製品開発における検証テスト：POCからEVT、DVT、PVT、大量生産まで

経験則として、製品の開発が進むほど、変更にかかるコストが高くなります。したがって、製品開発イニシアチブの主要な包括的な目標は、問題を早期に解決し、後続の段階でコストのかかる反復のリスクを軽減することです。

ここで検証テストが役立ちます。検証テストは、ハードウェアの一部が成熟段階によって設定された要件を満たしているかどうか、および次の段階に進む準備ができているかどうかを判断するフェーズゲートプロセスです。その過程で、設計者やエンジニアはさまざまな種類のプロトタイプを作成します。各段階には、学習、調査、および適応の余地がありますが、製品は、工業化を成功させるために前進する前に、定義された基準に合格する必要があります。

この記事では、大量生産に向けて開発プロセスを最適化する方法を説明し、製品の成熟度のさまざまなフェーズ（目的、アクティビティ、解決された問題、プロトタイプの作成、終了基準など）に焦点を当てます。

製品設計は、最初のCADモデルからすぐに生産できるようになることはほとんどありません。単純なプラスチック製品でさえ、最初のシリーズが成形された後の不均一な冷却のために、悪いシンクマーク、フローライン、または弱い領域があることが判明する場合があります。法的に必要なラベルを組み込むには、領域が小さすぎることが判明する可能性があります。特定の条件下では、嵌合部品に公差の問題がある可能性があります。または、リードユーザーグループが新しい優先度の高い要件を考え出し、設計者に別の開発ラウンドを強いることもできます。

設計プロセスでは、このような変更、改良、ピボットのほか、製造可能性、コスト見積もり、顧客の声（VOC）、法律、IP、認証基準などの側面を最初から調査する必要があります。

プロセスが生産に向けて進むにつれて、これらの反復のコストは指数関数的に上昇します。開発の初期に設計者が行った一連のスケッチとフォームモデルは、会社に50ドルの材料費がかかりますが、3Dプリント、バイインパーツ、および真空キャストオーバーモールドに基づくより洗練されたラピッドプロトタイプは、会社を後退させる可能性があります500ドルから1,000ドルのオーダーのどこか。生産段階での工具の変更により、総コストが最大50,000ドルになり、数週間または数か月の遅延が発生する可能性があります。

複雑な製品の場合、生産投資は数百万に達します。航空機などの最も困難な製品には、数千人の従業員と数十億の固定生産コストが必要です。このような1：10：100やその他の災害を防ぐために、設計者とエンジニアは、反復の確率と、実行するすべてのステップでの成功の確率の観点から考えます。検証テストは、設計のステータスが特定の段階で適切な一連の要件を満たしていることを確認するために不可欠です。明確な終了基準と成果物で各フェーズをゲーティングすることで、リソースの最適な使用と品質の向上が保証されます。

最初のモックアップを超えた製品成熟度のさまざまな段階にある消費者製品。戻る：SLSおよびSLA3D印刷を使用したEVTビルド。中央：ソフトツールに基づく「ファーストショット」DVTビルド。フロント：ハードツールを使用したPVTビルド。礼儀：IDZone製品設計。

会社の幹部が市場機会の決定、製品の位置付け、技術評価、サプライチェーン戦略、およびリソースの割り当てによって新製品計画（NPP）を確認した後、開発プロセスは通常、製品の手に委ねられます。これらを製品要件文書（PRD）に変換し、実行可能な概念を考え出す必要があるチーム。

最初に、概念実証（POC）プロトタイプは、アイデア、方法、または製品の初期テストに使用され、実際の設定での可能性と実現可能性を示します。これらの概念は、後でプロトタイプに変換されます。プロトタイプは、製品の動作モデルであり、メカニズム、設計、ユーザーエクスペリエンスなどの観点から製品がどのように機能するかを正確に示します。

