面向制造和裝配的產品開發

 

第二部分：Design For X

 

1. 產品生命周期

產品生命周期包括了產品的開發過程、使用過程和報廢回收處理過程。產品開發過程分為產品設計、產品制造、產品裝配、產品檢測和產品包裝與運輸。產品使用過程可分為產品銷售、產品使用和產品維修與維護。產品報廢過程分為產品回收與產品報廢。這些過程構成了產品生命周期，如圖2-1所示。

2. DFX產生的背景

為了適應變化迅速的市場需求，真正提高競爭能力，現代的制造企業必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度（T，Time to Market），最好的質量（Q，Quality），最低的成本（C,Cost）

以及最優的服務（S，Service）來滿足不同顧客的需求。

 

3. DFX:面向產品生命周期的設計

DFX是Design For X的簡稱，其第一層含義是指面向產品生命周期的設計，這里的X指產品生命周期中的任一環節。DFX是基于并行設計的思想，在產品概念設計和詳細設計階段就充分考慮到產品生命周期中的各種要求，包括制造工藝要求、裝配工藝要求、檢測要求等，使得產品設計與這些要求之間緊密聯系、相互影響，將這些要求反映到產品設計中。DFX不再把產品

設計看作是一個孤立的任務，而是利用現代化設計工具和DFX分析工具，設計具有良好工程特性的產品。

目前，比較成熟的DFX技術包括以下方面：

1）DFM（Design For Manufacture 面向制造的設計）。

2）DFA（Design For Assembly 面向裝配的設計）。DFM和DFA統稱為DFMA（Design For Manufacture and Assembly），即面向制造和裝配的產品設計。

3）DFI（Design For Inspection 面向檢驗的設計）。DFI著重考慮產品、過程、人的因素，以便提高產品檢驗的方便性。

4）DFS（Design For Service 面向維修的設計）。產品故障確定的容易程度、產品的可靠性、產品的可拆卸性和可重裝性等是產品維修主要考慮的因素。其設計原則包括：

Ø 通用化、標準化、模塊化設計原則。

Ø 簡化產品設計原則。

Ø 可達性設計原則?？梢杂萌湓挶磉_：看得見（視覺可達）；夠得著（人手或借助于工具能接觸到維修部位）；有足夠的操作空間。

Ø 易損件的易換性設計原則。

Ø 貴重件的可修復性設計原則。貴重零部件失效后可調整、修復至正常狀態，以降低產品的維修費用，減少維修時間，提高維修效率。

Ø 測試性設計原則。

Ø 維修工具原則。盡量使用常規的維修工具，減少需要使用的維修工具種類。

Ø 維修安全性設計原則。

Ø 維修防錯原則。如零部件裝錯了就裝不上，增加明顯的識別標識等。

Ø 易拆卸性設計原則。

5）DFE（Design For Environment 面向環境的設計）。強調從根本上防止污染、節約資源和能源，關鍵在于產品設計和制造。包括：

Ø 使用可循環使用、可回收的材料。

Ø 使用對環境友好、污染少的材料；限制產品中鉛、水銀、鎘、六價鉻離子、PBBs（多溴聯苯）及PBDEs（多溴聯苯醚）的使用；盡量避免使用玻璃、金屬強化塑料等復合材料。

Ø 優化產品設計以減少材料使用，避免過于穩健的設計致使材料浪費。

Ø 減少使用材料的種類。

Ø 減少產品制造和使用過程中的能源消耗。

Ø 提高產品的可靠性以延長產品的使用年限。

Ø 提高產品的可回收性。

6）DFR（Design For Recycling 面向回收的設計）。包括：

Ø 盡量使用可回收的材料。

Ø 在可回收材料的零件上用清晰的標識進行標記。

Ø 限制噴漆和涂層的使用。

Ø 考慮零件以及材料的回收工藝性。

Ø 考慮回收經濟性。

Ø 零件可回收的前提條件是能方便、經濟、無損害地從產品中拆卸下來。因此可回收零件的結構必須具有良好的拆卸性。

 

4. DFX:面向各種要求的設計

DFX的第二層含義是面向各種要求的設計，是指在產品的設計中，充分明確和理解產品的各種要求，并設計產品滿足這些要求。X指各種要求，包括來自于客戶或消費者對產品功能、外觀、質量和易使用性等的要求；來自于產品制造的要求；來自于產品裝配的要求；產品可靠性的要求和產品成本的要求等。如圖2-2所示，DFX的要求包括以下六個方面的主要內容：

