Teste de validação em desenvolvimento de produto:de POC a EVT, DVT, PVT e produção em massa

Como regra geral, quanto mais um produto está em desenvolvimento, mais caro se torna fazer alterações. Conseqüentemente, um objetivo fundamental de qualquer iniciativa de desenvolvimento de produto é resolver os problemas antecipadamente, reduzindo o risco de iterações caras em estágios subsequentes.

É aqui que o teste de validação entra. O teste de validação é o processo de passagem de fase para determinar se uma peça de hardware atende aos requisitos definidos por seu estágio de maturidade e se está pronto para avançar para a próxima fase. No processo, designers e engenheiros constroem vários tipos de protótipos. Cada estágio contém espaço para aprendizagem, exploração e adaptação, enquanto um produto deve passar por critérios definidos antes de seguir em frente para garantir uma industrialização bem-sucedida.

Neste artigo, explicamos como otimizar o processo de desenvolvimento para a produção em massa e destacamos as diferentes fases de maturidade do produto, incluindo seus objetivos, atividades, problemas resolvidos, protótipos produzidos e critérios de saída.

Por que realizar testes de validação?

O design de um produto dificilmente está pronto para a produção desde o primeiro modelo CAD. Mesmo um simples item de plástico pode apresentar marcas de pia, linhas de fluxo ou áreas fracas devido ao resfriamento heterogêneo após a moldagem da primeira série. Uma área pode ser muito pequena para incorporar os rótulos legalmente exigidos. Pode haver problemas de tolerância com uma peça de acoplamento sob certas condições. Ou um grupo de usuários líderes pode apresentar um novo requisito de alta prioridade, forçando os designers a outra rodada de desenvolvimento.

O processo de design requer continuamente tais alterações, refinamentos e pivôs, bem como estudos em aspectos como capacidade de fabricação, estimativa de custo, voz do cliente (VOC), legislação, IP e padrões de certificação desde o início.

Conforme o processo avança em direção à produção, o custo dessas iterações aumenta exponencialmente. Considerando que uma série de esboços e modelos de espuma feitos por um designer no início do desenvolvimento custará a uma empresa US $ 50 em materiais, um protótipo rápido mais refinado baseado em impressões 3D, peças compradas e moldagem a vácuo pode atrasar a empresa algo na ordem de $ 500- $ 1.000. Mudanças nas ferramentas na fase de produção podem levar até $ 50.000 no custo total e resultar em várias semanas ou meses de atraso.

Para produtos complexos, os investimentos em produção chegam a milhões. Os produtos mais desafiadores, como aeronaves, exigem milhares de funcionários e bilhões em custos fixos de produção. Para evitar 1:10:100 e outros desastres, os designers e engenheiros pensam em termos de probabilidade de iteração vs. probabilidade de sucesso em cada passo que dão. O teste de validação é essencial para garantir que o status do projeto atenda ao conjunto certo de requisitos em um determinado estágio. O bloqueio de cada fase com critérios de saída e resultados claros garante o uso ideal de recursos e o avanço da qualidade.

Um produto de consumo em diferentes estágios de maturidade do produto além da maquete inicial. Verso:construção de EVT usando impressão SLS e SLA 3D. Meio:'Primeiros disparos' DVT construído com base em ferramentas de software. Frente:construção PVT usando ferramentas rígidas. Cortesia:IDZone Product Design.

Estágios de maturidade do produto

POC e prototipagem

Depois que os executivos da empresa confirmaram o planejamento do novo produto (NPP) determinando uma oportunidade de mercado, um posicionamento do produto, fazendo uma avaliação de tecnologia, estratégia da cadeia de suprimentos e alocação de recursos, o processo de desenvolvimento é normalmente colocado nas mãos de um produto equipe que tem que traduzir isso em um documento de requisitos do produto (PRD) e chegar a conceitos viáveis.

Em primeiro lugar, os protótipos de prova de conceito (POC) são usados ​​para o teste inicial de uma ideia, método ou produto para mostrar seu potencial e viabilidade em configurações do mundo real. Esses conceitos são posteriormente convertidos em protótipos, que são modelos funcionais de um produto mostrando exatamente como o produto funcionará em termos de mecânica, design, experiência do usuário e assim por diante.

