Lecture @ 2026-4-7
面向制造的设计
什么是 DFM
面向制造的设计 (Design for Manufacturing, DFM) 是一种设计高质量同时易于制造、低成本的产品的办法。它的主要方法是
- 降低复杂度 (Lower Complexity)
- 优化性能 (Optimize Performance)
- 重新定义产品 (Redefine Product)
DFM 有多种优势，包括降低生产成本、提高产品质量、缩短上市时间等。
DFM 起源于二战后的时期，当时的企业正寻求提升在全球市场竞争力的方法。因为当时各个制造商面临竞争对手的激烈竞争，他们需要寻找降低成本、提高产品质量、提升生产效率的方法。为此企业开始采用更加系统化的产品设计方法，把生产流程、工具、其他制造因素纳入设计流程中。
一个典型的设计知识流动 (Flow of Design Knowledge) 应该是这样的：
- 需求输入阶段 (黄色箭头)
- 客户向工程师输入设计规格 (Design Specifications)
- 制造商向工程师输入制造指南 (Manufacturing Guidelines)
- 设计转化阶段 (红色箭头)
- 工程师和设计师向制造商输入图纸包 (Drawing Packages)
- 价值交付阶段 (蓝色箭头)
- 制造商向客户交付原型/产品
这张图则是更加详细的双向反馈流程的展示
为什么 DFM 很重要
一个公认的事实是，大概 的产品成本是在设计决策时决定的。因此，在设计时使用更高效简单的原则可以显著降低生产成本。
DFM 的原则包括
- 简洁性 (Simplicity)
- 设计应该保持简单，尽可能减少零件数量，使用直接的形状和结构，使生产更加简便，更有成本效益
- 标准化 (Standardization)
- 设计应该使用标准化的零件和组件，以降低成本、提高质量和缩短生产时间
- 公差 (Tolerance)
- 适当的公差设计对于确保产品按照预期装配和功能至关重要，必须仔细考虑公差，以平衡精度需求和制造成本。
- 材料选择 (Material Selection)
- 材料的选择极大地影响生产成本和最终产品质量。为产品选择材料时，应该考虑材料性能，如强度、耐用性、可制造性。
- 自动化 (Automation)
- 自动化流程可以显著地提高生产效率、降低劳动力成本、提升产品质量。项目专家必须仔细考虑在生产过程中实施的自动化类型和水平。
- 流程整合 (Process Integration)
- 整合产品设计、制造流程、质量控制对于提高生产效率和降低成本至关重要。项目专家必须与工业设计师、工艺工程师等其他专业人员密切合作，确保设计、制造、质量控制流程适当整合。
采用这些 DFM 原则来进行产品开发后，可以获得的优势有
- 降低制造成本
- 提高生产效率
- 提高产品质量
- 简化产品开发流程
- 更优的供应链管理
- 增强的竞争力
- 遵守法规
相对的，要实现 DFM 原则，需要有人对 DFM 负责：
- 设计工程师 (Design Engineer)
- 制造工程师 (Manufacturing Engineer)
- 质量控制 (Quality Control)
- 采购 (Procurement)
- 管理 (Management)
而实现 DFM 需要的时间取决于产品的复杂性、组织的规模以及可用的资源的量。通常，DFM 会是一个贯穿产品生命周期的持续的过程。其他的方法也可以与 DFM 结合，比如 6-Sigma，质量控制等。
面向可持续性的设计
什么是 DFS
可持续性是指在满足当代人需求的同时，不损害后代人需求的能力，并确保经济增长、环境保护、社会福祉之间的平衡。这也就是可持续性的三个方面：社会可持续性、环境可持续性、经济可持续性。
面向可持续性的设计 (Design for Sustainability, DFS / D4S) 是卓越设计 (Design for Excellence, DFX) 的一个子方法论，主要关注点在于开发可持续的产品。所有的可持续性战略都基于一个或者两个目标：
- 使用更少的资源
- 优先使用环保替代方案
