产品开发中的验证测试：从 POC 到 EVT、DVT、PVT 和批量生产

根据经验，产品开发得越远，进行更改的成本就越高。因此，任何产品开发计划的一个关键总体目标是及早解决问题，降低后续阶段成本高昂的迭代风险。

这就是验证测试的用武之地。 验证测试是确定一个硬件是否满足其成熟阶段对其设定的要求以及是否已准备好进入下一阶段的阶段性过程。在此过程中，设计师和工程师构建了多种原型。每个阶段都包含学习、探索和适应的空间，而产品在前进之前必须通过既定的标准，以确保成功的产业化。

在本文中，我们将解释如何优化面向批量生产的开发过程，并重点介绍产品成熟度的不同阶段，包括其目标、活动、解决的问题、原型制作和退出标准。

为什么要进行验证测试？

从第一个 CAD 模型开始，产品设计几乎就无法投入生产。即使是简单的塑料制品，在第一个系列成型后，由于不均匀的冷却，也可能会出现不良的缩痕、流线或薄弱区域。一个区域可能太小而无法包含法律要求的标签。在某些条件下，配合零件可能存在公差问题。或者，领先的用户组可以提出新的高优先级要求，迫使设计人员进行另一轮开发。

设计过程不断需要此类更改、改进和调整，以及从一开始就对可制造性、成本估算、客户意见 (VOC)、立法、IP 和认证标准等方面的研究。

随着流程向生产推进，这些迭代的成本呈指数级上升。设计师在开发初期完成的一系列草图和泡沫模型将花费公司 50 美元的材料，而基于 3D 打印、购买零件和真空浇铸包覆成型的更精细的快速原型可能会使公司退缩大约在 500 美元到 1,000 美元之间。生产阶段的工具更改可能会导致总成本高达 50,000 美元，并导致数周或数月的延迟。

对于复杂的产品，生产投资高达数百万。最具挑战性的产品，例如飞机，需要数千名员工和数十亿的固定生产成本。为了防止这种 1:10:100 和其他灾难，设计师和工程师在他们采取的每一步时都考虑迭代的概率与成功的概率。验证测试对于确保设计状态在给定阶段满足正确的一组要求至关重要。用明确的退出标准和可交付成果来控制每个阶段，确保资源的最佳利用和质量提升。

处于初始模型之外产品成熟度不同阶段的消费品。背面：EVT 构建使用 SLS 和 SLA 3D 打印。中：基于软工具的“第一次射击”DVT 构建。正面：PVT 构建使用硬工具。友情提供：IDZone 产品设计。

产品成熟度阶段

POC 和原型设计

公司高管通过确定市场机会、产品定位、技术评估、供应链策略、资源配置等方式确定新产品规划（NPP）后，开发过程通常就交到了产品手中。团队必须将这些转换为产品需求文档 (PRD) 并提出可行的概念。

首先，概念验证 (POC) 原型用于对想法、方法或产品进行初始测试，以展示其在现实环境中的潜力和可行性。这些概念后来被转化为原型，原型是产品的工作模型，准确地展示了产品在机械、设计、用户体验等方面的运作方式。

产品开发的不同阶段朝向批量生产。 （来源）

原型是产品设计的实例，可用于就某些要求进行交流和评估其价值。原型的范围从由粘土、纸板、泡沫和木材等材料手工制作的低保真“软”模型到 3D 打印或在机械车间制造的高保真功能原型。重点原型旨在仅体现产品需求的一部分，可以是“外观”模型、功能“类似作品”模型，或者展示部分形式和功能以测试某些子功能的模型。当原型在设计中包含所有要求和功能时，它被称为工程原型。

Form 3L 大幅面 SLA 3D 打印机的早期原型。

在此过程中，可以创建非外形 (NFF) 模型，它们本质上是产品设计的巨大版本，旨在容纳所有功能组件的占位符版本，以便开发工作演示器。电子设备的基本工作版本以硬件开发套件、Arduino 或 Raspberry Pi 结构的形式包含在内。

分析或虚拟原型是非物理产品实例，例如用于渲染、数学模拟或 FEA 分析的 3D 模型。甚至草图也是虚拟原型的粗略形式。

具有不同保真度的可测试 alpha 原型。左：厨房用具的“类似”泡沫模型。礼貌：高级原型。中间：显示部分形式和交互性的 Foamcore/纸板模型。礼貌：弗里茨·范·贝克。右图：数码相机的部分交互式机加工原型。请注意，这是一个 alpha 原型，因为它尚未设计用于生产意图。礼貌：乔普·弗伦斯。