5. DFX的內涵

1）DFX體現了并行過程的思想

DFX是一種哲理、方法、手段和工具，體現了并行工程的思想，即在設計階段盡早地考慮產品生命周期各階段的各種要求，將有助于提高產品的競爭力。

2）DFX要求團隊合作

產品的成功開發并不僅僅是產品設計工程師的職責，而是依賴于整個DFX團隊成員之間的團隊合作。在產品設計階段，產品設計工程師要盡早與DFX團隊的其他人員進行充分溝通與交流，并設計產品完全滿足DFX的各種要求，盡早發現問題并加以解決，避免在產品開發的中后期才發現而造成產品質量降低和成本增加等。

第三部分：產品開發模式

 

 

1. 產品開發模式的進化

1）原始產品開發模式

產品的設計和制造都由同一個人來完成，這樣的開發模式被稱為原始產品開發模式。“我設計，我制造”是原始產品開發模式的典型特點。原始產品開發模式的生產效率很低。

2）傳統產品開發模式

產品開發過程分為產品設計階段和制造階段，分別由產品設計工程師和制造工程師負責。在產品設計階段，產品設計工程師關注的是如何實現產品的功能、外觀和可靠性等要求，而不去關心產品是如何制造、如何裝配的；當產品設計工程師完成產品設計后，由制造工程師進行產品的制造和裝配，這就是傳統產品開發模式。傳統產品開發模式大幅提高了產品開發的效率。

但是，傳統產品開發模式存在著一個致命弊端，那就是產品設計與產品制造之間溝通很少，甚至沒有溝通。傳統產品開發模式也常被稱為“拋墻式設計”。

3）面向制造和裝配的產品開發模式

設計與制造并不應該只是簡單的先后順序關系，不應該是“我們設計，你們制造”的關系，而應當是“水乳交融，你中有我，我中有你”的關系。在產品設計階段必須考慮到來自于制造端制造和裝配對產品設計的要求，制造和裝配的要求越早介入到設計中，對產品開發越有利。

產品設計工程師和制造工程師有著共同的目標，那就是如何以更低的成本、更短的時間和更高的質量進行產品開發。

4）三種產品開發模式的主要特征

2. 傳統產品開發流程

傳統產品開發流程包括以下主要階段：定義產品規格、產品設計、產品制造和裝配、產品測試和量產等。

在市場人員提出產品構想，并同各部門人員一起合作定義出產品詳細規格后，產品設計工程師進行產品的設計，然后由制造工程師負責產品制造，裝配工程師負責產品裝配方面的工藝設計，通過相關測試之后，最后進行大批量生產。在進行產品制造、裝配和測試等過程中，如果發現問題，就必須返回到產品設計階段進行產品設計的修改，如圖3-1所示。

3. 傳統產品開發模式的弊端

傳統產品開發模式的主要特征就是“我們設計，你們制造”。產品設計工程師在產品設計階段沒有考慮到制造和裝配的要求，造成設計與制造、裝配的脫節，所設計的產品可制造性、可裝配性差，使產品的開發過程變成了設計、加工、試驗、修改的多重循環，從而造成產品設計改動過大、產品開發周期長、產品成本高，同時帶來的后果就是產品質量的降低。如圖3-2所示。

下面以一個塑膠零件的產品設計來說明傳統產品開發模式的弊端。

圖3-3 a）所示是一個塑膠零件的原始設計剖面圖，通過注射加工工藝制造，這是產品設計工程師在三維設計軟件中繪制的圖形。

圖3-3 b）所示是實際制造的零件成品效果圖，零件外部發生了嚴重的縮水和變形，零件內部產生了氣泡，零件的質量非常低。這是由于產品設計與制造脫節，在產品設計階段完全沒有考慮到產品的可制造性。注射加工工藝對零件壁厚有著嚴格的要求，如果零件壁厚太厚，在零件外表面就會產生縮水和變形、零件內部產生氣泡等不良現象。原始的零件設計正是因為壁厚太厚，所以發生了上述問題。

此時就需要做設計修改，把零件壁厚處進行掏空，避免零件壁厚局部太厚，使得零件壁厚滿足注射加工的制造性要求，如圖3-3 c）所示。由于零件設計的修改，注射模具也需要做相應的修改，產品的開發成本大大增加，產品開發的周期也加長。（本文完）

