一般而言，产品开发越接近后期，修改的成本就越高。因此，任何产品开发计划的一个关键总体目标都是尽早解决问题，降低后续阶段高成本迭代的风险。
这正是验证测试的意义所在。验证测试是一种阶段性评审流程，用于判断硬件是否满足其成熟阶段所设定的要求，以及是否可以进入下一开发阶段。在此过程中，设计师和工程师会构建多种原型。每个阶段都留有学习、探索和调整的空间，同时产品必须通过明确的标准才能进入下一阶段，以确保成功实现工业化。
本文阐述了如何优化开发流程以顺利面向大规模生产，并重点介绍产品成熟度的不同阶段，包括其目标、主要活动、解决的问题、产出的原型以及退出标准。
为什么要进行验证测试？
产品的设计几乎不可能从第一个 CAD 模型开始就完全达到可量产状态。即使是一个简单的塑料制品，在首次成型后，也可能因冷却不均而出现缩痕、流线或薄弱区域。某个区域可能过小，无法贴上法律要求的标签。某些条件下，配合部件可能存在公差问题。又或者，先导型用户群体可能会提出新的高优先级要求，迫使设计人员不得不进入新一轮的开发。
从一开始，设计过程就需要不断地进行修改、优化与方向调整，同时还需研究诸如可制造性、成本估算、客户声音 (VOC)、法律法规、知识产权 (IP) 以及认证标准等方面的问题。
随着流程向生产阶段推进，迭代的成本也呈指数级上升。例如，设计初期设计师绘制的一系列草图和泡沫模型，材料成本可能仅为 50 美元，而基于 3D 打印、外购部件和真空铸造包覆等工艺制作的精细快速原型，成本可能高达 500 至 1000 美元。到了生产阶段，模具的修改可能导致总成本高达 5 万美元，并引发数周甚至数月的交付延迟。
对于复杂产品而言，生产投资动辄数百万。像飞机这样极具挑战性的产品，更需要成千上万名员工和数十亿美元的固定资产投入。为了避免这种“1:10:100”成本递增定律（注：指问题发现越晚，解决成本越呈指数增长）及其他灾难性后果，设计师与工程师在每个环节都需要权衡迭代概率与成功概率。验证测试正是确保设计状态在特定阶段符合相应要求的关键手段。通过在每个阶段设立清晰的退出标准和交付成果，能够实现对资源的最优配置和质量水平的持续提升。
消费品在初始模型之后的不同成熟阶段展示。后方：采用 SLS 和 SLA 3D 打印构建的工程验证测试 (EVT) 样品。中间：基于软模制作的“首件试模”设计验证测试 (DVT) 样品。前方：基于硬模制作的产品验证测试 (PVT) 样品。图片来源：IDZone 产品设计。
产品成熟度的各个阶段
概念验证 (PoC) 和原型制造
在公司管理层通过明确市场机会、产品定位、技术评估、供应链策略及资源分配，敲定新产品规划 (NPP) 后，开发流程通常会交由产品团队负责。该团队需将上述规划转化为产品需求文档 (PRD)，并提出可行的概念方案。
首先，通过概念验证 (POC) 原型来对某项创意、方法或产品进行初步测试，以验证其在实际应用场景中的潜力和可行性。概念随后被转化为原型，即能够准确展现产品在机械结构、设计、用户体验等方面实际功能的工作模型。
产品开发迈向量产的不同阶段。（来源）
原型是产品设计的具体呈现，可用于传达其设计理念并评估其在特定需求下的价值。原型的保真度范围广泛，既包括用黏土、纸板、泡沫、木材等材料手工制作的低保真“软”模型，也涵盖通过 3D 打印或机加工制成的高保真功能原型。针对性原型只能体现产品的部分要求，可以是外观“看起来像”的模型，也可以是功能上“用起来像”的模型，还可以是为了测试特定子功能而兼具部分形态和功能的模型。如果某一原型设计集所有要求和功能于一体，则称为工程原型。
Form 3L 大幅面 3D 打印机的早期功能性原型。
在此过程中，可以创建非正式规格 (NFF) 模型。这类模型本质上是产品设计的放大版本，用以容纳所有功能组件的临时替代件，用以开发可工作的演示原型。电子部分的基础工作版本可通过硬件开发套件、Arduino 或树莓派结构搭建来实现。
分析原型或虚拟原型则是非实体的产品表现形式，例如用于渲染、数学仿真或有限元分析 (FEA) 的 3D 模型。甚至一张手绘草图，也可以看作是一种原始形式的虚拟原型。
具有不同保真度的可测试初代原型。左图：厨房用具的“外观仿真”泡沫模型。图片来源：Superior Prototype。中间：展示局部形态与交互性的泡沫芯/纸板模型。图片来源：Frits van Beek。右图：部分交互式机器加工的数码相机原型。注：该原型因未按量产目标设计，仍属于初代原型。图片来源：Joep Frens。
原型制造阶段对于厘清产品在易用性、美观性、潜在用户需求、同行设计师、产品经理、相关专家的意见、法规以及技术限制等方面的细节至关重要。一款复杂机电产品的典型设计流程通常包含多个概念，每个概念都辅以大量的探索草图、一系列实体模型和若干 3D 效果图作为支撑。
