面向制造和装配的产品设计指南（一）：面向制造和装配的产品开发

1. 产品设计的重要性

1.1 微笑曲线

• 1、iPhone 利润分配图
  

• 2、微笑曲线

  • 微笑曲线 (SmileCurve) 是 1992 年，时任宏碁电脑董事长施振荣在《再造宏碁:开创、成长与挑战》一书中所提出的企业竞争战略，作为宏碁的策略方向，可以通过微笑曲线理论来解释上图：企业在产业链中的利润分配取决于企业在产业链中的位置或地位
  • 按照产业链中各环节在产业链中的位置及其产生的附加价值可绘制成一条微笑曲线
    • 微笑曲线的两端朝上，分别是产品设计、技术研发以及品牌、渠道、物流和服务等，它们处在产业链的核心，具有非常高的附加价值
    • 微笑曲线的底端是产品制造，它们处在产业链的底端，产生非常低的附加价值
      

• 3、iPhone 利润分配的启示

  • 在全球化的背景下，供应商处于受支配地位，非常容易被替换
  • 产品设计、技术研发和品牌等是一个企业获取利润的关键
  • 电子产品的装配产生非常少的价值

1.2 产品设计的作用

产品设计是整个产业链的核心，产生最多的附加价值，而产品制造处于产业链的底端，产生最小的附加价值

1.2.1 产品设计决定了产品成本

• 影响产品成本的四个主要因素：设计、材料、劳动力和管理

  • (1) 产品设计阶段的成本仅仅占整个产品开发投入成本的 5%
  • (2) 产品设计决定了 75% 的产品成本
  • (3) 产品设计在很大程度上影响了材料、劳动力和管理的成本
  • (4) 如果没有产品设计的优化，材料、劳动力和管理对于降低产品成本影响很小
    

• 产品设计决定了产品成本原因分析

  • 产品设计决定了零件的材料
    • 材料费用是产品成本的重要组成部分
  • 产品设计决定了产品结构的简单与复杂度
    • 产品结构越简单，产品的可装配性就越高，产品的装配效率就越高，产品的装配成本就越低
  • 产品设计决定了零件的简单与复杂度
    • 零件越简单，零件的可制造性就越高，零件的制造效率就越高，零件的制造成本就越低
  • 产品设计决定了产品的修改次数
    • 当制造出的产品不符合产品的功能、外观和可靠性等时，必须进行设计修改，产品修改次数越多，产品成本增加得越多
  • 产品设计决定了产品的不良率
    • 产品的不良率越高，产品的成本就越高，产品的不良率主要是由产品设计决定的，而不是产品制造

1.2.2 产品设计决定了产品质量

• 质量是制造出来的?
  • 制造是按照设计图样和工艺要求来制造产品。如果产品设计不合理，再精密的制造仪器和高明的制造工程师也无法制造出高质量的产品
• 质量是检验出来的?
  • 检验是在产品制造完成后，根据检验标准，挑出不合格品。检验只是事后把关。当然，通过提高产品检验标准，可以提高产品质量，但同时产品不良率也会增加，造成产品成本的上升，这种方法没有从根本上解决问题
• 产品设计决定了产品的基因与质量
  • 日本的质量大师 Taguchi 认为：产品质量首先是设计出来的，然后才是制造出来的
  • 二八原则形象地说明了产品设计对产品质量的重要性。根据统计，80% 左右的产品质量问题是由设计引起的，20% 的产品质量问题是由后期的制造和装配引起的

1.2.3 产品设计决定了产品开发周期

• 一个合理的产品设计能够顺利地进行制造和装配，而一个不合理的设计往往会造成产品无法制造或者装配，从而造成产品开发周期的加长。特别是在大批量化生产的今天，很多零件的制造都是通过模具(如注射模具等)加工而成，如果产品的设计不合理，零件无法顺利制造或者零件的质量不符合要求，那么此时就不得不修改产品的设计，相应的模具也需要修改，而模具的修改往往会耗费大量的时间，从而造成产品开发周期的加长