大量生産に向けた製品開発のさまざまな段階。 （出典）

プロトタイプは、特定の要件に関するその価値を伝達および評価するために使用できる製品設計のインスタンス化です。プロトタイプは、粘土、段ボール、フォーム、木材などの素材で手作りされた忠実度の低い「ソフト」モデルから、機械工場で3Dプリントまたは作成された忠実度の高い機能的なプロトタイプまで多岐にわたります。焦点を絞ったプロトタイプは、製品の要件の一部のみを具体化することを目的としており、「見た目が似ている」モデル、機能的な「機能が似ている」モデル、または特定のサブ機能をテストするために部分的な形式と機能を示すモデルにすることができます。プロトタイプにすべての要件と機能が設計に組み込まれている場合、それはエンジニアリングプロトタイプと呼ばれます。

初期の作品-Form3L大判SLA3Dプリンターのプロトタイプのように。

その過程で、非フォームファクター（NFF）モデルを作成できます。これは、実用的なデモンストレーターを開発するために、すべての機能コンポーネントのプレースホルダーバージョンを収容することを目的とした製品設計の本質的に巨大なバージョンです。電子機器の初歩的な動作バージョンは、ハードウェア開発キット、Arduino、またはRaspberryPi構造の形式で含まれています。

分析または仮想プロトタイプは、レンダリング、数学的シミュレーション、またはFEA分析用の3Dモデルなど、非物理的な製品のインスタンス化です。スケッチでさえ、仮想プロトタイプの大まかな形です。

さまざまな忠実度のテスト可能なアルファプロトタイプ。左：キッチン家電の「見た目」のフォームモデル。礼儀：優れたプロトタイプ。中央：部分的なフォームと双方向性を示すフォームコア/ボール紙のモックアップ。礼儀：フリッツヴァンビーク。右：デジタルカメラの部分的にインタラクティブな機械工具のプロトタイプ。これはまだ本番用に設計されていないため、アルファプロトタイプであることに注意してください。礼儀：JoepFrens。

プロトタイピングの段階は、使いやすさ、美学、隠れたユーザーニーズ、仲間のデザイナー、製品マネージャー、トピックに関する専門家の意見、および立法上および技術上の制限に関する詳細を明確にするために不可欠です。複雑な電気機械製品の一般的な設計プロセスには、複数の概念が含まれ、それぞれが探索スケッチのスタック、一連の物理的なモックアップ、および3Dレンダリングのセットによってサポートされています。

IDEOデザインチームは、1987年にマイクロソフト向けの最初の人間工学に基づいたコンピューターマウスの形を整えるために80個のフォームモデルを使用しました。リスクと複雑さが増す過程で、その数はとらえどころのない5,127個のプロトタイプにまで及ぶ可能性があります。ジェームズ・ダイソンが15年の間に最初の「サイクロンテクノロジー」真空クリーナーを開発するのにかかったこと。新製品の開発プロセスをスピードアップし、悪名高い「ハードウェアの沼」を回避するには、プロトタイプを主要な要件に集中させ、後の段階で発生するリスクを考慮し、探索的なユーザーテストを適切に計画することが最も重要です。

全体として、プロトタイピング段階の目的は、最終製品のように機能し、そのように見えるエンジニアリングプロトタイプを作成することです。この段階では、使用するテクノロジーが顧客のニーズを満たしていること、製造が可能であること、および製品が意図したとおりに機能することを証明する必要があります。これらが確認されたら、後続の検証段階の目標は、製品が一貫して大規模に製造できることを確認することです。

エンジニアリング検証テスト（EVT）の段階は、製品に必要な重要な機能範囲を組み込み、最適化することです。プロトタイピング段階の結果は限定された「アルファ」プロトタイプでしたが、ここでは、通常はビルドマトリックスによって決定される、より完全な機能セットを収容するエンジニアリングレベルの「ベータ」プロトタイプが開発されます。エンジニアリングプロトタイプは、製造用に設計された最終的な商用製品の最小実行可能バージョンです（DFM）。これは、リードユーザーの選択されたグループによるラボベースのユーザーテスト、後続の段階でのツールスペシャリストへの生産意図の伝達、および最初の営業会議でのデモンストレーターとしての役割を果たすために使用されます。