早在 1987 年，IDEO 设计团队为微软设计首款符合人体工学的电脑鼠标时，仅外形打磨就制作了 80 个泡沫模型。而随着工艺风险和复杂程度的提高，这个数字可能会一路飙升 — James Dyson 历时 15 年，经过 5127 次原型迭代才研发出首款采用“旋风技术”的真空吸尘器。为了加快新产品的开发进程，避免陷入臭名昭著的“硬件泥潭”，我们必须让原型聚焦于关键需求，充分考虑后续阶段可能出现的风险，并合理规划探索性的用户测试。
总而言之，原型制造阶段的目标是创造出“形神兼备”的工程原型。这一阶段需要验证所用技术是否满足客户需求、是否具备制造可行性，以及产品功能是否按预期正常运行。一旦这些要素得到确认，后续验证阶段的目标就是确保能够始终如一地大规模制造产品。
工程验证测试 (EVT)
工程验证测试 (EVT) 阶段主要是整合并优化产品所需的关键功能范围。与原型制造阶段仅产出有限的“初代”原型不同，这一阶段将开发具备更完整功能组合的工程级“测试”原型，通常由构建矩阵决定。工程原型是最终商品的最小可行版本，即所谓的可制造性设计 (DFM)。此类原型可供选定的先导型用户群体执行基于实验室的用户测试，以便在后续阶段将生产意图传达给模具专家；并可在首次销售会议中充当演示工具。
团队会对装配中的所有组件进行制造/购买分析，对自定义部件开展组件工程开发，并设置物料清单 (BOM)，以便向合同制造商 (CM) 询价 (RFQ)，为其筹备首条装配线和首件试模 (FS) 模具做好准备。对于电子产品而言，需采用工业化流程开发高端“热压焊接”印刷电路板 (PCB)。电源、散热及电磁干扰 (EMI) 测试也将在本阶段同步进行。
EVT 阶段的典型活动。左图：显示生产意图的产品设计爆炸效果图。图片来源：Oculus。右图：使用 3D 打印模具进行的小批量注射成型。
利用增材制造和 CNC 加工技术等高精度工艺，或基于硅胶或 3D 打印模具等软模进行小批量铸造，可生产约 20 至 50 件样品。总体目标是以完全量产为导向完善设计，最终获得少量符合生产标准的工程原型。
使用 3D 打印模具完成小批量快速注射成型
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设计验证测试 (DVT)
设计验证测试 (DVT) 阶段是产品真正开始实现工业化的阶段。如果说 EVT 侧重于架构级的可制造性设计，那么 DVT 的核心则在于完善细节，并向首条量产线推进。这是一个以实验和优化为标志的阶段。PCB 会通过调试和去噪等处理反复迭代，直至达到理想状态。合同制造商会为每个制成的部件开发首套硬模，以验证量产良品率。铝制模具可用于优化表面光洁度、材料选择、公差设定、滑块和凸轮等模具配置、连接方式以及工艺参数等方面的设计。
此阶段通常生产 50 到 200 件样品，但大型项目生产超过 1000 件的情况也并不少见。这些样品部分运回内部进行评估，并实施最终的工程修改，部分则作为测试设备发给潜在客户和专家评审人员。首批生产级样品需经历大量测试：环境室、热循环、振动、ESD、生物相容性、耐化学腐蚀性测试；FDA、FCC、UL、CE、EC 和 RoHS 等认证以及抗老化、抗辐射、化妆品、磨损和跌落测试等等。此外，还需在现实场景中对大量用户群体开展广泛的用户测试。
DVT 阶段的核心在于细节优化。左图：采用集成铆钉通过热熔方式将 PCB 固定于塑料外壳。图片来源：Hartmann。中间：尝试将注射成型外壳集成到织物基材的实验。图片来源：Bemis Sewfree。右图：用于盐雾腐蚀测试的 AES 环境室。图片来源：Associated Environmental Systems。
为了加快产品开发进程，理论上可以在 EVT 阶段结束时直接投入硬模制作，跳过 DVT 阶段，使工程原型 (EP) 不仅满足 EVT 的退出标准（即拥有具备量产可行性的原型），同时也达到 DVT 的退出标准（即完成硬模制作并通过量产良品率评估）。然而，过早投入 PVT 级别的大量资源伴随极大的风险，此类取巧做法基本不予推荐。
生产验证测试 (PVT)
生产验证测试 (PVT) 是正式进入量产前的最后一个阶段。此阶段硬模已定型，意味着无论是产品设计还是生产模具均不可再更改。夹具、固定装置和测试台必须全部到位并经过验证，方可启动试生产 (PP)。这一阶段的核心工作在于优化和稳定生产装配线，重点关注产线速度、操作员熟练度、废品率及日产量等指标。
通过如 FMECA（故障模式、影响与危害性分析）、QA/QC（质量保证/质量控制）以及 FAI（首件检验）等风险管理流程，将识别出潜在风险，例如单一供应源问题 — 即某关键组件只能由一家指定的合同制造商生产所带来的供应风险。电子设备将进行首次启动与固件检测，产品包装与用户手册也在此阶段完成。本阶段的大部分工作将由合同制造商主导执行。
