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小小抗原样品提取管，背后隐藏的DFMA学问

钟元

9月前浏览460

最近我从降本设计（DFMA-DFC）角度出发，仔细研究了抗原试剂中的核心部件--样品提取管。

我发现一个小小的样品提取管，背后隐藏着很深的DFMA学问。

本文首先对几家厂商的样品提取管进行DFMA分析，然后基于DFMA理论，再做进一步的创新，开发出DFMA最优的样品提取管。

如果大家对DFMA感兴趣，特别建议一定要看到最后，你可能会体会到：DFMA看上去虽然简单，然而如果应用得当，竟然会有这么大的威力！！

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样品提取管的功能和类型

这是各种各样的抗原检测样品提取管。

尽管以上样品提取管零部件数量、内部结构、颜色和外观等不一样，然而其基本功能要求都是一致，包括储存保存液、提取样本、滴入试剂卡中。

根据样品提取管的零部件数量和结构，我把样品提取管分为三类：完全分离式提取管、半分离式提取管和双耳提取管。

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完全分离式提取管的DFMA分析

完全分离式提取管的DFMA最差，可制造性和可装配性差，这造成产品成本最高。

2.1 结构说明

1）零部件组成

完全分离式提取管，由4个零件--提取管、封口膜、瓶盖和盖柄组成。

完全分离式，是指瓶盖与盖柄、以及提取管是完全分离的。

▲完全分离式提取管

2）连接方式

保存液通过封口膜，密封在提取管中。
提取管、瓶盖和盖柄通过螺纹拧紧。提取管具有外螺纹，瓶盖下端具有内螺纹、上端具有外螺纹，盖柄具有内螺纹。

2.2 DFMA分析

从DFMA的角度来看，完全分离式提取管的DFMA最差，不利于产品的制造和装配。

1）从DFA角度

完全分离式提取管的零件数量最多，严重违反了DFA设计指南“简化产品数量、减少零件设计”，它不是一个最优的DFA设计，可装配性差。

第一，零件数量多，固定资产投资多

零件数量多，需要开多套模具，模具费用高，固定资产投资多。

提取管、瓶盖和盖柄，通过注塑成型加工，三个零件则意味着三套模具。

在大批量生产时，通过一模几十穴甚至上百穴生产，那么这样一套模具费用少则几万，多则十几万。

如图所示的一模48穴提取管模具，价格至少10W以上。三套模具，固定资产投资不是一个小数。

▲一模48穴提取管模具，价格至少10W以上

第二，零件数量多，装配比较复杂

提取管的装配生产线上，我们需要把封口膜密封在提取管上；我们还需要把盖柄旋转装配在瓶盖上；然后还需要分别包装。

这些都会增加装配线的复杂度，装配复杂度增加之后会有三方面的影响：

需要更多的装配设备或者人工。如果是人工装配，则需要增加人工，增加人工成本。如果是机器自动化装配，则需要相关设备，增加固定资产投资；例如封口膜工序就需要封口设备。
装配复杂，会造成生产线的节拍时间增加，装配效率较低，从而产品成本增加。
装配越复杂，出现质量问题的可能性就越高。

第三、用户体验差

Design for Assembly，面向装配的设计，这里的装配其实即可以指产品在生产线上的装配，也可以指用户使用时的装配，此时就是用户体验。

完全分离式提取管，在用户体验这方面，也非常差，这基于两个理由：

零件数量多，用户操作复杂。在抗原测试过程中，用户需要拆掉封口膜、拧上瓶盖、拧掉盖柄，这比较浪费时间；
瓶盖需要旋转拧入提取管中，盖柄需要从瓶盖中旋转柠出，相对来说，螺纹连接的结构也比较浪费时间。

2）从DFM角度

DFM是针对单个零件而言。对于瓶盖和盖板来说，二者都具有内螺纹，内螺纹在模具上是倒扣，一方面其模具结构比较复杂、成本高，另一方面如果采用旋转机构脱模，则旋入旋出的过程会增加注塑成型周期，增加生产成本。

▲旋转机构脱内螺纹

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半分离式提取管的DFMA分析

半分离式提取管的DFMA一般，可制造性和可装配性一般，产品成本中等。

3.1 结构说明

1）零部件组成

半分离式提取管，由两个零件--提取管和瓶盖组成。

半分离式，是指瓶盖和提取管是分离的，盖柄的功能被集成在瓶盖上。

▲半分离式提取管

2）连接方式

保存液通过瓶盖，密封于提取管中。
提取管和瓶盖通过螺纹连接。提取管具有外螺纹，瓶盖具有内螺纹。
盖柄与瓶盖在生产时是一体，当用户使用时，盖柄和瓶盖之间有一个可断开的缺口。只需用力扳开盖柄，盖柄就与瓶盖分离，保存液就可以滴入到试剂卡。

3.2 DFMA分析

从DFMA总体来说，半分离式提取管的DFMA一般，产品的可制造性和可装配性一般。

当然，相对于完全分离式提取管，半分离式提取管的DFMA有很大提高。

1）从DFA角度

半分离式提取管仅仅由两个零件组成，在生产线上的装配比较简单。
两个零件，提取管和瓶盖都需要开模，固定资产投资依然比较高。
用户在使用时需要拧出和拧紧瓶盖，用户体验一般。