アセンブリ内のすべてのコンポーネントに対して製造購入分析が実行され、カスタムパーツに対してコンポーネントエンジニアリングが実行され、契約製造業者（CM）に対するRFQの部品表（BOM）が設定されるため、最初の組立ラインの準備ができます。ファーストショット（FS）ツール。電子製品の場合、ハイエンドの「ホットステーク」PCBは工業プロセスを使用して開発されます。この時点で、電力、熱、およびEMIテストも実行されます。

EVTフェーズの典型的なアクティビティ。左：生産意図レベルの分解図を示す製品設計レンダリング。礼儀：Oculus。右：3Dプリントされた金型を使用した少量の射出成形。

約20〜50ユニットは、積層造形やCNC機械加工などの高精度プロセス、またはシリコーンや3Dプリントモールドなどのソフトツーリングに基づく一連のキャストを使用して製造されます。全体的な目的は、完全な生産意図を持って設計を開発し、最終的には生産に値する少数のエンジニアリングプロトタイプを作成することです。

設計検証テスト（DVT）の段階では、製品が真に工業化され始めます。 EVTは製造のためのアーキテクチャレベルの設計がすべてですが、DVTは、最初の大量生産ラインに向かって詳細を正しく把握することを目的としています。それは実験と最適化によって特徴づけられる段階です。 PCBは、デバッグとノイズ除去の取り組みを通じて完全に繰り返されます。 CMは、大量生産の歩留まりを検証するために、製造されたすべての部品に対して最初のハードツールを開発します。アルミニウム金型を使用して、表面仕上げ、材料、公差、スライダーやカムなどの金型構成、接合方法、およびプロセスパラメータの観点から設計を最適化できます。

通常、50〜200ユニットが生産されますが、大規模なプロジェクトで1,000ユニット以上が生産されることも珍しくありません。これらのユニットはその後、社内評価と最終的なエンジニアリング変更の実装のために返送されますが、一部はベータユニットとして潜在的な顧客や専門家のレビュー担当者に送られます。多くのテストが最初の生産レベルのユニットで実行されます：環境チャンバーテスト、熱サイクル、振動、ESD、生体適合性、耐薬品性、FDA、FCC、UL、CE、EC、RoHSなどの認証、経年劣化、放射、とりわけ、化粧品、摩耗、および落下試験。広範なユーザーテストは、現実的な状況で人口のかなりの部分を対象に行われます。

DVTフェーズでは、詳細を最適化することがすべてです。左：統合されたリベットを使用して、PCBをプラスチックエンクロージャーにヒートステークしました。礼儀：ハートマン。中央：射出成形されたエンクロージャーをファブリック基板に統合する実験。礼儀：BemisSewfree。右：塩霧腐食試験用のAES環境チャンバー。礼儀：関連する環境システム。

製品開発を加速するために、EVTフェーズの最後にハードツーリングに投資することでDVTステージをバイパスすることができます。これにより、EPは、生産に値するプロトタイプを持つというEVT出口基準だけでなく、DVT出口もすぐに満たすことができます。ハードツーリングと大量生産の歩留まり評価の基準。ただし、PVT規模のリソースをすぐに投資することには大きなリスクが伴い、このような手抜きをすることは、たとえあったとしても、ほとんどアドバイスされません。

生産検証試験（PVT）は、量産開始前の最終段階です。ハードツーリングは固定されています。つまり、製品設計または生産金型のいずれにもこれ以上の変更を加えることはできません。生産パイロット（PP）を開始するには、ジグ、固定具、およびテストベンチを設置し、検証する必要があります。この段階で行われる取り組みは、ライン速度、オペレーターの専門知識、スクラップ率、および1日の歩留まりの観点から、生産ラインと組立ラインの最適化と安定化に向けられています。

コンポーネントが単一の選択されたCMによって作成されるように制限されている場合、単一ソースの供給などの潜在的なリスクは、FMECA、QA / QC、FAIなどのリスク管理プロトコルを通じて特定されます。電子機器は最初の起動とファームウェア検査を受け、製品パッケージとユーザーマニュアルもこの段階で作成されます。この段階での作業のほとんどは、契約メーカー側で実行されます。

