Design for X (DFX) Methods

什么是“Design for X”？

Design for eXcellence是一种在设计和制造领域中的不断发展的原则哲学。它采用了全面和系统的设计方法，关注产品的各个方面——从概念生成到最终交付。

它提供了良好的实践和设计指南，以确保第一次就正确地获取设计和制造方法。甚至所有这些都是在产品到达实际生产之前完成。

在1982年，NCR公司开始了一个正式的计划，以在其整个业务中实施制造可生产性的设计。到1989年，该计划已被正式命名为“Design for Excellence”（DFX）。该公司将DfX描述为：
“持续改进并发产品和制造过程开发，从一开始就将开发人员的注意力集中在所有关键的产品生命周期考虑因素上，例如客户需求、质量、上市时间、拥有成本和操作复杂性。”
“Continuous improvement in concurrent product and manufacturing process development to focus developers’ attention from the beginning on all key product lifecycle considerations such as customer requirements, quality, time to market, cost of ownership, and operational complexity.’’

DFX的历史与发展

最常见的DFX方法，也是“Design for eXcellence”的基础，是“Design for Assembly”和尤其是“ Design for Manufacture”。这些是首批正式采用的DFX方法，因此在DFX的发展中占据了很大一部分，并且不幸的是，DFM已经趋向于成为一个包罗万象的术语。

对DFM重要性的首次认识出现在二战期间，由于资源的稀缺和工业在尽可能短的时间内构建更好武器的持续压力。小型、综合性的跨学科团队设计了那个时期许多成功的武器。

二战后，繁荣和快速的工业增长使设计和制造分开成为不同的部门，导致了一个序列化的产品开发环境，对DFM关注较少。

在20世纪50年代末和60年代初，组织开始意识到当前的设计方法和范例不适用于新型自动化制造。特别是，与之前几年不同，机器人和可重新编程的制造系统具有许多不同的问题和要求。从这个角度出发，制造能力和装配能力的准则得到了正式化。最早专门涉及此主题的工作之一是由通用电气（General Electric）制作的，名为《制造可生产性手册》（Manufacturing Producibility Handbook）。

在20世纪60年代和70年代，许多公司意识到需要为不断演变的制造范式简化其设计和流程，并且独立进行了大量内部研究。在20世纪70年代末，日益激烈的全球竞争和缩短交货期的愿望导致重新发现了DFM。一些人尝试建立部门间的设计团队，其中既有设计部门的代表，也有制造部门的代表。在这些设计项目中，制造工程师从一开始就参与了设计过程，并就改进制造能力的可能方法提出了建议。

到了20世纪80年代，许多公司开始接受DFM和DFA的概念。在此期间，许多之前确定的规则开始被量化，并被编程到计算机中，以自动分析设计。DFA是70年代末和80年代初自动化努力的产物，当向高度自动化的装配水平迈进时，当前产品设计在自动化能力方面的不足得以凸显。将DFA应用于新产品不仅释放了自动化装配过程的好处，还适用于手工装配和总体装配过程。

最近，强调的重点已经不仅仅是为了制造而设计，还包括产品的整个生命周期，包括制造、服务、维修，最终甚至是拆卸和可回收性——简而言之，DFX。然而，在整个发展过程中，设计产品以便易于装配的基本前提一直在不断更新，以适应制造方法和技术的变化。

DFX分析的层次

随着时间的推移，DFX方法在同时工程哲学的支持下变得更加复杂，然后又借助于技术的应用。通常有三个不同的分析层次：

1. 遵循一组通用规则或指南。它们可能基于个人经验，也可能是经过组织工程师长时间推导得出的正式检查清单。这些规则通常不具备定量性质，需要人类解释和应用于每个特定的独特案例。尽管这比从头开始盲目地设计每个设计要好得多，但确实需要设计师具备一定的技能和知识来正确地解释和应用这些规则。

2. 进行设计的定量分析。设计的每个部分根据其可制造性进行评分或打分，获得数值。在一些组织中，这被称为“设计评分卡”。这些数字被汇总到整个设计中，得到的值被用作设计总体质量的指导。然后重新设计产品，使用数值作为要最小化的目标。通过集中关注对整体评分产生重大影响的设计领域，可以最大限度地发挥重新设计的效果。然而，这同样需要设计师具备很多洞察力和知识。