2）从DFM角度

瓶盖依然有内螺纹，DFM较差，原因同上。
瓶盖顶端的盖柄直径达到4mm，DFM较差；这有两个原因。第一，直径太大，增加原材料浪费；第二，直径太大，盖柄在注塑成型时冷却时间长，成型周期加长，这会增加瓶盖的生产成本。

▲盖柄直径太大

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双耳提取管的DFMA分析

在三种提取管中，双耳提取管的DFMA最好，可制造性和可装配性最后，产品成本也最低。

4.1 结构说明

1）零部件组成

双耳提取管，由两个零件--提取管和封口膜。

瓶盖和盖柄的功能，通过可弯曲的双耳，集成在提取管上。

▲双耳提取管

2）连接方式

保存液通过封口膜，密封在提取管中。
用户在使用时，需要拆掉封口膜、把右端的瓶盖插入到提取管中，二者通过过盈配合进行连接，就可以滴入到试剂卡中。

4.2 DFMA分析

从DFMA总体来说，双耳提取管的DFMA最好，产品的可制造性和可装配性最好，成本也最低。

1）从DFA角度

半分离式提取管仅仅由两个零件组成，在生产线上的装配比较简单。
只有一个零件即提取管需要开模，模具固定资产投资较低。
用户在使用时指需要拆除封口膜和插入瓶盖，用户体验好。
▲提取管的使用

2）从DFM角度

提取管和瓶盖集成为一体，没有外螺纹，DFM最好，模具结构简单，生产成本最低。

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没有最好，只有更好--DFMA再创新

5.1 没有最好，只有更好

当大家看到以上对DFMA的分析，是不是感受到DFMA的魅力？

觉得第三种已经足够好了？零件少，组装方便，成本低，操作人性化。。。。

然而就到此为止了吗？

作为DFMA老司机，如果仅仅分析到此，还不足以让我自称研究学习DFMA二十年。

我们需要继续追问的是，双耳提取管，还可以继续进行DFMA优化吗？还有优化的空间吗？还可以做到更好吗？零件数量还可以再减少吗？封口膜可以去掉吗？成本还有机会再降低吗？

有的工程师可能会说，一个封口膜，值多少钱啊？

封口膜只值2~3分钱（网络，不一定很精准，可以作为参考）。

▲封口膜和提取管的网络价格

但是，我们看看上图提取管的价格（8分钱），单单封口膜材料价格就占了提取管成本的25%左右。

如果去掉封口膜，相对于一次性降低物料成本25%。

这绝对是一个非常巨大的成本的节省了。

更何况，把封口膜封装到提取管上还会有成本。同时，还可以节省封口膜封装设备的十几万固定资产投资成本。

5.2 如何进行DFMA再优化？

DFMA中，最重要的一个设计指南是“减少零件数量，简化产品设计”。

既然封口膜本身需要成本，封装时还需要组装成本，那么我们可以在双耳提取管的基础上，把封口膜去掉吗？

封口膜的作用是为了密封保存液，既然双耳提取管集成的瓶盖同样可以实现该功能，那么就可以使用瓶盖来密封保存液。

这会带来一对矛盾。一方面，瓶盖顶端需要封闭，这样才能密封保存液；另一方面，瓶盖顶端需要开口，这样的话，保存液才能滴出。

如何解决这对矛盾，我想到四个创新的想法：

第一，一体式双耳管。再通过耳朵、增加一个集成式的盖柄。-->经初步分析，可行。下一节重点讲述。

第二，使用双色注塑，在瓶盖上端集成一个可折断的盖柄；-->经初步分析，可行，然而双色成本会比较高。

第三，瓶盖顶端直接增加可折断的盖柄；-->经初步分析，不可行，提取管材质较软，可能无法折断。

第四，瓶盖顶端开口处做成很薄的结构，在时直接使用采样用的棉签棒刺破。类似于一次性牙膏封口的设计。-->经初步分析，不可行，因为注塑成型工艺性的限制，提取管无法做到足够薄，以使得能够被刺破。

5.3 新一代提取管--一体式样品提取管

一体式抗原样品提取管，去除了封口膜，仅仅一个提取管零件，集成了管身、瓶盖和盖柄，DFMA最优，成本最低。

瓶盖上方凸起，与管身过盈配合，可以把保存液密封，从而替代封口膜的功能。

瓶盖下方有缺口，当需要把病毒溶液滴出时，拔出盖柄即可。

▲盖柄和瓶盖打开状态

▲盖柄和瓶盖封闭状态

最后的话

DFMA看上去是一个非常简单的理论，通常被很多工程师轻视。

然而，如果我们认认真真去学习DFMA、并把DFMA吃透、然后应用到实际产品中，我们会发现DFMA对于降本有着莫大的威力。

以上案例，仅仅是抛砖引玉。

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来源：降本设计

理论材料模具

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首次发布时间：2023-11-16