圖3-3 傳統產品開發模式

a）原始的零件設計圖 b）成品圖 c）DFMA的零件設計圖
 

第四部分：

面向制造和裝配的產品開發模式

 

 

1. DFMA概述

面向制造和裝配的產品設計（Design For Manufacturing and Assembly，DFMA）是指在考慮產品功能、外觀和可靠性等前提下，通過提高產品的可制造性和可裝配性，從而保證以更低的成本，更短的時間和更高的質量進行產品設計。

1）可制造性

零件的可制造性高，說明零件滿足制造工藝對零件的設計要求，零件就容易制造，制造效率高、制造成本低、制造缺陷少、制造質量高等；相應的，零件的可制造性低，說明零件不滿足制造工藝對零件的設計要求，零件很難制造，制造效率低、制造成本高、制造缺陷多、制造質量低等。

制造工藝包括注射加工、沖壓加工、壓鑄加工、機械加工等，不同的制造工藝對零件設計有不同的要求。

2）可裝配性

產品的可裝配性高，說明產品的設計滿足裝配工序和裝配工藝對產品的設計要求，產品就很容易裝配、裝配效率高、裝配不良率低、裝配成本低和裝配質量高等；相應的，產品的可裝配性低，說明產品設計不滿足裝配工序和裝配工藝對產品的設計要求，產品很難裝配甚至裝配不上、裝配效率低、裝配不良率高、裝配成本高和裝配質量低等。

 

 

2. DFMA的開發流程

在市場競爭日益激烈的今天，為提高產品質量、縮短產品開發周期、降低產品開發成本等，應當拋棄傳統產品開發模式，采用DFMA開發模式，如圖4-1所示。

1）定義產品規格

產品規格定義得越清楚、越詳細，對之后的產品開發過程指導意義就越大。

2）概念設計

在概念設計階段，產品設計必須考慮到產品各方面的設計要求，例如來自客戶、裝配、制造等各方面的要求。如果概念設計考慮不全面，在以后的詳細設計中如果發現產品設計還有些要求不能滿足，此時再來修改設計必將費時費力。

3）面向裝配的設計（Design For Assembly，DFA）

常用的方法包括簡化產品設計、減少零件數量、使用標準件、增加零件裝配定位和導向、減少零件裝配過程中的調節、零件裝配模塊化和裝配防錯等。

4）面向制造的設計（Design For Manufacturing，DFM）

根據產品制造工藝的不同，面向制造的設計可以分為面向注射加工的設計、面向沖壓的設計和面向壓鑄的設計等。

5）面向測試的設計

在設計階段，產品設計工程師需要設計產品滿足各種測試的要求，而不是等到產品制造完成之后發現測試不通過時再去修改設計。這就要求在產品規格定義階段明確定義產品需要通過的測試，然后去理解這些測試要求，并接受測試部門同事的建議，以便在產品設計階段就設計產品使得產品滿足這些測試要求，保證產品在制造完成后通過相關的測試，并最終保證消費者安全可靠地使用產品。

6）面向制造和裝配的設計評審

這一步非常重要，特別是當產品設計工程師對某些制造和裝配工藝不了解時或者對當前制造裝配部門現有制造裝配設施和水平不了解時。當然，對于他們的意見，產品設計工程師不能盲目聽從，而是需要認真分析，畢竟他們對設計并不了解，只是從他們的角度和利益出發提出建議，產品設計工程師更不能因為他們的一面之詞就犧牲產品設計其他方面的要求。

7）樣品制作

樣品制作作為驗證產品設計合理性的一種方法，可以減少設計的錯誤，從而避免后續模具的反復修改。

8）產品制造

常用的制造工藝包括注射加工、鈑金沖壓加工、鑄造和機械加工等。

9）產品裝配

一般來說，產品會經過小批量的試產來發現和解決裝配中出現的問題。

10）測試

產品的測試是驗證產品是否能夠滿足相關的測試要求，保證產品的安全性和可靠性。另外，有些產品需要通過相關行業的認證，例如3C認證、TUV認證和UL認證等。

11）量產

當產品沒有質量問題，通過相應的測試之后，就可以進行大規模的量產，走向市場。

 

 

3. DFMA的價值

面向制造和裝配的產品開發的核心是“我們設計，你們制造，設計充分考慮制造的要求”“第一次就把事情做對”。其四大優點是：產品設計修改次數少、產品開發周期短、產品成本低和產品質量高。如圖4-2所示。