As diferentes etapas do desenvolvimento do produto até a produção em massa. (fonte)

Um protótipo é uma instanciação de um design de produto que pode ser usado para comunicar e avaliar seu valor em relação a certos requisitos. Os protótipos variam de modelos "macios" de baixa fidelidade feitos à mão de materiais como argila, papelão, espuma e madeira até protótipos funcionais de alta fidelidade impressos em 3D ou feitos na oficina mecânica. Os protótipos focados têm o objetivo de incorporar apenas uma parte dos requisitos do produto e podem ser um modelo "semelhante", um modelo funcional "semelhante a uma obra" ou um que demonstra forma e função parciais, a fim de testar certas subfuncionalidades. Quando um protótipo incorpora todos os requisitos e funcionalidades com o design, ele é chamado de protótipo de engenharia.

Os primeiros protótipos semelhantes aos da impressora SLA 3D de formato grande Form 3L.

No processo, podem ser criados modelos sem fator de forma (NFF), que são essencialmente versões gigantes do design do produto destinadas a abrigar versões de espaço reservado de todos os componentes funcionais para desenvolver um demonstrador funcional. Versões rudimentares da eletrônica estão incluídas na forma de kits de desenvolvimento de hardware, Arduino ou construções Raspberry Pi.

Protótipos analíticos ou virtuais são instâncias não físicas de produtos, como um modelo 3D para renderização, simulação matemática ou análise FEA. Até mesmo um esboço é uma forma rudimentar de protótipo virtual.

Protótipos alfa testáveis ​​com diferentes fidelidades. Esquerda:Modelos de espuma com 'aparência' de utensílios de cozinha. Cortesia:Protótipo Superior. Meio:maquete de espuma / papelão mostrando forma parcial e interatividade. Cortesia:Frits van Beek. À direita:protótipo mecanizado parcialmente interativo de uma câmera digital. Observe que este é um protótipo alfa porque ainda não foi projetado para fins de produção. Cortesia:Joep Frens.

O estágio de prototipagem é essencial para esclarecer detalhes sobre facilidade de uso, estética, necessidades ocultas do usuário, opiniões de outros designers, gerentes de produto, especialistas no assunto e limitações legislativas e tecnológicas. Um processo de design típico para um produto eletromecânico complexo inclui vários conceitos, cada um suportado por uma pilha de esboços de exploração, uma série de maquetes físicas e um conjunto de renderizações 3D.

A equipe de design da IDEO precisou de 80 modelos de espuma apenas para obter a forma do primeiro mouse ergonômico de computador certo para a Microsoft em 1987. E com um processo de maior risco e complexidade, o número pode disparar até os evasivos 5.127 protótipos que levou James Dyson para desenvolver o primeiro aspirador de pó com 'tecnologia de ciclone' ao longo de 15 anos. Para ser capaz de acelerar o processo de desenvolvimento de novos produtos e evitar o notório ‘pântano de hardware’, é fundamental concentrar os protótipos nos requisitos-chave, levar em consideração os riscos que as fases posteriores apresentarão e planejar adequadamente os testes exploratórios do usuário.

Em suma, o objetivo da etapa de prototipagem é criar um protótipo de engenharia que funcione e se pareça com o produto final. Esta etapa precisa provar que a tecnologia usada atende às necessidades do cliente, que é viável para fabricar e que o produto funcionará como pretendido. Depois de confirmados, o objetivo das etapas de validação subsequentes é garantir que o produto possa ser fabricado de forma consistente em escala.

Teste de validação de engenharia (EVT)

O estágio do teste de validação de engenharia (EVT) trata da incorporação e otimização do escopo funcional crucial necessário para o produto. Considerando que o resultado do estágio de prototipagem foi um protótipo 'alfa' limitado, aqui um protótipo 'beta' de nível de engenharia será desenvolvido para abrigar um conjunto mais completo de funcionalidades, normalmente determinado por uma matriz de construção. O protótipo de engenharia é uma versão mínima viável do produto comercial final, que é projetado para manufatura (DFM). É usado para testes de usuários baseados em laboratório com um grupo seleto de usuários líderes, para comunicar a intenção de produção aos especialistas em ferramentas em estágios subsequentes e para atuar como um demonstrador nas primeiras reuniões de vendas.

Uma análise de compra é realizada para todos os componentes na montagem, a engenharia de componentes é feita em peças personalizadas e uma lista de materiais (BOM) é configurada para RFQs para fabricantes contratados (CMs) para que eles possam se preparar para a primeira linha de montagem e ferramentas de primeiros tiros (FS). Para produtos eletrônicos, PCBs "hot stakes" de alta tecnologia são desenvolvidos usando processos industriais. Testes de energia, térmicos e EMI também serão realizados neste ponto.

