原创 | 一文读懂DFX
1. 前言
对于有责任心的工程师，在整个产品开发过程中，什么时候是最为紧张的时刻？
在我来看，有两个时刻最为紧张。
第一个时刻是产品设计完成后，经过一两个月的等待，零件的注塑冲压等模具加工完成，准备试模，这个时刻最为紧张。这是因为之前对产品的所有构思都是在电脑上完成、都是虚拟的，（3D打印等原型是实物，但离真正的量产产品有很大差距），工程师不知道加工出来的产品是否与预期的一致，是否可以顺利装配，是否可以满足产品的功能外观和可靠性等要求。
这种紧张的心情就如同你终于要同网聊许久的网友见面，你不知道现实生活中的他（她）是否与心中期待的一致？你的小心肝扑通扑通的跳，结果：
第二个紧张时刻是产品接近量产，仅仅剩下少数几个问题需要解决，而要解决这些问题就需要修改设计。这是产品开发过程中最为靠近成功的时刻，万众期待，所有的焦点都聚集在你身上，就等着你设计修改后改模，解决问题，产品就上市。很多人认为，这是最轻松的时刻。
但是，过去的惨痛经历告诉我们，这是最为危险的时刻，也是最应该紧张的时刻。这是因为当产品开发中最后的问题往往都是最有难度，需要你全身心的投入到这个问题中，吃饭的时候在思考这个问题，睡觉的时候在思考这个问题，终于在某个时刻灵光一现你认为你找到了解决这个问题的最佳答案，于是没有做更多思考，也没有做更多的验证，就直接修改设计。
可是，在这种状态下，你很容易陷入某一个坑而难以自拔，没有大局观，盲人摸象，看不到“BIG PICTURE”。再加上时间很紧迫，这个匆忙的设计修改也许确实可以解决当前的问题，但是却造成了新问题的发生。例如，客户抱怨产品外观间隙过大，于是你修改设计把间隙调小去满足客户要求，修改后确实解决了这个问题，但是下批产品生产时出现了少数产品装不上的问题。
这就是工程师在产品开发过程中所承受的压力。我一直在思考这个问题：如何做到紧张时刻也不紧张？使得产品设计就像吃饭睡觉打豆豆一样简单？
这就是我们今天要谈的主题：Design for X 或者Design for eXcellence， 简称DFX。如果我们在产品设计时，时时刻刻考虑到DFX的所有方面，如果能够把下面这张图记在心中，随时具有大局观，那么，产品设计就有可能做到面面俱到，不会顾此失彼，就不容易出现质量问题。
例如：为降低加工成本，打算去掉一个倒角，这是从Design for Cost （DFC）的角度优化设计。此时，我们需要思考的斜倒角去掉会不会影响到DFX的其它方面，例如产品的功能实现、安全和可靠性等。
例如，根据DFA的设计指南“简化产品设计，减少零件数量”，下图原始设计中的两个冲压件应当合并为1个零件，这样会节省装配工序，从而降低装配成本。
这确实可以降低装配成本。
但是，从DFM的角度来看，合并后的冲压件展开后材料浪费很严重，在一定数量下，节省的装配成本并不一定你能够弥补浪费的材料成本，最后总成本算下来反而更高。
这两个案例告诉我们的是，在进行产品设计时，并不是仅仅只看DFX的某一方面就去优化设计，而是需要去考虑到DFX的方方面面。
2. DFX产生的背景
20世纪70年代以来，世界制造业市场形势发生了根本性的转变，信息技术的发展促进了全球大市场的形成。世界市场由传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变为全球范围内的竞争，同行业之间、跨行业之间的相互渗透和相互竞争越来越激烈。长期卖方市场变成了买方市场，顾客对产品质量、交货期、成本和种类的要求越来越高，产品的生命周期越来越短。可以说，“产品”已经成为制造业的核心，一流产品不仅是成功的源泉，更是企业持久成功的基础。
为了适应变化迅速的市场需求，真正提高竞争能力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T，Timeto Market)，最好的质量(Q，Quality)，最低的成本(C，Cost)以及最优的服务(S，Service)来满足不同顾客的需求。