1）減少產品設計修改

面向制造和裝配的產品開發倡導“第一次就把事情做對”的理念，把產品的設計修改都集中在產品設計階段完成。

在產品開發周期中，設計修改的靈活性隨著時間的推移逐漸降低。在產品設計階段進行設計修改最為容易，設計修改時間短、成本低，如圖4-3所示。

2）縮短產品開發周期

據統計，相對于傳統產品開發，面向制造和裝配的產品開發能夠節省39%的產品開發時間，如圖4-4所示。

為縮短產品開發周期、加速產品上市，正確的做法是采用面向制造和裝配的產品開發，增加產品設計階段時間和精力的投入，確保“第一次就把事情做對”。

 

 

3）降低產品成本

產品設計階段決定了75%的產品成本，面向制造和裝配的產品開發同時也是面向成本的開發，這主要通過以下六個方面體現：

Ø 在設計階段進行成本分析，降低產品成本。在滿足產品功能等要求的前提下，選擇合適的材料和最經濟的產品制造工藝。

Ø 減少設計修改，降低成本。一般來說，設計修改費用在產品開發周期中是隨著時間的推移呈10倍增長的。減少產品設計修改，同時避免在產品開發后期進行設計修改，能夠大大降低產品成本。

Ø 簡化零件設計，降低產品制造成本。零件設計簡單與否直接關系到零件制造成本。實現同樣功能的一個零件，如果設計簡單，制造的成本就低；相反，如果零件設計復雜，制造就復雜，制造的成本就高。

Ø 簡化產品設計，降低產品成本。零件數量是衡量產品復雜度的一個指標之一，通過減少零件數量、降低產品復雜度，可以降低零件成本。

Ø 減少裝配工序和裝配時間，降低裝配成本。面向制造和裝配的產品開發在產品設計階段通過選擇合適的裝配工序、保證產品的可裝配性，從而使得產品裝配變得簡單、有效率、人性化，能夠大幅度降低裝配時間，減少裝配成本。

Ø 降低產品不良率，減少成本浪費。

 

 

4）提高產品的質量

面向制造和裝配的產品開發使得產品具有很高的可制造性和可裝配性。產品設計在產品開發原始階段就得到了優化和完善，因此避免了產品在后期制造和裝配中產生的質量問題，大大提高了產品的質量。

 

 

4. DFMA與并行工程

并行工程是指集成地、并行地設計產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統方法。這種方法要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。并行工程的目的是提高質量、降低成本、縮短產品開發周期和產品上市時間。

可以說，面向制造和裝配的產品開發是并行工程的核心部分，是并行工程中最關鍵的技術。

第五部分：DFMA的實施

1. 實施的障礙

面向制造和裝配的產品開發能夠降低產品成本、提高產品質量、縮短產品開發周期，但是，由于傳統產品開發思路和各種條件的限制，實施面向制造和裝配的產品開發面臨著不少的障礙，主要有以下方面：

1）輕視產品設計

一些企業輕視產品設計，對產品設計不重視，認為產品設計不重要，不愿意在產品設計階段投入時間和精力。時間就是金錢，為了爭取縮短產品上市時間，企業千方百計壓縮產品設計的時間和精力，當然這種做法的結果是事倍功半、適得其反。

2）錯誤的產品質量觀念

一些企業認為產品是制造出來的，產品質量就等于制造質量，這是不全面的、有偏頗的產品質量觀念。產品質量不只是制造出來的，更是設計出來的。

3）沒有面向制造和裝配的產品開發意識

目前已經有很多企業在傳統產品開發的基礎上，在產品設計階段就注重產品設計的可制造性和可裝配性，但是這些往往是產品設計工程師們根據以往產品開發的經驗和教訓產生的下意識的做法，并沒有系統性地去考慮產品設計的可制造性和可裝配性，與真正的面向制造和裝配的產品開發尚有一段距離。

4）面向制造和裝配的產品開發需要團隊合作

對于產品設計工程師來說，面向制造和裝配的產品開發不但要求產品設計工程師在設計時考慮產品的可制造性和可裝配性，還需要制造和裝配等部門的工程師針對產品設計從制造和裝配的角度提出意見。產品設計工程師需要認真地分析這些建議是不是真的對產品的可制造性和可裝配性等有所改善，需要在各個方面取得平衡。因此，面向制造和裝配的產品開發需要團隊合作，實施起來并不容易。