原型设计阶段对于澄清有关易用性、美学、隐藏的用户需求、同行设计师的意见、产品经理、该主题的专家以及立法和技术限制的细节至关重要。复杂机电产品的典型设计流程包括多个概念，每个概念都由一堆探索草图、一系列物理模型和一组 3D 渲染图支持。

早在 1987 年，IDEO 设计团队就使用了 80 个泡沫模型，才为 Microsoft 打造出第一款符合人体工程学的计算机鼠标。 随着风险和复杂性更高的过程，这个数字可以一路飙升到难以捉摸的 5,127 个原型James Dyson 在 15 年的时间里开发了第一台“旋风技术”真空吸尘器。为了能够加快新产品开发过程并避免臭名昭著的“硬件沼泽”，最重要的是将原型集中在关键需求上，考虑到后期阶段可能出现的风险，并恰当地计划探索性用户测试。

总而言之，原型设计阶段的目标是创建一个工程原型，它的工作原理和外观都像最终产品。这个阶段需要证明所使用的技术满足客户的需求，制造是可行的，产品将按预期运行。一旦这些得到确认，后续验证阶段的目标就是确保产品能够持续地大规模生产。

工程验证测试 (EVT)

工程验证测试 (EVT) 阶段就是整合和优化产品所需的关键功能范围。虽然原型设计阶段的结果是一个有限的“alpha”原型，但在这里将开发一个工程级别的“beta”原型，其中包含一组更完整的功能，通常由构建矩阵决定。工程原型是最终商业产品的最小可行版本，即为制造而设计 (DFM)。它用于与选定的主要用户组进行基于实验室的用户测试，在后续阶段向模具专家传达生产意图，并在第一次销售会议中充当演示者。

对装配中的所有组件执行代购分析，对定制零件进行组件工程设计，并为合同制造商 (CM) 的 RFQ 设置物料清单 (BOM)，以便他们为第一条装配线和第一枪 (FS) 工具。对于电子产品，高端“热桩”PCB 是使用工业流程开发的。电源、散热和 EMI 测试也将在此时进行。

EVT 阶段的典型活动。左图：产品设计渲染图，显示生产意图级分解图。礼貌：Oculus。右图：使用 3D 打印模具进行小批量注塑成型。

大约 20 到 50 个单元是使用高精度工艺生产的，例如增材制造和 CNC 加工，或基于软工具（例如硅胶或 3D 打印模具）的一系列铸件。总体目标是开发具有完整生产意图的设计，并最终获得少量具有生产价值的工程原型。

设计验证测试 (DVT)

设计验证测试 (DVT) 阶段是产品真正开始工业化的阶段。 EVT 是关于制造的架构级设计，而 DVT 则是在迈向第一条大规模生产线的同时获得正确的细节。这是一个以实验和优化为标志的阶段。通过调试和去噪工作，PCB 被迭代到完美。 CM 将为每个制造的零件开发第一个硬工具，以验证批量生产的良率。铝模具可用于在表面光洁度、材料、公差、模具配置（例如滑块和凸轮）、连接方法以及工艺参数方面优化设计。

虽然通常会生产 50 到 200 个单位，但为大型项目生产超过 1,000 个单位的情况并不少见。这些单元随后被运回进行内部评估并实施最终工程更改，而有些则作为测试单元发送给潜在客户和专家评审员。首批生产级单元将进行大量测试：环境舱测试、热循环、振动、ESD、生物相容性、耐化学性、FDA、FCC、UL、CE、EC 和 RoHS 等认证、老化、辐射、外观、磨损和跌落测试等。广泛的用户测试是在现实环境中对大部分人群进行的。

DVT 阶段就是优化细节。左图：使用集成铆钉将 PCB 热熔到其塑料外壳上。礼貌：哈特曼。中间：将注塑外壳集成到织物基材中的实验。礼貌：Bemis Sewfree。右图：用于盐雾腐蚀测试的 AES 环境舱。礼貌：相关环境系统。