1.3 好的产品设计

• 1、好的产品设计是创新的
  • 创新的思想和基因应当存在于产品的具体结构中，存在于产品的每一个零件和每一个零件装配件关系中。一个好的产品设计总是通过创新的设计，来解决产品设计中面临的挑战和满足产品设计的各种要求
• 2、好的产品设计是简洁的
  • 一个产品中的零件数量越少越好，零件的装配关系越简单越好。零件越少装配关系越简单，产品的装配效率越高、装配质量越高、产品成本越低、产品的易使用性越好
  • 零件的设计应当越简单越好，零件越简单越容易制造、成本越低、出现缺陷的可能性越低、零件质量越高
• 3、好的产品设计是功能第一的
  • 功能是产品设计的首要问题，产品是以功能为核心的，没有功能的存在，产品也就不复存在
  • 功能是产品具有使用价值的基础，消费者对产品的需求就是对产品功能的需求，功能是消费者对产品的最基本诉求
• 4、好的产品设计是美的
  • 好的产品设计必须充分考虑到产品的外观要求，好的产品设计是美的
  • 产品的美感是实用性不可或缺的一部分，因为每天使用的产品都无时无刻地影响着我们的生活，产品的美感能够给消费者带来一种美的享受
• 5、好的产品设计是考虑成本的
  • 在实现产品功能、质量、外观、可靠性等要求的情况下，产品成本越低，企业利润越高
  • 无论一个产品的功能如何强大、质量如何高、消费者如何欢迎，但如果产品成本太高，企业没有利润甚至亏钱，这样的产品设计也只能说是一个失败的产品设计
• 6、好的产品设计是考虑产品质量的
  • 产品质量是指产品适应社会生产和生活消费需要而具备的特性，它是产品使用价值的具体体现，产品质量要求反映了产品的特性和满足消费者及其他相关方要求的能力
  • 产品设计决定了产品质量，产品制造按照设计意图来制造产品，只能在量的级别上提高产品的质量，并不能从根本上提高产品质量，产品检验是事后检验，检出不合格品，也不能从根本上提高产品质量
• 7、好的产品设计是考虑产品的可制造性和可装配性的
  • 产品具有可制造性和可装配性，则产品制造和装配简单、制造和装配成本低、效率高、不良率低
  • 同时，产品的设计修改次数少，第一次就把事情做对，能够大幅降低产品开发周期降低产品成本以及提高产品质量
• 8、好的产品设计是考虑周到并且不放过每个细节的
  • 产品设计中的每一个细节都有可能对产品的功能、质量、成本和可靠性等造成影响。产品设计中的每一个细节都必须精心考虑，应当精益求精
  • 例如，在塑胶产品的卡扣设计中，如果卡扣的根部是尖角而不是圆角的设计在制造时卡扣根部就会产生应力集中，使卡扣强度大幅降低，而卡扣就非常容易因为使用过程中发生的碰撞或跌落折断而失效
• 9、好的产品设计是具有高度用户体验的
  • 用户体验并不关心产品是如何工作的，而关心的是用户在使用产品过程中的心情感受。产品的最终使用者是用户，只有具有高度用户体验的产品、用户喜欢的产品才是最好的产品
  • 具有高度用户体验的产品设计应该考虑到以下方面
    • 是否方便用户的操作和使用?
    • 是否能让用户具有舒适和愉悦感?
    • 是否容易让用户产生困惑，而不知道如何操作?
    • 是否容易让用户产生操作错误，而带来不愉悦甚至灾难的后果?
• 10、好的产品设计是和谐的
  • 好的产品需要满足的要求是如此之多，而有些时候要求之间互相是冲突的，有可能满足这一方面的要求就会造成另外一方面要求无法满足，这就需要能够在这些要求中取得平衡，使产品设计满足所有这些要求