但由于长期以来的思维和操作定式，在产品设计与产品制造和产品装配等环节之间始终存在脱节，设计出来的产品往往面临诸多问题，例如：
不符合产品制造和装配的要求，无法满足产品质量标准，需要大量返工，导致产品质量低；
不符合产品制造和装配的要求，使得制造和装配很复杂，加工时间长，产品成本增加；
产品根本无法制造和装配，产品设计需求反反复复修改，甚至必须重新开始设计，浪费了大量的人力、物力，产品开发周期加长；
产品可靠性差，客户投诉多，售后服务投入大，企业入不敷出，产品生命周期缩短，最终导致企业无以为继。
在这样的背景下，促使企业不断寻求产品开发的新思路、新方法并应用于有竞争力的产品的开发。一个典型的例子是美国企业在承受着日本70年代以后在汽车、半导体等行业逐步确立的世界市场优势地位的压力下,积极调整产业结构,学习和采用新的产品开发思想、策略、方法, 如并行工程、虚拟制造、敏捷制造、精益生产等等,为美国经济在90年代的振兴产生了重要的促进作用，DFX作为并行工程的一个重要实现工具在这样的背景下应运而生。
3. DFX：面向产品生命周期的设计
DFX是Design for X的简称，是指面向产品生命周期的设计，这里X指产品生命周期中的任一环节，例如产品制造、产品装配、产品检测、产品包装和运输、产品维修、环保等。这是DFX的第一层含义。
DFX是基于并行设计的思想，在产品概念设计和详细设计阶段就充分考虑到产品生命周期中的各种要求，包括制造工艺要求、装配工艺要求、测试要求、检测要求、包装和运输要求、维修要求、环保要求等，使得产品设计与其它要求之间紧密联系、相互影响，将其它要求反应到产品设计中，从而保证产品以较低的成本、较高的质量和较短的产品开发周期进行开发。DFX不再把产品设计看成一个孤立的任务，利用现代化设计工具和DFX分析工具设计具有良好工程特性的产品。
目前，比较成熟的DFX技术包括：
3.1 DFM：Design for Manufacture 面向制造的设计
3.2 DFA：Design for Assembly 面向装配的设计
DFM和DFAA请参考机械工业出版社出版的《面向制造和装配的产品设计指南》一书。
3.3 DFI：Designfor Inspection 面向检验的设计
DFI着重考虑产品、过程、人的因素以便提高产品检验的方便性。产品检验是加工和维修中的主要工作。加工中的产品检验是为了提供快速精确的加工过程反馈，而维修中的产品检验则是为了快速而准确地确定产品结构或功能的缺陷，及时维修以保证产品使用的安全。产品检验方便性取决于色彩（比如电路板上元器件的颜色以应不同种类），零件内部可视性（比如油缸等液体容器应该直接显示液面）、结构等等诸多因素。
3.4 DFD：Designfor Service 面向维修的设计
现代企业非常重视的环节之一就是售后服务。产品的售后服务其实主要是指产品维修，而产品维修主要涉及的是产品拆卸和重装等工作。所以，产品故障确定的容易程度、产品的可靠性、产品的可拆卸性和可重装性等是产品维修主要考虑的因素。
面向维修的设计是指在产品设计阶段就充分考虑到产品的维修要求，其设计原则包括：
1) 通用化、标准化、模块化设计原则；提高产品的互换性，简化维修过程中的装配和拆卸工艺，提高产品的维修速度和维修质量。
2) 简化产品设计原则；在满足使用需求的前提下，尽可能简化产品功能。包括取消不必要的功能，合并相同或相似的功能，尽量减少零部件的种类和数量。
3) 可达性设计原则；可达性是指产品维修时接近维修零部件的难易程度。用通俗的话讲，可达性可以用三句话表达：看得见（视觉可达）；够得着（人手或借助于工具能接触到维修部位）；有足够的操作空间。
4) 易损件的易换性设计原则；尽管在设计中采用了高可靠性的零部件，但受寿命和恶劣环境的影响，产品中一般仍然会有一部分零部件属于易损件，需要更换。易损件应置于容易拆卸和重装的位置；
5) 贵重件的可修复性设计原则；产品的关键零部件、贵重零部件应具有可修复性，失效后可调整、修复至正常状态，这样能降低产品的维修费用，减少维修时间，提高维修效率。