为了加速产品开发，可以通过在 EVT 阶段结束时投资硬工具来绕过 DVT 阶段，这样 EP 不仅立即满足具有可生产原型的 EVT 退出标准，而且还满足 DVT 退出标准硬模具和批量生产良率评估标准。然而，如此迅速地投资 PVT 规模的资源带来了巨大的风险，像这样走捷径是不明智的，如果有的话。

生产验证测试 (PVT)

生产验证测试 (PVT) 是批量生产开始前的最后阶段。硬模具是固定的，这意味着无法对产品设计或生产模具进行更多更改。夹具、固定装置和测试台必须到位并经过验证，才能开始生产试点 (PP)。这一阶段的工作旨在优化和稳定生产线和装配线，包括线速度、操作员专业知识、废品率和日产量。

诸如单一来源供应的潜在风险——当一个组件被限制为由单个选定的 CM 制造时——将通过 FMECA、QA/QC 和 FAI 等风险管理协议进行识别。电子产品经过首次启动和固件检查，产品包装和用户手册也将在此阶段创建。此阶段的大部分工作将在合同制造商方面执行。

PVT 阶段是关于通过过程和质量控制优化生产线。左：多个电路板的面板测试夹具。礼貌：韩国吉格。中：消费品的多工位装配夹具。礼貌：航空运动添加剂。右图：用于多材料成型的复杂旋转注塑模具。友情提供：Grosfilley In-Mold &Rotative Solutions。

PVT 阶段的典型结果是 500 多个单位或至少 5% 的第一次生产运行数量。目标是在批量生产速度下验证批量生产良率并创建可销售的产品。这是许多公司将制定销售计划并与早期买家开始运营的地方。 PVT 构建是公司调整生产过程的最后机会。根据关键生产指标的成功，它有时会在红色、橙色和绿色状态方面进行阶段性控制。当绿灯闪烁时，就可以开始真正的批量生产了。

在公司总部进行 QA 之前形成 3L PVT 单元。在 PVT 阶段，在产品准备运送给客户之前，将生产单元从合同制造商运回工程团队进行最终质量检查仍然很常见——尤其是当全球大流行导致现场质量控制时CM不可能。

量产 (MP)

产品成熟度演变的最后阶段是向大规模生产 (MP) 迈进。它的起订量通常至少为 5,000 件，但对于 PlayStation、iPad、iPhone 或魔方等流行的消费产品而言，可能会达到几百万件。

在这个阶段，最初的生产线可能会复制到其他生产线并行运行。对一小部分单位的故障和产量分析可确保质量一致。第一批回报将进入，EFFA 分析将确保所有失败的单元返回到工程团队。为了进一步保证质量，需要对工厂和供应商进行监督，以免在工具或工艺参数方面发生意外变化，从而导致质量变化。总体重点是提高产量、降低成本和在必要时进行扩张。这里的营销和销售团队可以专注于开发抵押品、广告以及预测销售量。

在合同制造商处进行 QA/QC 后量产 Form 3L 单元。

硬件新产品开发过程的不同阶段

结论

在产品开发的某个阶段做出错误的决定或忽略重要的细节可能会导致高成本和长时间的延迟。公司也不能因发送错误的 Beta 单元而损害其声誉。对于所有形式的复杂产品、系统和服务，都需要基于验证的阶段门开发方法。它确保了大规模生产的最佳轨迹，同时将资源限制在最低限度。

回顾产品成熟的各个阶段，POC 和原型设计阶段的目标是验证产品概念是否可行，人们是否需要它，以及是否可以开发它。在 EVT 阶段，开发团队旨在建立对设计将正确运行的信心。 DVT 阶段验证设计是否可以成功大规模制造并通过无数测试程序，而 PVT 阶段则确保生产线能够满足所需的指标。在大规模生产过程中，重点是销售、保持质量、处理退货、准备未来的设计变更和报废。

全面的 PRD、精心规划的原型制作方法以及在产品开发的早期阶段进行分析以防止生产线的大量更改的重要性怎么强调都不为过。也无法从流水线上打开第一个新的主纸箱，看到几个月甚至几年努力工作的成果所带来的满足感。

3D 打印是可以在整个产品开发过程中为开发团队提供支持的工具之一。从高保真原型到装配线的快速工具和夹具和固定装置，3D 打印机可以帮助您加快开发过程并为成功制造铺平道路。