2. Design for X (DFX)

2.1 产品生命周期

2.2 面向产品生命周期的设计

• (1) DFM (Design For Manufacture，面向制造的设计)
• (2) DFA (DesignForAssembly，面向装配的设计)
  • DFM 和DFA 统称为 DFMA(Design For Manufacture and Assembly)，即面向制造和装配的产品设计，DFMA 是最早的和最成熟的 DFX 技术之一
• (3) DFI (Design For Inspection，面向检验的设计)
  • 加工中的产品检验：提供快速精确的加工过程反馈
  • 维修中的产品检验：快速而准确地确定产品结构或功能的缺陷，及时维修以保证产品使用的安全
• (4) DFS (Design for Service，面向维修的设计)
  • 产品的售后服务其实主要是指产品维修，而产品维修主要涉及的是产品拆卸和重装等工作
  • 面向维修的设计原则
    • 通用化、标准化、模块化设计原则
    • 简化产品设计原则
    • 可达性设计原则
    • 易损件的易换性设计原则
    • 贵重件的可修复性设计原则
    • 测试性设计原则
    • 维修工具原则（尽量使用常规维修工具）
    • 维修安全性设计原则
    • 维修防错原则
    • 易拆卸性设计原则
• (5) DFE (Design For Environment，面向环境的设计)
  • 面向环境的设计强调要从根本上防止污染、节约资源和能源，关键在于产品设计和制造
  • 面向环境的设计原则
    • 使用可循环使用、可回收的材料
    • 使用对环境友好、污染少的材料
    • 优化产品设计以减少材料使用，避免过于稳健的设计以浪费材料
    • 减少使用材料的种类
    • 减少产品制造和使用过程中的能源消耗
    • 提高产品的可靠性以延长产品的使用年限
    • 提高产品的可回收性
• (6) DFR (Design For Recycling，面向回收的设计)
  • 是指在进行产品设计时要充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，以达到零件材料资源和能源的最充分利用，并对环境污染最小的一种设计思想和方法
  • 面向回收的设计原则
    • 尽量使用可回收的材料
    • 在可回收材料的零件上用清晰的标识进行标记
    • 限制喷漆和涂层的使用
    • 考虑零件以及材料的回收工艺性
    • 考虑回收的经济性
    • 零件可回收的前提条件是能方便、经济、无损害地从产品中拆卸下来

2.3 面向各种要求的设计

• (1) DFC (来自于客户或消费者的要求)
• (2) DFM (零件的可制造性要求)
• (3) DFA (产品的可装配性要求)
• (4) DFR (产品的可靠性要求)
  • ① 简化产品结构
  • ② 增加排除环境因素干扰的设计
  • ③ 采用标准件和标准材料
  • ④ 减少导致疲劳失效的设计，如减少应力集中
  • ⑤ 紧固件争取采用可锁定的
  • ⑥ 提高零件的冗余度
• (5) DFC (产品的成本要求)

2.4 DFX 的内涵

• 1、DFX 体现了并行工程的思想
  • DFX 是一种哲理、方法、手段和工具，体现了并行工程的思想，即在设计阶段尽早地考虑产品生命周期各阶段的各种要求，将有助于提高产品的竞争力
  • DFX 方法本身不是设计方法，不直接产生设计方案，它是对候选设计进行评价、分析和优化的方法，为设计提供依据
  • DFX 方法的应用最终通过再设计实现产品的优化，它不仅用于改进产品本身，而且用于改进包括制造过程和装配过程的产品相关过程
• 2、DFX 要求团队合作
  • 成功实施 DFX 的一个关键因素就是团队合作，产品的成功开发并不仅仅是产品设计工程师的职责，而是依赖于整个 DFX 团队成员之间的团队合作
  • 在产品设计阶段，产品设计工程师要尽早与 DFX 团队的其他人员进行充分沟通与交流，并设计产品完全满足 DFX 的各种要求，尽早发现问题并加以解决，避免在产品开发的中后期才发现而造成产品质量降低和成本增加等

3. 面向制造和装配的产品开发模式

• 三种产品开发模式对比
  

3.1 DFMA 概述

• 面向制造和装配的产品设计 (Design For Manufacturing and Assembly，DFMA) 是指在考虑产品功能、外观和可靠性等前提下，通过提高产品的可制造性和可装配性，从而保证以更低的成本、更短的时间和更高的质量进行产品设计
• 塑胶零件主要的可制造性
  • 均匀的零件壁厚
  • 避免尖角
  • 合适的脱模斜度
  • 加强筋、支柱和孔的设计
  • 改善塑胶件外观的设计
  • 降低塑胶件成本的设计
  • 注射模具可行性设计
• 塑胶零件主要的可装配性
  • 减少零件数量
  • 减少紧固件的数量和类型
  • 零件标准化
  • 模块化产品设计
  • 设计一个稳定的基座
  • 设计零件容易被抓取
  • 避免零件互相缠绕
  • 减少零件装配方向
  • 设计导向特征
  • 先定位后固定
  • 避免零件装配干涉
  • 为辅助工具提供空间
  • 为重要零部件提供止位特征
  • 防止零件欠约束和过约束
  • 宽松的零件公差要求
  • 装配中的人机工程学
  • 电缆的设
  • 防错的设计

3.2 DFMA 的开发流程