PDD#21: Kỹ thuật Tạo mẫu Sản phẩm (Prototyping) & Công nghệ In 3D: “Thất bại sớm, Thất bại rẻ”

(Bài 21 trong chuỗi “Nâng tầm Sức cạnh tranh Doanh nghiệp Việt qua Thiết kế và Phát triển Sản phẩm Chuyên nghiệp”)

Sau khi đã lựa chọn được concept sản phẩm hứa hẹn nhất ở PDD#20, hành trình phát triển sản phẩm của chúng ta bước vào một giai đoạn cực kỳ thú vị và thực tế: Giai đoạn MAKE (Tạo mẫu) trong quy trình PRIME. Đây là lúc những ý tưởng, bản vẽ, mô hình trên máy tính bắt đầu được “hiện thực hóa” thành những vật thể cầm nắm được, có thể tương tác được, hay còn gọi là Mẫu thử (Prototype).

Tạo mẫu không chỉ đơn thuần là làm ra một phiên bản thu nhỏ hay mô hình trưng bày. Nó là một hoạt động mang tính chiến lược, một công cụ học hỏi mạnh mẽ, giúp đội ngũ phát triển kiểm chứng giả định, khám phá vấn đề và giảm thiểu rủi ro trước khi đi đến sản phẩm cuối cùng. Triết lý cốt lõi đằng sau việc tạo mẫu sớm và thường xuyên chính là: “Thất bại sớm, Thất bại rẻ” (Fail Early, Fail Cheap). Thà phát hiện ra vấn đề trên một mẫu thử chi phí thấp còn hơn là để nó xảy ra trên hàng ngàn sản phẩm đã xuất xưởng.

Mẫu thử (Prototype) là gì và Tại sao phải Tạo mẫu?

Theo định nghĩa trong Chương 10 của RDI Toolkit, Mẫu thử (Prototype) là một sự thể hiện gần đúng của sản phẩm theo một hoặc nhiều khía cạnh mà nhóm phát triển quan tâm. [source: 318] Nó có thể tồn tại dưới nhiều hình thức, từ một bản phác thảo trên giấy, một mô hình 3D trên máy tính, một mô hình vật lý bằng bìa cứng, đất sét, cho đến một phiên bản có khả năng hoạt động gần giống sản phẩm thật.

Việc tạo mẫu phục vụ 4 mục đích chính: [source: 320]

• Học hỏi (Learning): Mẫu thử giúp trả lời những câu hỏi còn bỏ ngỏ về mặt kỹ thuật hoặc trải nghiệm người dùng. Ví dụ: Liệu cơ cấu này có đủ khỏe? Vật liệu này cầm có thích tay không? Người dùng có dễ dàng tìm thấy nút bấm này không? [source: 321]
• Giao tiếp (Communication): Một mẫu thử hữu hình thường hiệu quả hơn hàng ngàn lời nói hay bản vẽ phức tạp. Nó giúp các thành viên trong nhóm, ban lãnh đạo, nhà đầu tư, nhà cung cấp và cả khách hàng tiềm năng dễ dàng hình dung và hiểu rõ hơn về ý tưởng sản phẩm. [source: 322]
• Tích hợp (Integration): Đối với các sản phẩm phức tạp gồm nhiều bộ phận, mẫu thử giúp kiểm tra xem các thành phần được thiết kế riêng lẻ có thể lắp ráp và hoạt động hài hòa với nhau hay không. [source: 323]
• Đạt các Mốc quan trọng (Milestones): Mẫu thử là bằng chứng hữu hình cho sự tiến bộ của dự án, giúp đội ngũ đạt được các mốc quan trọng, xây dựng niềm tin và đưa ra quyết định cho các giai đoạn tiếp theo (ví dụ: quyết định đầu tư vào khuôn mẫu). [source: 324]

Phân loại Mẫu thử: Chọn đúng “Công cụ” cho Mục đích

Không phải tất cả các mẫu thử đều giống nhau. Tùy thuộc vào mục đích và giai đoạn phát triển, chúng ta có thể phân loại mẫu thử theo hai chiều chính: [source: 325-326]

• Vật lý (Physical) vs. Phân tích (Analytical):
  • Mẫu thử Vật lý: Là các vật thể hữu hình mà chúng ta có thể chạm vào, nhìn thấy, tương tác (ví dụ: mô hình đất sét, mẫu in 3D, sản phẩm lắp ráp thử nghiệm). [source: 327]
  • Mẫu thử Phân tích: Là các biểu diễn phi vật lý, thường dựa trên toán học hoặc hình ảnh (ví dụ: mô hình CAD 3D, bản vẽ kỹ thuật, biểu đồ, mô phỏng máy tính – FEM, CFD, bảng tính phân tích chi phí…). [source: 328-329] Mẫu phân tích thường được tạo ra trước để định hướng cho mẫu vật lý.
• Toàn diện (Comprehensive) vs. Tập trung (Focused):
  • Mẫu thử Toàn diện: Thể hiện hầu hết các tính năng và chức năng của sản phẩm cuối cùng, thường xuất hiện ở các giai đoạn sau.
  • Mẫu thử Tập trung: Chỉ thể hiện một hoặc một vài khía cạnh cụ thể của sản phẩm mà nhóm đang muốn tìm hiểu hoặc kiểm tra. [source: 330-331] Ví dụ:
    • Mô hình công thái học (ergonomic model) để kiểm tra cảm giác cầm nắm, sự thoải mái khi sử dụng. [source: 333]
    • Mẫu thử chức năng (functional prototype) chỉ để kiểm tra một cơ cấu cơ khí hoặc một mạch điện tử cụ thể. [source: 332]
    • Mẫu thử giao diện người dùng (UI prototype) trên phần mềm để kiểm tra luồng thao tác.

Việc lựa chọn đúng loại mẫu thử cho từng giai đoạn và mục đích cụ thể giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và thu được thông tin hữu ích nhất.

Cách mạng Tạo mẫu: Sự trỗi dậy của Công nghệ In 3D

Trước đây, việc tạo ra các mẫu thử vật lý, đặc biệt là những mẫu có hình dáng phức tạp hoặc yêu cầu độ chính xác cao, thường rất tốn thời gian và chi phí, đòi hỏi máy móc và kỹ năng gia công chuyên biệt (tiện, phay, đúc, ép nhựa…). [source: 339]

Tuy nhiên, sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của công nghệ Chế tạo Bồi đắp (Additive Manufacturing), hay thường được biết đến với tên gọi In 3D (3D Printing), đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping). [source: 341]

In 3D là gì? Đó là quá trình tạo ra vật thể ba chiều bằng cách đắp chồng từng lớp vật liệu lên nhau theo điều khiển của máy tính, dựa trên một thiết kế số (file CAD 3D). [source: 341]

Ưu điểm vượt trội của In 3D cho việc tạo mẫu:

• Tốc độ: Có thể tạo ra mẫu thử phức tạp chỉ trong vài giờ hoặc vài ngày, thay vì vài tuần hoặc tháng như trước đây.
• Linh hoạt về hình học: Dễ dàng tạo ra các hình dáng phức tạp, các kết cấu bên trong mà gia công truyền thống khó hoặc không thể làm được.
• Chi phí hiệu quả (cho số lượng ít): Chi phí tạo ra một vài mẫu thử thường rẻ hơn đáng kể so với việc làm khuôn mẫu hay thiết lập quy trình gia công.
• Dễ dàng tùy chỉnh và lặp lại: Chỉ cần chỉnh sửa file thiết kế 3D và in lại, giúp quá trình lặp lại MAKE -> EVALUATE diễn ra nhanh chóng.