Pruebas de validación en el desarrollo de productos:de POC a EVT, DVT, PVT y producción en masa

Como regla general, cuanto más avanzado está el desarrollo de un producto, más costoso resulta realizar cambios. Por lo tanto, un objetivo fundamental clave de cualquier iniciativa de desarrollo de productos es resolver problemas temprano, reduciendo el riesgo de iteraciones costosas en etapas posteriores.

Aquí es donde entran en juego las pruebas de validación. Las pruebas de validación son el proceso de paso de fase para determinar si una pieza de hardware cumple con los requisitos establecidos en su etapa de madurez y si está lista para avanzar a la siguiente etapa. En el proceso, los diseñadores e ingenieros construyen numerosos tipos de prototipos. Cada etapa contiene espacio para el aprendizaje, la exploración y la adaptación, mientras que un producto debe pasar criterios definidos antes de avanzar para garantizar una industrialización exitosa.

En este artículo, explicamos cómo optimizar el proceso de desarrollo hacia la producción en masa, y destacamos las diferentes fases de madurez del producto incluyendo sus objetivos, actividades, problemas resueltos, prototipos producidos y criterios de salida.

¿Por qué realizar pruebas de validación?

El diseño de un producto casi nunca está listo para la producción desde el primer modelo CAD. Incluso un artículo de plástico simple puede tener malas marcas de fregadero, líneas de flujo o áreas débiles debido al enfriamiento heterogéneo después de moldear la primera serie. Un área puede resultar demasiado pequeña para incorporar las etiquetas requeridas legalmente. Puede haber problemas de tolerancia con una pieza de acoplamiento en determinadas condiciones. O un grupo de usuarios principales podría presentar un nuevo requisito de alta prioridad que obligue a los diseñadores a realizar otra ronda de desarrollo.

El proceso de diseño requiere continuamente tales alteraciones, refinamientos y pivotes, así como estudios en aspectos como la capacidad de fabricación, la estimación de costos, la voz del cliente (VOC), la legislación, la propiedad intelectual y los estándares de certificación desde el principio.

A medida que el proceso avanza hacia la producción, el costo de estas iteraciones aumenta exponencialmente. Mientras que una serie de bocetos y modelos de espuma realizados por un diseñador al comienzo del desarrollo le costará a la empresa 50 dólares en materiales, un prototipo rápido más refinado basado en impresiones 3D, piezas adquiridas y un sobremolde de fundición al vacío podría hacer retroceder a la empresa. en algún lugar del orden de $ 500 a $ 1,000. Los cambios de herramientas en la fase de producción pueden generar hasta $ 50,000 en costo total y resultar en varias semanas o meses de retraso.

Para productos complejos, las inversiones en producción ascienden a millones. Los productos más desafiantes, como los aviones, requieren miles de empleados y miles de millones en costos de producción fijos. Para prevenir tales desastres 1:10:100 y otros desastres, los diseñadores e ingenieros piensan en términos de probabilidad de iteración versus probabilidad de éxito con cada paso que dan. Las pruebas de validación son esenciales para garantizar que el estado del diseño cumpla con el conjunto correcto de requisitos en una etapa determinada. La sincronización de cada fase con criterios de salida y entregables claros garantiza el uso óptimo de los recursos y el avance de la calidad.

Un producto de consumo en diferentes etapas de madurez del producto más allá de la maqueta inicial. Atrás:EVT construido usando SLS y SLA impresión 3D. Medio:Construcción de DVT de "primeros disparos" basada en herramientas blandas. Anverso:construcción PVT utilizando herramientas duras. Cortesía:IDZone Product Design.

Etapas de madurez del producto

POC y creación de prototipos

Una vez que los ejecutivos de la empresa han confirmado la planificación del nuevo producto (NPP) determinando una oportunidad de mercado, un posicionamiento del producto, haciendo una evaluación de tecnología, estrategia de la cadena de suministro y asignación de recursos, el proceso de desarrollo generalmente se pone en manos de un producto. equipo que tiene que traducirlos en un documento de requisitos de producto (PRD) y proponer conceptos viables.

Al principio, los prototipos de prueba de concepto (POC) se utilizan para la prueba inicial de una idea, método o producto para mostrar su potencial y viabilidad en entornos del mundo real. Estos conceptos se convierten posteriormente en prototipos, que son modelos funcionales de un producto que muestran exactamente cómo funcionará el producto en términos de mecánica, diseño, experiencia del usuario, etc.