Atividades típicas na fase de EVT. Esquerda:renderização do design do produto mostrando a vista explodida no nível da intenção de produção. Cortesia:Oculus. À direita:Moldagem por injeção de baixo volume usando moldes impressos em 3D.

Aproximadamente 20 a 50 unidades são produzidas usando processos de alta precisão, como manufatura aditiva e usinagem CNC, ou uma série de moldes baseados em ferramentas macias, como silicone ou moldes impressos em 3D. O objetivo geral é desenvolver o design com intenção de produção total e terminar com um pequeno número de protótipos de engenharia dignos de produção.

Teste de validação de projeto (DVT)

O estágio de teste de validação de projeto (DVT) é onde um produto realmente começa a se industrializar. Onde EVT é tudo sobre design de nível de arquitetura para manufatura, DVT é sobre acertar os detalhes enquanto se move em direção à primeira linha de produção em massa. É uma etapa marcada pela experimentação e otimização. Os PCBs são iterados com perfeição por meio de esforços de depuração e remoção de ruído. O CM desenvolverá a primeira ferramenta rígida para cada peça feita para verificar os rendimentos da produção em massa. Os moldes de alumínio podem ser usados ​​para otimizar o projeto em termos de acabamento de superfície, materiais, tolerância, configuração do molde, como controles deslizantes e cames, métodos de junção, bem como parâmetros de processo.

Embora sejam produzidas normalmente 50 a 200 unidades, não é incomum ver mais de 1.000 unidades produzidas para grandes projetos. Essas unidades são posteriormente enviadas de volta para avaliações internas e implementação das alterações finais de engenharia, enquanto algumas são enviadas como unidades beta para clientes em potencial e revisores especialistas. Muitos testes serão realizados nas primeiras unidades de nível de produção:testes de câmara ambiental, ciclos térmicos, vibração, ESD, biocompatibilidade, resistência química, certificações como FDA, FCC, UL, CE, CE e RoHS, envelhecimento, radiação, testes cosméticos, de desgaste e de queda, entre outros. Testes extensivos de usuários são feitos com uma parte significativa da população em um contexto realista.

A fase de TVP trata da otimização de detalhes. Esquerda:PCB estacado a quente em seu invólucro de plástico usando rebites integrados. Cortesia:Hartmann. No meio:experimento para integrar um invólucro moldado por injeção em um substrato de tecido. Cortesia:Bemis Sewfree. À direita:Câmara ambiental AES para teste de corrosão por névoa salina. Cortesia:Sistemas Ambientais Associados.

Para acelerar o desenvolvimento do produto, é possível contornar o estágio de DVT investindo em ferramentas rígidas no final da fase de EVT, de modo que o EP atenda imediatamente não apenas ao critério de saída do EVT de ter um protótipo digno de produção, mas também à saída do DVT critérios de ferramentas duras e avaliação do rendimento da produção em massa. No entanto, acarreta enormes riscos para investir recursos em escala PVT tão cedo, e cortar atalhos como este dificilmente, ou nunca, é aconselhável.

Teste de validação de produção (PVT)

O teste de validação de produção (PVT) é a fase final antes do início da produção em massa. O ferramental rígido é fixo, o que significa que não é possível fazer mais alterações no design do produto ou nos moldes de produção. Gabaritos, acessórios e bancadas de teste devem estar instalados e validados para que o piloto de produção (PP) comece. Os esforços feitos nesta fase são direcionados para otimizar e estabilizar as linhas de produção e montagem em termos de velocidade da linha, experiência do operador, taxa de sucata e rendimento diário.

Riscos potenciais como suprimentos de fonte única - quando um componente é restrito para ser feito por um único CM selecionado - serão identificados por meio de protocolos de gerenciamento de risco, como FMECA, QA / QC e FAI. Os eletrônicos passam pela primeira inicialização e também por uma inspeção de firmware, e a embalagem do produto e os manuais do usuário também serão criados neste estágio. A maior parte do trabalho nesta fase será executada no lado do fabricante contratado.

A fase PVT trata da otimização da linha de produção por meio do processo e do controle de qualidade. Esquerda:gabarito de teste do painel para várias placas de circuito. Cortesia:Korea Jig. Meio:gabarito de montagem de várias estações para um produto de consumo. Cortesia:Aditivo Aerosport. À direita:Molde complexo de injeção rotativa para moldagem multimaterial. Cortesia:Grosfilley In-Mold &Rotative Solutions.