PVT 阶段的核心在于通过流程与质量控制优化生产线。左图：用于多块电路板的面板测试夹具。图片来源：Korea Jig。中间：用于消费品的多工位装配夹具。图片来源：Aerosport Additive。右图：用于多种材料成型的复杂旋转式注射模具。图片来源：Grosfilley In-Mold & Rotative Solutions。
PVT 阶段的典型产出为 500 件以上样品或至少占首次生产批量的 5%。其目标是在以量产速度运行时验证量产良品率，并生产出可销售的产品。许多公司会在这一阶段制定销售计划，并开始向早期买家交付产品。PVT 生产是公司调整生产流程的最后机会，有时会根据关键生产指标达成情况，以红、黄、绿三色状态进行阶段管控。当绿灯亮起，真正的量产即可启动。
Form 3L PVT 设备在公司总部进行 QA 前的场景。在 PVT 阶段，合同制造商将生产单元运回工程团队进行最终质量检查仍属常见流程 — 尤其在全球化疫情导致无法亲赴制造商现场进行质检时，这成为产品交付客户前的关键环节。
批量生产 (MP)
产品成熟度演进的最后阶段是向大规模量产 (MP) 的爬坡阶段。该阶段通常从最低 5000 件的产量起步，但如果是 PlayStation、iPad、iPhone 或魔方等热门消费类产品，则可能高达数百万件。
在这一阶段，最初的生产线可能会被复制到其他产线上并行运行。对一小部分产品进行故障与良品率分析，确保质量稳定。首批退货也将开始出现，通过 EFFA（早期现场故障分析）确保每一台故障设备都能追溯至工程团队。为进一步保证质量，需对工厂和供应商进行监督，避免模具或工艺参数发生不可预见的变更导致质量偏差。整体工作重点在于提高良品率、降低成本，并在必要时扩大产能。与此同时，市场与销售团队则可专注于宣传资料开发、广告投放以及销量预测。
经合同制造商 QA/QC 后的量产 Form 3L 设备。
硬件新产品开发流程的不同阶段
| 阶段 | NPP（新产品规划） | POC（概念验证） | EVT（工程验证测试） | DVT（设计验证测试） | PVT（生产验证测试） | MP（批量生产） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 成熟度 | 商业案例 | 初代原型 | 测试原型 | 预生产样品部件 | 完整商用产品 | 完整商用产品 |
| 持续时间 | 1 - 3 个月 | 3 个月至 3 年以上 | 3 - 6 个月 | 3 个月 | 1 个月 | 3 个月以上 |
| 关注重点 | 了解市场机遇、编制产品需求文档 (PRD) | 验证用户需求 | 制造符合量产标准的产品 | 规模化可行性验证 | 量产准备就绪 | 质量保证 |
| 数量 | 0 | 5 | <50 | <500 | 500+ | 5000+ |
| 销售 | 产品定位 | 营销计划 | 销售预测 | 发布准备 | 销售计划 | 广告宣传 |
| 客户声音 | 访谈、焦点小组 | 探索性用户测试 | 实验室用户测试 | 现场用户测试 | 实地分析 | 持续反馈 |
| 地点 | 内部 | 公司内部 + 设计合作伙伴（可选） | 内部 + 工程合作伙伴（可选） | 合同制造商 + 内部验证 | 合同制造商 | 合同制造商 |
结论
在产品开发后期阶段做出错误决策或忽略关键细节，可能会导致高昂的成本和漫长的延误。公司也无法承担因发送存在缺陷的测试设备而损害声誉的代价。采用基于验证的阶段性评审方法，对所有复杂产品、系统及服务而言都至关重要。这种方法既能确保产品沿最佳轨迹顺利迈向量产，同时又能将资源消耗控制在最低限度。
回顾产品成熟度的各个阶段，POC 和原型制造阶段的目标在于验证产品概念的可行性、用户需求的真实性以及技术实现的可能性；EVT 阶段旨在建立对设计功能正常运行的信心；DVT 阶段验证设计能否成功实现规模化生产并通过海量测试流程；而 PVT 阶段则是确保生产线能达到预期指标。进入量产后，工作重点转向销售、质量维护、退货处理、筹备未来的设计变更，以及产品生命周期结束时的应对。
在产品开发的早期阶段，全面的 PRD、计划周密的原型制造方法和分析对于避免后续产生重大变更的重要性怎么强调都不为过。同样不可忽视的是，当打开刚从生产线下线、封装完好的首箱成品，看到历时数月乃至数年辛勤工作的结晶时，那份满足感也无可替代。
3D 打印是贯穿整个产品开发过程、为开发团队提供支撑的重要工具之一。从高保真原型制造，到用于装配线上的快速模具制作、夹具和固定装置，树脂 3D 打印机可以帮助您加快开发进程，为成功实现量产铺平道路。