Las diferentes etapas del desarrollo del producto hacia la producción en masa. (fuente)

Un prototipo es una instanciación de un diseño de producto que se puede utilizar para comunicar y evaluar su valor con respecto a ciertos requisitos. Los prototipos van desde modelos "blandos" de baja fidelidad hechos a mano con materiales como arcilla, cartón, espuma y madera hasta prototipos funcionales de alta fidelidad impresos en 3D o fabricados en el taller mecánico. Los prototipos enfocados están destinados a incorporar solo una parte de los requisitos del producto y pueden ser un modelo "similar", un modelo funcional "similar a una obra" o uno que demuestre una forma y función parciales para probar ciertas subfuncionalidades. Cuando un prototipo incorpora todos los requisitos y funcionalidades con el diseño, se denomina prototipo de ingeniería.

Primeros prototipos similares a trabajos de la impresora 3D SLA de gran formato Form 3L.

En el proceso, se pueden crear modelos sin factor de forma (NFF), que son esencialmente versiones gigantes del diseño del producto destinadas a albergar versiones de marcadores de posición de todos los componentes funcionales para desarrollar un demostrador funcional. Las versiones funcionales rudimentarias de la electrónica se incluyen en forma de kits de desarrollo de hardware, construcciones Arduino o Raspberry Pi.

Los prototipos analíticos o virtuales son instancias de productos no físicos, como un modelo 3D para renderizado, simulación matemática o análisis FEA. Incluso un boceto es una forma burda de un prototipo virtual.

Prototipos alfa comprobables con diferentes fidelidades. Izquierda:Modelos de espuma de "apariencia" de electrodomésticos de cocina. Cortesía:Superior Prototype. Medio:Maqueta de núcleo de espuma / cartón que muestra la forma parcial y la interactividad. Cortesía:Frits van Beek. Derecha:prototipo de cámara digital parcialmente interactivo, hecho a máquina. Tenga en cuenta que este es un prototipo alfa porque aún no está diseñado para la intención de producción. Cortesía:Joep Frens.

La etapa de prototipado es fundamental para aclarar detalles sobre facilidad de uso, estética, necesidades ocultas del usuario, opiniones de compañeros diseñadores, gerentes de producto, expertos en el tema y limitaciones legislativas y tecnológicas. Un proceso de diseño típico para un producto electromecánico complejo incluye varios conceptos, cada uno respaldado por una pila de bocetos de exploración, una serie de maquetas físicas y un conjunto de representaciones 3D.

El equipo de diseño de IDEO necesitó 80 modelos de espuma solo para obtener la forma del primer mouse ergonómico de computadora adecuado para Microsoft en 1987. Y con un proceso de mayor riesgo y complejidad, el número puede dispararse hasta llegar a los esquivos 5.127 prototipos. que le tomó a James Dyson desarrollar la primera aspiradora con 'tecnología ciclónica' en el transcurso de 15 años. Para poder acelerar el proceso de desarrollo de nuevos productos y evitar el notorio 'pantano de hardware', es primordial enfocar los prototipos en los requisitos clave, tener en cuenta los riesgos que presentarán las etapas posteriores y planificar adecuadamente las pruebas de usuario exploratorias.

Con todo, el objetivo de la etapa de creación de prototipos es crear un prototipo de ingeniería que funcione y se vea como el producto final. Esta etapa debe demostrar que la tecnología utilizada satisface las necesidades del cliente, que es factible de fabricar y que el producto funcionará según lo previsto. Una vez que se confirman, el objetivo de las etapas de validación posteriores es garantizar que el producto se pueda fabricar de manera consistente a escala.

Prueba de validación de ingeniería (EVT)

La etapa de prueba de validación de ingeniería (EVT) se trata de incorporar y optimizar el alcance funcional crucial requerido para el producto. Mientras que el resultado de la etapa de creación de prototipos fue un prototipo "alfa" limitado, aquí se desarrollará un prototipo "beta" de nivel de ingeniería que alberga un conjunto más completo de funcionalidades, típicamente determinadas por una matriz de construcción. El prototipo de ingeniería es una versión mínima viable del producto comercial final, que está diseñado para fabricación (DFM). Se utiliza para pruebas de usuario en laboratorio con un grupo selecto de usuarios principales, para comunicar la intención de producción a los especialistas en herramientas en las etapas posteriores y para actuar como demostrador en las primeras reuniones de ventas.

Se realiza un análisis de fabricación y compra para todos los componentes en el ensamblaje, la ingeniería de componentes se realiza en piezas personalizadas y se configura una lista de materiales (BOM) para RFQ para los fabricantes por contrato (CM) para que puedan prepararse para la primera línea de ensamblaje y herramental de primeros disparos (FS). En el caso de los productos electrónicos, los PCB de alta gama se desarrollan mediante procesos industriales. En este punto, también se realizarán pruebas de energía, térmicas y EMI.

Actividades típicas en la fase EVT. Izquierda:representación del diseño del producto que muestra una vista explosionada a nivel de intención de producción. Cortesía:Oculus. Derecha:Moldeo por inyección de bajo volumen utilizando moldes impresos en 3D.