Um resultado típico do estágio PVT é mais de 500 unidades ou pelo menos 5% da quantidade da primeira operação de produção. Os objetivos são verificar os rendimentos da produção em massa em velocidades de produção em massa e criar produtos vendáveis. É aqui que muitas empresas criarão um plano de vendas e iniciarão suas operações com os primeiros compradores. A construção do PVT é a última chance de uma empresa ajustar o processo de produção. Às vezes, é bloqueado por estágio em termos de um estado vermelho, laranja e verde, com base no sucesso de acordo com as principais métricas de produção. Quando a luz verde pisca, a verdadeira produção em massa pode começar.

Forme unidades 3L PVT antes do controle de qualidade na sede da empresa. No estágio de PVT, ainda é comum enviar de volta unidades de produção do fabricante contratado para a equipe de engenharia para uma verificação de qualidade final antes que os produtos estejam prontos para envio aos clientes - especialmente quando uma pandemia global faz o controle de qualidade presencial no CM impossível.

Produção em massa (MP)

O estágio final na evolução da maturidade do produto é o ramp-up para a produção em massa (MP). Normalmente começa com uma quantidade mínima de 5.000 unidades, mas pode levar até vários milhões de unidades no caso de produtos de consumo populares, como PlayStation, iPad, iPhone ou o cubo de Rubik.

Nesta fase, a linha de produção inicial pode ser replicada para outras linhas a serem executadas em paralelo. Uma análise de falha e rendimento em uma pequena porcentagem de unidades garante uma qualidade consistente. Os primeiros retornos virão, e a análise EFFA garantirá que todas as unidades com falha voltem para a equipe de engenharia. Para garantir ainda mais a qualidade, as fábricas e os fornecedores precisam ser supervisionados para que não haja mudanças imprevistas nas ferramentas ou nos parâmetros do processo que levem a mudanças de qualidade. O foco geral está na melhoria do rendimento, redução de custos e expansão, quando necessário. A equipe de marketing e vendas pode se concentrar no desenvolvimento de materiais de apoio e publicidade, bem como na previsão dos volumes de vendas.

Unidades de Forma 3L produzidas em massa após QA / QC no fabricante contratado.

Os diferentes estágios do processo de desenvolvimento de novos produtos para hardware

Estágio	NPP	POC	EVT	DVT	PVT	MP
Maturidade	Caso de negócios	Protótipo Alfa	Protótipo Beta	Amostras de pré-produção	Produto comercial completo	Produto comercial completo
Duração	1-3 meses	3 meses a 3+ anos	3-6 meses	3 meses	1 mês	3+ meses
Foco	Compreenda a oportunidade de mercado, PRD	Prove a conveniência do usuário	Unidade digna de produção	Viabilidade de escalonamento	Prontidão de MP	Garantia de qualidade
Quantidade	0	5	<50	<500	500+	Mais de 5.000
Vendas	Posicionamento	Plano de marketing	Previsão de vendas	Preparação para o lançamento	Plano de vendas	Publicidade
VOC	Entrevistas, grupos de foco	Testes exploratórios de usuários	Testes de usuário baseados em laboratório	Testes de usuário in-situ	Análise de campo	Feedback contínuo
Localização	Interno	Interno + parceiro de design (opcional)	Interno + parceiro de engenharia (opcional)	CM + validação interna	CM	CM

Conclusion

Making the wrong decisions or overlooking essential details at a stage too late in product development can lead to high costs and long delays. Companies also cannot afford to harm their reputation by sending out erroneous beta units. A validation-based phase-gate approach to development is necessary for all forms of complex products, systems, and services. It ensures the optimal trajectory towards mass production while limiting resources to the minimum. 

Recapping the phases of product maturity, the goal of the POC and prototyping phases is to verify that the product concept is viable, people have a need for it, and that it’s possible to develop it. During the EVT stage, the development team aims to establish confidence that the design will function correctly. The DVT stage verifies that the design can successfully be manufactured at scale and passes a myriad of testing procedures, while PVT is there to ensure that the production line can meet the desired metrics. During mass production, the focus is on sales, maintaining quality, handling returns, preparing future design changes, and end-of-life. 

The importance of a comprehensive PRD, a well-planned prototyping approach, and analyses in the early stages of product development to prevent intensive changes down the line cannot be overstated. Neither can the satisfaction that it brings to open the first master carton fresh from the assembly line and see the fruits of months if not years of hard work.

3D printing is one of the tools that can support development teams throughout the product development process. From high-fidelity prototypes to rapid tooling and jigs and fixtures for the assembly line, 3D printers can help you speed up the development process and pave the way towards successful manufacturing.