PVTフェーズは、プロセスと品質管理を通じて生産ラインを最適化することです。左：複数の回路基板用のパネルテストジグ。礼儀：韓国ジグ。中：民生用マルチステーション組立治具。礼儀：エアロスポーツ添加剤。右：多材料成形用の複雑な回転射出成形。礼儀：Grosfilley In-Mold＆RotativeSolutions。

PVTステージの典型的な結果は、500以上のユニット、または最初の生産実行量の少なくとも5％です。目的は、大量生産速度での大量生産の歩留まりを検証し、販売可能な製品を作成することです。これは、多くの企業が販売計画を作成し、早期の購入者と一緒に事業を開始する場所です。 PVTビルドは、企業が生産プロセスを微調整する最後のチャンスです。主要な生産指標による成功に基づいて、赤、オレンジ、緑の状態でステージゲートされる場合があります。緑色のライトが点滅すると、真の大量生産を開始できます。

会社の本社でQAの前に3LPVTユニットを形成します。 PVTの段階では、製品を顧客に出荷する準備が整う前に、最終的な品質チェックのために契約製造業者からエンジニアリングチームに生産ユニットを返送するのが一般的です。特に、世界的な大流行により、 CMは不可能です。

製品の成熟度の進化の最終段階は、大量生産（MP）への立ち上げです。通常、最小数量は5,000ユニットですが、PlayStation、iPad、iPhone、ルービックキューブなどの人気のある消費者向け製品の場合は、最大で数百万ユニットになる可能性があります。

このフェーズでは、最初の生産ラインを他のラインに複製して、並行して実行することができます。少数のユニットでの故障と歩留まりの分析により、一貫した品質が保証されます。最初の返品が行われ、EFFA分析により、故障したすべてのユニットがエンジニアリングチームに確実に返送されます。品質をさらに保証するために、工場とベンダーは、品質の変化につながる工具やプロセスのパラメータに予期しない変更を加えないように監視する必要があります。全体的な焦点は、歩留まりの向上、コストの削減、および必要に応じた拡張です。ここのマーケティングおよび販売チームは、販促資料の作成、広告、および販売量の予測に集中できます。

契約製造業者でのQA / QC後に大量生産されたForm3Lユニット。

製品開発の遅すぎる段階で間違った決定をしたり、重要な詳細を見落としたりすると、高コストと長い遅延につながる可能性があります。企業はまた、誤ったベータユニットを送信することによって評判を損なう余裕はありません。開発に対する検証ベースのフェーズゲートアプローチは、あらゆる形態の複雑な製品、システム、およびサービスに必要です。リソースを最小限に抑えながら、大量生産に向けた最適な軌道を確保します。

製品の成熟段階を要約すると、POCとプロトタイピングの段階の目標は、製品のコンセプトが実行可能であり、人々がそれを必要としていること、そしてそれを開発できることを確認することです。 EVTの段階で、開発チームは設計が正しく機能するという確信を確立することを目指しています。 DVTステージは、設計が大規模に正常に製造できることを確認し、無数のテスト手順に合格します。一方、PVTは、生産ラインが目的のメトリックを満たすことができることを確認するためにあります。大量生産では、販売、品質の維持、返品の処理、将来の設計変更の準備、および耐用年数の終了に重点が置かれます。

包括的なPRD、綿密に計画されたプロトタイピングアプローチ、および製品開発の初期段階での分析の重要性は、将来の集中的な変更を防ぐために誇張することはできません。組立ラインから新鮮な最初のマスターカートンを開けて、何年もの努力ではないにしても数ヶ月の成果を見ることができるという満足感もありません。

3D印刷は、製品開発プロセス全体を通じて開発チームをサポートできるツールの1つです。忠実度の高いプロトタイプから、組立ライン用の迅速な工具や治具、固定具まで、3Dプリンターは、開発プロセスをスピードアップし、製造の成功への道を開くのに役立ちます。

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