6) 测试性设计原则；产品的测试性是指产品能够及时而准确地确定其工作状态，并隔离其内部故障的一种设计特性。
7) 维修工具原则；尽量使用常规的维修工具，避免使用特殊的维修工具，尽量减少需要使用的维修工具种类。
8) 维修安全性设计原则；维修安全性是避免维修人员伤亡或产品损坏的设计特性。如在可能发生危险的部位提供醒目的标记或声、光警告；对于盛装高压气体、弹簧、带有高电压等存储有很大能量但维修时需拆卸的装置，应设有释放能量的装置，采用安全可靠的拆装工具：要考虑防止机械损伤、防电击、防火、防爆、防毒等措施。
9) 维修防错原则；结构上消除发生错误的可能性，零部件装错了就装不上，增加明显的识别标识等。
10) 易拆卸性设计原则，包括：
a) 最少拆卸时间；一般产品是由多种不同材料制成。材料回收价值低、拆卸费时是造成资源浪费和环境污染的主要原因。减少使用材料种类和改进产品设计结构，可使产品得到更好的回收。例如，可拆卸的机夹式硬质合金车刀比焊接式的材料回收性要好。
b) 可拆卸；产品最好采用简易的紧固方法，尽量减少紧固件数量；同时对零件之间的连接，使用同一类型紧固件；避免拆卸时零部件的多方向复杂运动，避免金属材料嵌入塑料零件。
c) 易操作；产品留有可抓取表面，避免非刚性零件，避免在产品单元结构内密封有害物质（如废液等），防止污染环境及构成危害职业健康的根源。
d) 易拆散；产品设计时，避免二次光洁产品表面（如油漆、涂层等），同时避免零件材料拆卸时本身的损坏和损坏产品的其他结构。
e) 减少变异；产品在设计过程中，减少紧固件类型，同时尽量使用标准零部件。尤其在新产品设计时，零部件在设计结构与功能上应具有良好的设计继承性和通用性。
3.5 DFE：Design for Environment 面向环境的设计
DFE着重考虑产品开发全过程中的环境因素，目的在于尽量减少在生产、运输、消耗、维护与修理、回收、报废等产品生命周期的各个阶段，产品对环境产生的不良影响，如资源衰竭（生物与非生物），污染（臭氧层破坏、全球暖化、酸雨、噪声等），失调（干旱、地表变质等）等等。在充分意识到环境因素下开发出来的产品往往不仅对环境产生的不良影响少，而且消耗少、成本低、易为社会接受。因此重视面向环境的产品开发的企业能够具有较大的竞争优势。产品开发中对环境产生较大影响的主要因素包括材料、加工处理、功能、形状、尺寸、配合与安装等。
面向环境的设计强调要从根本上防止污染、节约资源和能源，关键在于产品设计和制造。面向环境的设计原则包括：
1) 使用可循环使用、可回收的材料。
2) 使用对环境友好、污染少的材料；限制产品中铅、水银、镉、六价铬离子、PBB（多溴联苯）及PBDE（二溴联苯醚）的使用；尽量避免使用玻璃、金属强化塑料等复合材料。
3) 优化产品设计以减少材料使用，避免过于稳健的设计以浪费材料；例如，为提高塑胶零件强度，最好的办法不是增加零件壁厚，而是添加加强筋；因为这不但可以减少零件材料使用，还由于较薄壁厚的零件冷却时间短，零件制造效率高。
4) 减少使用材料的种类。
5) 减少产品制造和使用过程中的能源消耗。
6) 提高产品的可靠性以延长产品的使用年限。
7) 提高产品的可回收性。
3.6 DFR：Design for Recycling 面向回收的设计
面向回收的设计，是指在进行产品设计时要充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题, 以达到零件材料资源和能源的最充分利用, 并对环境污染最小的一种设计思想和方法。产品的可回收性是与产品设计密切相关的。若产品设计时不考虑可回收性的设计, 则其能够回收的零件数量是很少的；反之，若在产品设计时,就充分考虑到这种产品未来回收及再利用问题, 则可使产品零件的回收利用率大为提高, 从而可以节约材料及能源,并对环境污染影响最小。
面向回收的设计原则包括：