3. 整个过程的自动化。通过使用计算机，可以对设计进行定量分析。分析引擎是一种基于专家或知识的系统，使用从各个专家那里获取的设计规则的表示形式。可以开发一个系统，该系统可以分析设计并提供重新设计的建议，或者建议和评价备选设计。这些系统将消除学习和记忆指南和清单的需求，从而使设计师可以专注于设计过程的创造性方面。

传统工程设计与DFX的比较

将DFX视为重新审视工程设计的全新方式。了解DFX如何比优秀的传统的工程设计实践更加出色，将有助于我们理解为什么越来越多的公司正在跨足DFX。

传统产品开发流程

传统工程设计遵循从研究到测试/改进设计的顺序。工程设计的一般顺序如下：

1. 通过观察、调查、实验或两者的结合来识别问题。
2. 详细研究问题，收集尽可能多的相关信息。
3. 头脑风暴可能的解决方案。评估每个解决方案的利弊后进行最佳选择。
4. 创建设计并进行必要的计算。
5. 创建原型。
6. 在各个方面进行测试，以确保原型可以解决最初的问题。
7. 在批量生产之前根据需要改进产品。

这种线性方法在许多情况下可能会出现问题并且成本高昂，从而阻碍了我们实现工程设计的全部潜力。

DFX流程特点

DFX的过程具有一些特点，使其成为传统方法的更好替代方案。

• 早期纠正缺陷：在传统的工程设计流程中，问题通常在设计阶段之后被识别和纠正。DFX将解决这些问题的重点转移到早期设计阶段，既节省了金钱，也节省了时间。
• 较少的产品迭代次数：很少看到设计的产品第一次就能完美运作。DFX努力减少产品迭代次数，力求第一次就做对设计。这可以通过创建虚拟设计并进行模拟来实现。
• 需要较少的工具：DFX通过将设计工具限制为标准工具集，从而减少了设计所需的工具数量，提高了效率。
• 更广泛的设计范围：DFX的范围比常规工程设计更广泛、更全面。通过在各个领域内利用设计原则，DFX方法论提高了产品的价值，同时降低了成本。
• 包容性设计团队：DFX考虑了产品开发的许多方面，鼓励设计师、供应商和制造商之间更大的合作。
• 更短的上市时间：通过增加沟通并降低返工成本，DFX大大缩短了任何产品的上市时间。

DFX的一些其他显著特点相当不言而喻，如下所示：

• 降低了总产品开发成本
• 减少了产品风险
• 提高了运营效率
• 增加了生产产量
• 提高了客户满意度

DFX的类型

DFX是一种全面的理念，为设计和生产过程的各个方面提供设计指南。

代表Excellent的“X”可以被一些字母替代，以涵盖DFX的某个子部分。这些类别包括制造（DFM）、装配（DFA）、质量（DFQ）、供应链（DFSC）等。

设计师通过在过程中实施某些设计原则来改进所有这些领域的产品设计。其目标是通过在拟议的设计中进行更改，创建在这些领域表现出色的产品。

DFX在许多这样的设计改进焦点领域上有着诸多类别。其中一些类别，如DFM、DFA和DFMA，比其他类别更为流行。

制造设计（Design for Manufacturing，DFM）

制造设计指的是在产品开发的制造方面带来便利的设计。在设计的每个阶段，都会评估产品的制造便利性。

作为最常见且最有用的DFX类别之一，它提供了有助于我们以更低的成本创建更好产品的技术。设计师使用这些技术来增强零件、组装和整体产品的设计。

例如，金属产品可以使用各种制造工艺制造。DFM使设计师能够选择适合的制造和表面处理方法，以获得最佳质量和最低价格。然后，零件设计遵循所选择的方法以确保可制造性。

随着初始选择，进行成本分析。如果成本仍然较高，则重复上述步骤，直至达到最佳解决方案。

装配设计（Design for Assembly，DFA）

在装配设计中，设计师在产品中实施了使其易于组装的特性。鼓励使用更少、更简单的零件，可以通过简单的操作进行轻松组装，以消除出错的可能性。

它还提供了其他优点，例如由于需要测试和维护的部件较少而具有较低的可维护性。在DFA中，设计中经常被问到的一个问题是“部件/组件是否需要与整个产品分离?”