这里的 资源 可能指的是原材料、工艺、系统、分销方法以及产品存在所必需的任何其他要素。
怎么达成 DFS
虽然是终端用户在最终消费和使用这些产品，但是把所有的责任推给终端用户是不正确的。制造公司以及产品设计师必须对其产品的环境影响承担最主要的责任，并积极致力于设计更可持续性的产品。
同时，消费者在选择具有社会责任感的产品以及减少浪费、碳足迹时，也能对环境产生影响。
几乎所有的资源选择都受到其产品设计阶段的影响，也就是说，设计阶段对产品在原材料、制造、销售、使用、维护、处置等环节的环境影响最具决定性。更具体的比例是欧盟认定的 的环境影响是在设计阶段决定的。
循环经济
在传统上，经济遵循一种直线型的模式，也就是线性经济 (Linear Economy)
从原材料开采，到制造、分销、使用、处置，资源被消耗掉了，产生了废物和污染。这种经济的发展会不断消耗资源，同时产生废物，进而会消耗完资源并对环境造成不可逆转的损害，不可持续。
相对的，循环经济 (Circular Economy) 的主要重点是将使用过的部件重新引入作为新产品的原材料。其目的是从高浪费模式转向高价值模式。这种系统具有高度的资源效率，减少消费者需求对自然资源的勘探、污染、浪费的影响。
达成循环经济，一个非常高效的工具是 4R 原则 (4Rs)，也就是
- 减少 (Reduce)
- 重用 (Reuse)
- 修复 (Repair)
- 回收 (Recycle)
这四个原则适用于几乎每个人，并且能产生指数级的效应。
可持续设计原则
采用适当的策略可以帮助我们接近真正的可持续性概念，比如在设计产品时采用一些可以实施的可持续设计原则，包括
- 去物质化 (Dematerialization)
- 通过减少产品中使用的材料数量来降低环境影响
- 模块化设计 (Modular Design)
- 设计产品为独立的模块，使得维修、升级和回收更容易
- 优先使用可再生能源
- 向产品服务系统转型
- 为长久使用而设计
- 限制或者消除远距离外包
- 投资仿真技术
去物质化
去物质化 (Dematerialization) 指的是减少任何产品和服务的总材料和能源消耗，进而限制其对环境的影响。
实现这一目标的方法有很多，比如产品的小型化。更小的产品需要更少的材料、更少的包装、存储空间、运输和配送成本，并最小化产品生命周期各阶段涉及的碳排放。
模块化设计
模块化设计指的是将组件作为模块使用，这些模块可以应用于多种产品。模块是预先设计的，具有特定功能的组件，其优势包括制造、组装、更换、维修和处置更加便宜和便捷。
优先使用可再生能源
优先使用可再生能源是指在产品设计和制造过程中优先使用可再生能源，如太阳能、风能、水能等，以减少对化石燃料的依赖，降低碳足迹。
向产品服务系统转型
产品服务系统 (Product-Service Systems, PSS) 是一种商业模式，除了提供产品之外，还提供相关的服务，以满足客户的需求。在此之中，公司可以向消费者租赁或者共享产品，而不是直接销售产品，从而减少资源消耗和废物产生。
这一实践的一个绝佳例子是 IBM 如何转向租赁服务器，而非直接向客户销售设备，或提供云服务。
设计以延长使用寿命
通常，设计师有能力通过设计最大化产品的使用寿命。而更耐用的产品可以通过减少制造新产品所需的原材料和能源，显著减轻环境压力。
限制或取消长途外包
日益增长的运输能力使货运成本更加低廉，因此全球化产业分工让制造业外包到人力成本较低的国家。然而，制造产品所需要的资源是相同的，而为了长途运输，销售的过程中增加了数吨的额外排放（额外的温室气体），提高了碳足迹。
因此，在进行可持续设计时，优先使用本地供应商十分重要，除了降低运输碳足迹外还能支持本地产业。
投资仿真技术
通常获得最优设计需要多次迭代设计，试错，收集反馈。但是借助仿真，所有这些循环有时可以在几小时内完成，从而节省宝贵的原材料、时间以及与电力、水等相关的间接能源成本。
同时，仿真技术还能显著减少生产浪费。因为在经过充分仿真验证后，实际生产中只有极少数零件会超出规格 (out of spec)。这种生产方法因此既具有高度的可持续性 (sustainable)，又能带来良好的经济效益 (profitable)。