1) 尽量使用可回收的材料；产品报废后，其零件及材料能否回收, 取决于其原有性能的保持性及材料本身的性能。也就是说,零件材料能否回收利用, 首先取决于其性能变化的情况, 这就要求在产品设计时必须了解产品报废后零件材料性能的变化,以确定其可用程度。其次在产品设计时要仔细考虑材料选择，尽可能选用绿色材料增强材料与环境的协调性。而所谓绿色材料，指那些在制备、生产过程中能耗低、噪音小、无毒性并对环境无害的材料及其成品；也包括那些对人类及环境虽有危害, 但采取适当措施后就可以减小或消除的材料及其成品。
2) 在可回收材料的零件上用清晰的标识进行标记，在产品回收时可以更好地掌握可回收零件的拆卸、分类和处理。
3) 限制喷漆和涂层的使用；喷漆和涂层在塑胶材料的回收处理中可能造成材料性能的降低和降解。
4) 考虑零件以及材料的回收工艺性；零件材料能否回收？如何回收？也是可回收性设计中必须考虑的问题。有些零件材料在产品报废后, 其性能完好如初，可直接回收重用；有些零件材料的性能变化甚小，可稍事加工用于其它型号的产品；有些零件材料使用后性能状态变化很大，已无法再用，需采用适当的工艺和方法进行处理回收；有些特殊材料（含有毒、有害成分的材料）还需采用特殊的回收处理方法以免造成危害或损失。因此，在产品设计时，就必须考虑到所有这些情况，并给出相应地标志及回收处理的工艺方法，以便于产品生产时进行标识及产品报废后用户进行合理处理。
5) 考虑回收经济性；回收的经济性是零件材料回收的决定性因素。在产品设计中就应该掌握回收的经济性及支持可回收材料的市场情况，以求最经济地和最大限度地使用有限的资源，使产品具有良好的环境协调性。对某些回收经济性低的产品，在其达到其设计寿命后，可告诉用户将其送往废旧商品处理中心回收比继续使用更为经济，且有利于保护环境。
6) 零件可回收的前提条件是能方便、经济、无损害地从产品中拆卸下来。因此可回收零件的结构必须具有良好的拆卸性, 以保证回收的可能和便利。产品的可拆卸性取决于零件数，产品结构，拆卸动作种类，拆卸工具种类等因素。例如，胶粘连接对回收造成不小的障碍，可使用卡扣等结构替代。
4. DFX：面向各种要求的设计
DFX的第二层含义是面向各种要求的设计，是指在产品设计中，充分明确和理解产品各种要求，并设计产品满足这些要求。X指各种要求，包括来自于客户或消费者对产品功能、外观、质量和易使用性等要求、来自于产品制造的要求、产品装配的要求、以及产品可靠性的要求和产品成本的要求等。只有当产品设计满足DFX的所有要求，我们才可以说产品设计是一个好的产品设计。
面向各种设计要求的产品设计，其不但包含了DFX的第一层含义即面向产品生命周期中的各种要求，也包含了对产品功能、外观、可靠性以及产品成本等的要求。
4.1 来自客户或消费者的要求
产品设计的首要和最重要的要求是来自于客户或消费者对产品功能、质量、外观、可靠性和使用方便性等方面的要求，只有客户或消费者满意的产品，才是最好的产品。一般来说，来自于客户或消费者的要求均会在产品的规格中进行明确的定义。在产品设计和产品制造中，产品设计工程师应当随时检查产品是否满足上述要求。
4.2 零件的可制造性要求 DFM
制造是指产品通过什么工艺加工，例如注塑加工、钣金冲压、压铸加工和机械加工等。产品设计需要满足来自于制造方面的要求。很多工程师常以为产品设计就是根据客户的要求，在三维软件中绘制出产品图后，产品设计就大功告成了。事实上，能够在三维软件中把产品绘制出来，这一定不表示产品就能够制造出来，或者说产品不一定能够以最低的成本、最短的时间和最高的产品质量制造出来。产品设计不仅仅是绘制产品图而已，更重要的是要保证产品具有良好的可制造性，而且还需要提高产品的制造效率和质量、缩短产品的制造时间、降低产品的制造成本等。DFM不仅仅要求“这个产品可以制造吗？”，还要求以最低的成本、最短的时间和最高的产品质量制造出来。
4.3 产品的可装配性要求 DFA