需要将零件与产品本体分开的可能原因有:

• 功能要求零件与产品本体之间的相对运动。
• 出于功能/美观的原因，该部件由不同的材料制成。
• 该部件可能需要拆卸维修，维护，或访问其他部件。
  在没有上述原因的情况下，零件必须与另一个零件或与产品本体组合，以减少最终装配时的零件数量

制造与装配设计（Design for Manufacturing and Assembly，DFMA）

参考视频：DFMA
DFMA在DFM和DFA的基础上更进一步。DFM关注产品/零部件的制造，而DFA关注产品的架构。DFMA将这两种学科结合起来，以提供更简单、更高效的产品，这些产品更易于制造和装配。额外的好处包括降低成本、增加可靠性和缩短上市时间。与传统设计过程相比，DFMA设计过程可节省约40%的时间。

DFMA还可以利用并行工程的好处。设计和制造团队共同设计出比每个团队独立工作时更好的产品。

例如，DFM可能会选择激光切割和弯曲的组合，而DFA原则可能会更倾向于使用数控机加工服务来生产更复杂但零部件更少的部件，较少强调生产成本。DFMA将这两种方法结合在一起，以在整个产品开发过程中创造更全面的视角，同时考虑到不同的方面。

可靠性设计（Design for Reliability，DFR）

参考视频：DFR
IEEE将零部件的可靠性定义为“零部件或系统在规定条件下在指定时间内执行其所需功能的能力”。DFR的目标是在产品中建立可靠性。

必须从设计阶段的最早阶段开始，并在此后的每个阶段进行评估。将其整合到整个产品开发过程中是实现最佳结果的必要条件。

设计师必须注意，由于零件的可靠性各不相同，因此没有可用的工业标准来衡量可靠性。与了解可靠性测试方法一样重要的是，了解如何将可靠性纳入产品中。

在DFR中，设计师寻找部件/产品故障的来源，并努力消除这种风险。在无法消除故障的情况下，他们试图将故障延迟到等于或大于产品生命周期的时间。许多技术，如FMEA和FTA有助于测试和设计可靠的产品。还有许多其他工具也可以供可靠性工程师使用,并不是每个部件都需要使用所有工具，而是仅在特定用例适用的情况下使用。

可靠性与产品成本成反比。在追求增加可靠性的过程中，产品成本有时可能会大大超出预算,需要在产品的两个属性之间寻找平衡点。

质量设计（Design for Quality，DFQ）

产品的质量是直接影响产品销售的属性。产品的整体质量是对8种不同属性的衡量：

• 性能（ Performance）
• 特性（Features）
• 可靠性（Reliability）
• 一致性（Conformance）
• 耐久性（Durability）
• 适用性（Serviceability）
• 美学（Aesthetics）
• 感知质量（Perceived quality）