Aproximadamente de 20 a 50 unidades se producen mediante procesos de alta precisión como la fabricación aditiva y el mecanizado CNC, o una serie de moldes basados ​​en herramientas blandas como silicona o moldes impresos en 3D. El objetivo general es desarrollar el diseño con la intención de producción total y terminar con una pequeña cantidad de prototipos de ingeniería dignos de producción.

Prueba de validación de diseño (DVT)

La etapa de prueba de validación de diseño (DVT) es donde un producto realmente comienza a industrializarse. Donde EVT tiene que ver con el diseño a nivel de arquitectura para la fabricación, DVT se trata de obtener los detalles correctos mientras avanza hacia la primera línea de producción en masa. Es una etapa marcada por la experimentación y la optimización. Los PCB se iteran a la perfección a través de esfuerzos de depuración y eliminación de ruido. El CM desarrollará la primera herramienta dura para cada pieza fabricada para verificar los rendimientos de la producción en masa. Los moldes de aluminio se pueden utilizar para optimizar el diseño en términos de acabado de la superficie, materiales, tolerancia, configuración del molde como deslizadores y levas, métodos de unión y parámetros del proceso.

Aunque normalmente se producen de 50 a 200 unidades, no es raro ver más de 1000 unidades producidas para grandes proyectos. Estas unidades se envían posteriormente de regreso para evaluaciones internas y la implementación de cambios de ingeniería finales, mientras que algunas se envían como unidades beta a clientes potenciales y revisores expertos. Se realizarán muchas pruebas en las unidades del primer nivel de producción:pruebas de cámara ambiental, ciclos térmicos, vibración, ESD, biocompatibilidad, resistencia química, certificaciones como FDA, FCC, UL, CE, EC y RoHS, envejecimiento, radiación, pruebas cosméticas, de desgaste y de caída, entre otras. Se realizan pruebas exhaustivas de usuarios con una parte significativa de la población en un contexto realista.

La fase de TVP se trata de optimizar los detalles. Izquierda:PCB termoformado en su carcasa de plástico mediante remaches integrados. Cortesía:Hartmann. Medio:experimento para integrar un recinto moldeado por inyección en un sustrato de tela. Cortesía:Bemis Sewfree. Derecha:Cámara ambiental AES para pruebas de corrosión por niebla salina. Cortesía:Associated Environmental Systems.

Para acelerar el desarrollo del producto, es posible pasar por alto la etapa de DVT invirtiendo en herramientas duras al final de la fase de EVT, de modo que el EP cumpla inmediatamente no solo con el criterio de salida de EVT de tener un prototipo digno de producción, sino también con la salida de DVT. Criterios de evaluación del rendimiento de la producción en masa y del utillaje duro. Sin embargo, invertir tan pronto en recursos a escala PVT conlleva enormes riesgos, y casi nunca se aconseja tomar atajos como este.

Prueba de validación de producción (PVT)

La prueba de validación de la producción (PVT) es la fase final antes de que comience la producción en masa. Las herramientas duras son fijas, lo que significa que no se pueden realizar más cambios ni en el diseño del producto ni en los moldes de producción. Las plantillas, los accesorios y los bancos de prueba deben estar en su lugar y validados para que comience el piloto de producción (PP). Los esfuerzos realizados en esta etapa están dirigidos a optimizar y estabilizar las líneas de producción y montaje en términos de velocidad de línea, experiencia del operador, tasa de desperdicio y rendimiento diario.

Los riesgos potenciales, como los suministros de una sola fuente, cuando un componente está restringido para ser fabricado por un solo CM seleccionado, se identificarán a través de protocolos de gestión de riesgos como FMECA, QA / QC y FAI. La electrónica se somete a su primer arranque, así como a una inspección de firmware, y en esta etapa también se crearán el empaque del producto y los manuales de usuario. La mayor parte del trabajo en esta etapa se ejecutará por parte del fabricante contratado.

La fase PVT se trata de optimizar la línea de producción a través del proceso y el control de calidad. Izquierda:Plantilla de prueba de panel para múltiples placas de circuito. Cortesía:Korea Jig. Medio:Plantilla de montaje de estaciones múltiples para un producto de consumo. Cortesía:Aerosport Additive. Derecha:Molde de inyección rotativo complejo para moldeo de múltiples materiales. Cortesía:Grosfilley In-Mold &Rotative Solutions.

Un resultado típico de la etapa PVT es más de 500 unidades o al menos el 5% de la cantidad de la primera ejecución de producción. Los objetivos son verificar los rendimientos de la producción en masa a velocidades de producción en masa y crear productos vendibles. Aquí es donde muchas empresas crearán un plan de ventas y comenzarán su operación con los primeros compradores. La construcción PVT es la última oportunidad para que una empresa modifique el proceso de producción. A veces se regula por etapas en términos de un estado rojo, naranja y verde, según el éxito de acuerdo con las métricas clave de producción. Cuando la luz verde se enciende, la verdadera producción en masa puede comenzar.