产品往往是由多个零件装配而成的，这里的装配是指产品通过组装工序把多个零件组装成一个完整的产品。同样的，产品设计工程师在三维软件中可以把一个产品的组装关系绘制得很完美，事实上这一定不表示产品能够组装起来，或者以最高的装配质量和最低的装配成本组装起来。产品的设计还需要保证产品有良好的可装配性，而且还需要缩短装配时间、提高产品的装配效率和质量、降低装配成本等。DFA不仅仅要求“这个产品可以装配吗？”，还要求以最低的成本、最短的时间和最高的产品质量装配出来。
DFM和DFA统称为DFMA，即面向制造和装配的产品设计，DFMA是最早的和最成熟的DFX技术之一。
4.4 产品的可靠性方面的要求 DFR
产品的可靠性是产品的一种内在属性，它表征产品保持其性能指标的能力，是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；“规定时间”是指规定了的任务时间，和产品可靠性关系极为密切；“规定功能”是指产品规格书中给出的正常工作的性能指标。
面向可靠性的设计是在产品设计阶段充分考虑产品的可靠性要求，并设计产品满足这些要求。面向可靠性的设计原则包括：
1) 简化产品结构
2) 增加排除环境因素干扰的设计
3) 采用标准件和标准材料
4) 减少导致疲劳失效的设计，如减少应力集中
5) 紧固件争取采用可锁定的
6) 提高零件的冗余度
4.5 产品成本的要求 DFC
利润是一个企业生存的根本，产品成本太高，必然会影响企业利润。无论产品质量是如何完美，如果成本太高，不能给企业带来利润，这样的产品开发也是失败的。
在产品设计阶段就应当具有成本意识，而且也必须意识到产品成本决定于产品设计，决定于产品设计工程师之手。
关于DFC的著作请参考预计今年9月由钟元著机械工业出版社出版的《面向成本的产品设计：降本设计之道》一书。
4.6 其它
针对具体的项目和产品的情况，产品还需要满足其他方面的要求，例如环保的要求、产品易拆卸、易维护的要求等，这些要求在产品设计阶段也必须考虑到。
需要特别注意的是，产品设计以上各方面的要求在有些时候是相互冲突的，满足了这方面的要求可能导致不能满足另一方面要求。对此，产品设计工程师需要进行综合判断，在产品的各个设计要求之间取得一个良好的平衡。产品设计工程师常犯的一个错误之一就是为了满足一方面的要求而忽略了其他方面的要求。当然，在众多要求之中，来自于客户或消费者的要求往往是排在第一位的，毕竟客户就是上帝。
5. DFX的内涵
5.1 DFX是体现了并行工程的思想
DFX是一种哲理、方法、手段和工具，体现了并行工程的思想，即在设计阶段尽早地考虑产品生命周期各阶段的各种要求，将有助于提高产品的竞争力，借助计算机实现的DFX工具，可以有效地辅助产品设计工程师按照DFX进行产品设计。但DFX方法本身不是设计方法，不直接产生设计方案，它是对候选设计进行评价、分析和优化的方法，为设计提供依据。DFX方法的应用最终通过再设计实现产品的优化，它不仅用于改进产品本身，而且用于改进产品相关过程包括制造过程和装配过程。
5.2 DFX要求团队合作
成功实施DFX的一个关键因素就是团队合作。产品的成功开发并不仅仅是产品设计工程师的职责，而是依赖于整个DFX团队成员之间的团队合作，这主要是因为随着科技的发展，产品制造和装配等技术变得日益复杂，产品设计工程师不可能完全掌握好这些技术并设计产品来满足这些技术的要求，必须借助DFX团队中相关专业人员的帮助。在产品设计阶段，产品设计工程师要尽早与DFX团队的其它人员进行充分沟通与交流，并设计产品完全满足DFX的各种要求，尽早发现问题并加以解决，避免在产品开发的中后期才发现而造成产品质量降低和成本增加等。
通过真正将DFX活动集成到公司文化和每个产品的开发活动中，就能将效益最大化，保证最终产品具备量产和盈利能力。当DFX集成到产品开发流程中时，其执行力度会得到大大地加强，这一工作的基础就是要公司上层管理者的支持，当管理层确认DFX是产品设计中非常必要的工作时，执行推动起来就很容易了。
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