5）缺乏面向制造和裝配的產品開發人才

面向制造和裝配的產品開發對產品設計工程師要求高，產品設計工程師既要能夠把各種產品設計要求轉化為產品設計，同時又需要熟悉產品制造和裝配的工藝。對于產品設計工程師來說，這需要時間和經驗的積累。

6）制造的錯誤定位

在產品開發產業鏈中，制造常是作為設計的一個供應商出現，于是產品設計工程師理所當然地認為，設計出什么樣的產品，供應商就應當制造什么樣的產品。而且，有些時候供應商明明知道產品設計不合理，制造出來的產品不可能滿足設計要求，但為了得到訂單，往往會一開始就滿口應承。在這樣的情況之下，產品設計常不考慮制造的需求，但是當產品制造出來后就悔之晚矣。

7）“客戶第一”原則的錯誤影響

“客戶第一”“客戶至上”，這是很多企業面對客戶時所秉承的原則。在面對客戶要求時，總是想方設法去滿足，而往往會忽略產品的可制造性和可裝配性。但是，“沒有可制造性和可裝配性，再好的產品也無法實現”，到頭來客戶的要求得不到滿足，當初的承諾沒有實現，客戶會更加不高興，這反而會失去客戶；或者，產品具有可制造性和可裝配性，但成本較高，企業沒有利潤，這樣的產品開發也沒有意義。如果在開始面對客戶的要求時，不是一口應承，而是結合產品的可制造性和可裝配性，綜合分析，有理有據，縱然客戶的要求不能全部滿足，但客戶一定會為工程師的專業度所折服，并不會因此而不高興，這才能實現企業與客戶之間的雙贏。

 

 

2. 實施的關鍵

為提高產品質量、縮短產品開發周期、降低產品開發成本，企業實施面向制造和裝配的產品開發的關鍵有如下幾個方面：

1）轉變思路

產品設計工程師應該改變產品開發以設計為主的想法。產品并不是想怎么設計就怎么設計，產品設計固然需要一些創新，但同時也必須遵循產品制造和裝配的規律。產品設計工程師應當從“我們設計，你們制造”轉變為“我們設計，你們制造，設計充分考慮制造的要求”。

而對于企業來說，應當改變企業以往“重制造，輕設計”的思想，加大對產品設計的投入，同時支持企業實施面向制造和裝配的產品開發。

2）建立面向制造和裝配的產品開發團隊

除了產品設計工程師之外，產品開發團隊還需要包括制造和裝配的工程師等。產品制造和裝配的技術紛繁復雜、日新月異，產品設計工程師并不可能都完全掌握，而且也不是這方面的專家。因此，面向制造和裝配的產品開發必須尋求制造和裝配工程師的幫助，進行團隊合作。

3）實施面向制造和裝配的產品開發流程

改變產品開發流程不是一件容易的事情，涉及多個部門之間的團隊合作，這需要企業高層的支持。面向制造和裝配的產品開發流程的具體實施則依賴項目工程師的管控。項目工程師應當理解面向制造和裝配的產品開發的內涵，制訂合理的產品開發進度，組建產品開發團隊參加面向制造和裝配的產品開發討論，在產品設計階段就完善產品的設計。

4）進行面向制造和裝配的產品開發培訓

針對產品設計工程師的面向制造和裝配的產品開發培訓必不可少。另外，在有條件的情況下，把產品設計工程師派到設計的后方去（例如，零件注射車間和產品裝配線等），讓產品設計工程師親身參與和體驗產品的制造和裝配過程。在日本，產品設計工程師往往只有在工廠工作一段時間，充分理解產品的制造和裝配過程之后，才有機會從事產品的設計工作。

5）使用面向制造和裝配的產品開發檢查表

盡管面向制造和裝配的產品開發需要團隊合作，但產品開發工程師仍然承擔著主要的責任。面對紛繁復雜的設計要求，產品設計工程師常會顧此失彼，很可能因為一個微小的設計失誤造成產品開發的失敗。

在產品設計階段，利用面向制造和裝配的設計檢查表（如圖5-1所示），可以系統化地檢查產品設計是否具有很好的可制造性和可裝配性，從而確保產品設計萬無一失。當然，不同企業針對其產品不同的測試或者其他要求，還可以在設計檢查表中加入更多的內容。