Forme unidades PVT de 3L antes del control de calidad en la sede de la empresa. En la etapa PVT, todavía es común enviar unidades de producción del fabricante contratado al equipo de ingeniería para un control de calidad final antes de que los productos estén listos para enviarse a los clientes, especialmente cuando una pandemia global realiza un control de calidad en persona en el CM imposible.

Producción en masa (MP)

La etapa final en la evolución de la madurez del producto es la aceleración hacia la producción en masa (MP). Por lo general, comienza con una cantidad mínima de 5,000 unidades, pero puede llegar a varios millones de unidades en el caso de productos de consumo populares como PlayStation, iPad, iPhone o el cubo de Rubik.

En esta fase, la línea de producción inicial podría replicarse en otras líneas para operar en paralelo. Un análisis de fallas y rendimiento en un pequeño porcentaje de unidades asegura una calidad constante. Llegarán las primeras devoluciones y el análisis EFFA garantizará que todas las unidades fallidas regresen al equipo de ingeniería. Para garantizar aún más la calidad, las fábricas y los proveedores deben ser supervisados ​​para no realizar cambios imprevistos en las herramientas o los parámetros del proceso que provoquen cambios en la calidad. El enfoque general está en la mejora del rendimiento, la reducción de costos y la expansión cuando sea necesario. El equipo de marketing y ventas aquí puede enfocarse en desarrollar material publicitario, así como en predecir los volúmenes de ventas.

Unidades Form 3L producidas en masa después de QA / QC en el fabricante contratado.

Las diferentes etapas del proceso de desarrollo de nuevos productos para hardware

Etapa	NPP	POC	EVT	TVP	PVT	MP
Madurez	Caso comercial	Prototipo Alpha	Prototipo beta	Muestras de preproducción	Producto comercial completo	Producto comercial completo
Duración	1-3 meses	De 3 meses a más de 3 años	3-6 meses	3 meses	1 mes	Más de 3 meses
Focus	Comprender las oportunidades de mercado, PRD	Demuestre la conveniencia del usuario	Unidad digna de producción	Viabilidad de escalado	Preparación para MP	Garantía de calidad
Cantidad	0	5	<50	<500	500+	5,000+
Ventas	Posicionamiento	Plan de marketing	Previsión de ventas	Preparación del lanzamiento	Plan de ventas	Publicidad
VOC	Entrevistas, grupos focales	Pruebas de usuario exploratorias	Pruebas de usuario basadas en laboratorio	Pruebas de usuario in situ	Análisis de campo	Comentarios continuos
Ubicación	En casa	Socio interno + diseño (opcional)	Socio de ingeniería interno (opcional)	Validación interna de CM +	CM	CM

Conclusión

Tomar decisiones equivocadas o pasar por alto detalles esenciales en una etapa demasiado avanzada del desarrollo del producto puede generar costos elevados y retrasos prolongados. Las empresas tampoco pueden permitirse dañar su reputación enviando unidades beta erróneas. Un enfoque de fase de desarrollo basado en validación es necesario para todas las formas de productos, sistemas y servicios complejos. Asegura la trayectoria óptima hacia la producción en masa limitando los recursos al mínimo.

Recapitulando las fases de madurez del producto, el objetivo de las fases de POC y creación de prototipos es verificar que el concepto del producto es viable, que las personas lo necesitan y que es posible desarrollarlo. Durante la etapa de EVT, el equipo de desarrollo tiene como objetivo establecer la confianza de que el diseño funcionará correctamente. La etapa DVT verifica que el diseño se pueda fabricar con éxito a escala y pasa una gran cantidad de procedimientos de prueba, mientras que PVT está ahí para garantizar que la línea de producción pueda cumplir con las métricas deseadas. Durante la producción en masa, la atención se centra en las ventas, el mantenimiento de la calidad, el manejo de devoluciones, la preparación de futuros cambios de diseño y el final de la vida útil.

No se puede exagerar la importancia de un PRD integral, un enfoque de creación de prototipos bien planificado y análisis en las primeras etapas del desarrollo del producto para evitar cambios intensivos en el futuro. Tampoco puede la satisfacción que brinda abrir el primer cartón maestro recién salido de la línea de ensamblaje y ver los frutos de meses, si no años, de arduo trabajo.

La impresión 3D es una de las herramientas que pueden ayudar a los equipos de desarrollo durante todo el proceso de desarrollo del producto. Desde prototipos de alta fidelidad hasta herramientas rápidas, plantillas y accesorios para la línea de ensamblaje, las impresoras 3D pueden ayudarlo a acelerar el proceso de desarrollo y allanar el camino hacia una fabricación exitosa.