为了交付优质产品，必须从生产系统的一开始就构建质量检查。这减少了产品投入生产前的质量问题。仅仅依靠最终检验来剔除不良产品通常是不够的。

一个良好的质量计划对于实现这一目标至关重要。它确保客户能够获得最佳产品，同时不会给公司的财务带来太大的负担。

供应链设计（Design for Supply Chain ，DFSC）

长时间以来，产品的供应链一直是事后考虑的。只有在产品设计和制造过程到位后，才会认真考虑物流系统。

物流涉及诸如包装/运输、并行处理以及部件的模块化（标准化）等方面。

DFSC提议，在产品本身处于初始设计阶段时就应设计产品的供应链。这有助于我们最大限度地降低供应链成本、库存需求、交货时间和浪费。

测试设计（Design for Testing ，DFT）

测试是指对产品或其原型的全部或代表性样品进行的质量检查。这是为了确保它们符合设计师设定的预定标准。

然而，要测试所有的产品并不容易。在许多情况下，测试消耗了项目预算的很大一部分，特别是如果测试方法是在设计和制造方面完成之后实施的。

DFT是指在设计阶段就将测试方法融入到产品中，以便轻松且经济地测试各种产品属性和功能。目标是在组装线或包装阶段以最小的干预来检测任何关键缺陷或问题。

维护设计（Design for Maintenance）

这种方法着重于使产品更易于维护。在设计中必须充分考虑预防性维护和故障维护。

许多产品可以通过在设计过程中考虑一些提高所有产品可维护性的要点而易于维护。实现这一目标的一种方法是建立能够显示产品实时状况的系统。例如，用于显示压缩机油位的视镜。视镜允许工程师定期检查油位，防止任何重大故障。

即使发生重大故障，遵循设计维护的原则也可以方便地访问可能是罪魁祸首的零部件。例如，在汽车中可以轻松更换火花塞等，而访问电机皮带则需要更多的工作。反之则没意义，因为更换火花塞是需要更高频率进行的工作。

提高可维护性的另一个重要特性是开发模块化的产品。只能订购和更换出故障部件的能力对于任何产品来说都是一个有吸引力的特点。

设计师必须避免设计，强迫用户在小部件出现问题时更换大部件。例如，在分体式空调中，如果室温传感器出现问题，设计必须允许快速更换，而不是必须连同传感器一起更换电路板。

成本设计（Design to Cost，DTC）

“Design for cost”和“Design to cost”是一组DFX成本管理技术，用于控制产品开发和制造的成本。设计意图是在考虑时间表、范围和特性的基础上，将成本作为设计参数来创建产品。

一般来说，产品设计占据了75%的成本。许多隐藏的成本可能在产品开发的后期阶段出现，例如重新设计的成本、重建的成本、上市时间延误、重新测试等。诸如简单设计、易于组装、可制造性、高效的供应链、可靠性等特征都直接影响产品成本。

通过考虑产品的整体成本，并从设计的初始阶段就将成本降低到产品中，可以避免不必要的成本。

可持续性设计（Design for Sustainability，DFS）

随着21世纪环境问题每年都在增加，许多公司希望其产品对环境的影响尽可能小。许多政府现在为绿色产品提供补贴，消费者积极寻求环保产品，这进一步推动了这一趋势。

DFS的重点是通过使用可回收材料和绿色制造理念来减少产品的碳足迹，同时也包括产品及其包装。

DFS是一个广泛的主题，有许多设计规则值得单独讨论。除了组织外，DFS还涵盖了为产品的创造和维护做出贡献的所有供应商和制造商。

产品生命周期设计（Design for Product Life Cycle，DFPLC）

产品生命周期指的是从产品引入市场到最终退出市场的整个生命周期。面向产品生命周期的设计侧重于提高产品整个生命周期的盈利能力。它提出了方法、技术和过程，使产品更容易、更便宜和更安全的制造、分发、维护、使用甚至处置。

DFPLC考虑了未来可能在产品设计中实现的潜在变化、成本节约、技术升级和基础设施改进。建议的技术可以更容易地实现这些更改，以实现更平稳的过渡，同时对供应链的影响最小。

这通常通过预测可能发生的变化，并在产品设计中预留空间来适应这些变化。它还设定了完成这种过渡的时间限制，因为过长的过渡可能非常昂贵。

总结

目前为止，行业专家已经就48种不同的DFX方法撰写了大量论文。但DFX的列表清单实际上是无限的。DFX方法可以围绕对产品和组织重要的任何功能进行设计。

在更高的层面上，组织可能会引入“六西格玛设计”（Design for Six Sigma，DfSS）。DfSS包含许多设计考虑因素和设计准则，可以显著改善组织的产品创造方式。

DFX的可观益处在产品的整个生命周期内得以实现。其中一些好处包括简单而有效的设计、更短的上市时间和成本效益的产品。其他好处可能不会立即显现，但它们有潜力为产品的长期成功铺平道路。可以极大地影响组织的竞争力和市场增长。