung der Produktionslinie durch Prozess- und Qualitätskontrolle. Links:Panel-Testvorrichtung für mehrere Leiterplatten. Mit freundlicher Genehmigung:Korea Jig. Mitte:Mehrstationen-Montagevorrichtung für ein Konsumgüterprodukt. Mit freundlicher Genehmigung:Aerosport-Additiv. Rechts:Komplexes rotatives Spritzgusswerkzeug für Multi-Material-Molding. Mit freundlicher Genehmigung:Grosfilley In-Mold &Rotative Solutions.

Ein typisches Ergebnis der PVT-Phase sind 500+ Einheiten oder mindestens 5 % der ersten Produktionslaufmenge. Die Ziele sind, die Ausbeuten der Massenproduktion bei Massenproduktionsgeschwindigkeiten zu überprüfen und verkaufsfähige Produkte zu schaffen. Hier erstellen viele Unternehmen einen Verkaufsplan und beginnen ihren Betrieb mit den frühen Käufern. Der PVT-Build ist die letzte Chance für ein Unternehmen, den Produktionsprozess zu optimieren. Es wird manchmal in Bezug auf einen roten, orangen und grünen Zustand stufenweise festgelegt, basierend auf dem Erfolg gemäß den wichtigsten Produktionskennzahlen. Wenn das grüne Licht aufleuchtet, kann die echte Massenproduktion beginnen.

Bilden Sie 3L PVT-Einheiten vor der QA am Firmensitz. In der PVT-Phase ist es immer noch üblich, Produktionseinheiten vom Auftragshersteller für eine abschließende Qualitätsprüfung an das Engineering-Team zurückzusenden, bevor die Produkte zum Versand an den Kunden bereit sind – insbesondere, wenn eine weltweite Pandemie eine persönliche Qualitätskontrolle am Standort erforderlich macht CM unmöglich.

Massenproduktion (MP)

Die letzte Stufe in der Entwicklung der Produktreife ist der Ramp-up in Richtung Massenproduktion (MP). Es beginnt typischerweise bei einer Mindestmenge von 5.000 Einheiten, kann aber bei beliebten Konsumgütern wie PlayStation, iPad, iPhone oder dem Zauberwürfel bis zu mehreren Millionen Einheiten führen.

In dieser Phase kann die anfängliche Produktionslinie auf andere parallel laufende Linien repliziert werden. Eine Fehler- und Ertragsanalyse an einem kleinen Prozentsatz der Einheiten sichert eine gleichbleibende Qualität. Die ersten Rücksendungen werden eintreffen, und die EFFA-Analyse wird sicherstellen, dass alle ausgefallenen Einheiten zurück zum Engineering-Team gelangen. Um die Qualität weiter zu garantieren, müssen Fabriken und Lieferanten überwacht werden, um keine unvorhergesehenen Änderungen an Werkzeugen oder Prozessparametern vorzunehmen, die zu Qualitätsverschiebungen führen. Der Gesamtfokus liegt auf Ertragsverbesserung, Kostensenkung und gegebenenfalls Erweiterung. Das Marketing- und Vertriebsteam hier kann sich auf die Entwicklung von Begleitmaterial, Werbung sowie die Vorhersage des Verkaufsvolumens konzentrieren.

Serienfertigung Form 3L Einheiten nach QA/QC beim Lohnhersteller.

Die verschiedenen Phasen des Entwicklungsprozesses neuer Produkte für Hardware

Bühne	KKW	POC	EVT	DVT	PVT	Abgeordneter
Reife	Geschäftsfall	Alpha-Prototyp	Beta-Prototyp	Vorproduktionsmuster	Vollständiges kommerzielles Produkt	Vollständiges kommerzielles Produkt
Dauer	1–3 Monate	3 Monate bis 3+ Jahre	3-6 Monate	3 Monate	1 Monate	3+ Monate
Fokus	Marktchancen verstehen, PRD	Nachweis der Benutzerfreundlichkeit	Produktionsfähiges Gerät	Machbarkeit der Skalierung	MP-Bereitschaft	Qualitätssicherung
Menge	0	5	<50	<500	500+	5.000+
Verkauf	Positionierung	Marketingplan	Umsatzprognose	Startvorbereitung	Verkaufsplan	Werbung
VOC	Interviews, Fokusgruppen	Explorative Benutzertests	Laborbasierte Benutzertests	Benutzertests vor Ort	Feldanalyse	Laufendes Feedback
Standort	Inhouse	Inhouse + Designpartner (optional)	Inhouse + Engineering-Partner (optional)	CM + interne Validierung	CM	CM

Schlussfolgerung

Falsche Entscheidungen zu treffen oder wesentliche Details zu spät in der Produktentwicklung zu übersehen, kann zu hohen Kosten und langen Verzögerungen führen. Unternehmen können es sich auch nicht leisten, ihren Ruf durch den Versand fehlerhafter Beta-Einheiten zu schädigen. Ein validierungsbasierter Phase-Gate-Ansatz für die Entwicklung ist für alle Formen komplexer Produkte, Systeme und Dienstleistungen erforderlich. Es gewährleistet den optimalen Weg zur Massenproduktion bei gleichzeitiger Beschränkung der Ressourcen auf ein Minimum.

Die Phasen der Produktreife zusammenfassend ist das Ziel der POC- und Prototyping-Phasen zu überprüfen, ob das Produktkonzept tragfähig ist, die Menschen es brauchen und dass es möglich ist, es zu entwickeln. Während der EVT-Phase zielt das Entwicklungsteam darauf ab, Vertrauen zu schaffen, dass das Design korrekt funktioniert. Die DVT-Phase überprüft, ob das Design erfolgreich im Maßstab hergestellt werden kann und eine Vielzahl von Testverfahren besteht, während PVT dafür sorgt, dass die Produktionslinie die gewünschten Metriken erfüllt. Bei der Massenproduktion liegt der Fokus auf Verkauf, Qualitätserhaltung, Retourenabwicklung, Vorbereitung zukünftiger Designänderungen und End-of-Life.

Die Bedeutung einer umfassenden PRD, eines gut geplanten Prototyping-Ansatzes und Analysen in den frühen Phasen der Produktentwicklung, um intensive Änderungen im weiteren Verlauf zu verhindern, kann nicht genug betont werden. Ebenso wenig die Befriedigung, den ersten Umkarton frisch vom Fließband zu öffnen und die Früchte monatelanger, wenn nicht gar jahrelanger harter Arbeit zu sehen.

Der 3D-Druck ist eines der Werkzeuge, die Entwicklungsteams während des gesamten Produktentwicklungsprozesses unterstützen können. Von High-Fidelity-Prototypen bis hin zu Rapid Tooling und Vorrichtungen und Vorrichtungen für das Fließband können 3D-Drucker Ihnen helfen, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und den Weg für eine erfolgreiche Fertigung zu ebnen.