Functional-based Approaches for Supporting Product Development

The process of product development consists of a series of stages to transform an idea into a new product ready for the market. Starting from the earliest stages of identification of market opportunities, till the final stages of product manufacturing, information plays a crucial role. Every stage of product development is supported by many dedicated methods and tools. On the contrary, knowledge management strategies for supporting product development have not reached the same level of development. Often users rely on the text mining tools without a proper strategy, using indeed their own intuition and knowledge of field experts. The objective of this thesis is to propose a systematic searching approach based on the functional decomposition of the product. In the first place, the development of this method consisted of the study and selection of the main methodologies of design, problem solving and design rationale (such as FBS, TRIZ, EMS model, and others), and later a reworking of them has been done in order to transform them into research targets. Each stage of product development process requires strategies, therefore different research targets. At present, strategies to support problem reformulation, problem solving, construction of the state of the art and technological transfer have been tested. Since the effectiveness of a documentary search depends on the capability of text mining tools to obtain high recall, after testing several tools on the market, it was decided to develop and patent a special search engine that works with concepts exploiting libraries based design methods as knowledge bases. The thesis is organized as follows: In Chapter 2, we deal with defining the information to be searched. This information is described in the form of functions and they are identified through research targets, i.e. those key concepts that have to be found in documents with appropriate research strategies. These research targets are created using the main design methodologies properly selected. Once these targets are known, different research strategies have been defined according to the goal we want to achieve (decision making and problem solving). Chapter 3. With the aim of supporting the activities of decision making, it has been developed a strategy to provide the proper knowledge to the designer in order to understand whether and how a specific product (or technology) can be innovated. For this purpose, the design methodologies have been used for inventing/creating the research targets to find all the possible alternative products. Subsequently, a patent search uses these targets to understand which of these systems are already present at the state of the art, because they are already patented in our field and which systems are not yet patented, representing an opportunity for development (white space opportunities). In addition, using a further functional search other technological areas are investigated to understand if those systems, not yet present in our field, have already been developed in other technological fields to reach our same goal. This information, properly organized, can be used as support for technological transfer. Chapter 4. As a support to the problem-solving activities, we have been developed a strategy for problem formulation according to the model of TRIZ contradiction, in other terms as a conflict between two functional requirements. In particular, we propose a formulation of the problem based on a process of retrieving and structuring the proper knowledge in order to facilitate the resolution of the problem itself. Chapter 5. In order to test the effectiveness of these research strategies it was necessary to develop a new search engine that searches for concepts, rather than by keywords. In fact, the concept-based search can highly increase recall of the information retrieval process if compared with the more traditional research based on a combination of keywords selected by experts. It has been developed and patented a semantic search engine, called KOM, which integrates the basic text mining techniques such as tagging and parsing analysis. In particular, the search engine uses the patent literature as a source of information from which we can gain the knowledge. The proposed research strategies have been applied to several industrial cases in the field of mechanical engineering, household appliances, biomedical and pharmaceutical industries. In the work of this thesis two explicative examples are presented about: decision making strategies applied to the technology of sterilization of contact lenses, and problem solving strategy applied to the case of the nutcracker. The application using the industrial case studies have allowed to verify the effectiveness of the conceived strategies and tools, showing significant results, especially related to the improvement of recall of information retrieval. It is under definition an exhaustive evaluation (of these strategies) that involves the technical staff of the companies that have provided the industrial case studies. For what concerns the future developments, due to the development of KOM search engine in the last year of my PhD, it will be possible to conduct a validation of the proposed strategies with a more representative sample. In addition, KOM will reduce the time to develop and test new research strategies for supporting other activities of product development.

Il processo di sviluppo di un prodotto rappresenta l’insieme delle attività svolte ai fini di tradurre un’idea in un prodotto che possa essere commercializzato. Dalle primissime fasi di individuazione delle opportunità di mercato, fino a quelle finali di realizzazione del prodotto, l’informazione gioca un ruolo cruciale. Ogni fase dello sviluppo prodotto conta innumerevoli metodi e strumenti dedicati. Le strategie di gestione della conoscenza a supporto dello sviluppo prodotto invece non sono altrettanto sviluppate. Spesso l’utente si affida agli strumenti di text mining senza una vera e propria strategia, ma basandosi sul proprio intuito e conoscenza del settore. L’obiettivo di questa tesi è proporre un metodo sistematico di ricerca basato sulla scomposizione funzionale del prodotto. La messa a punto di questo metodo è consistita in primis nello studio e selezione dei principali metodi di design, problem solving e design razionale (quali FBS, TRIZ, EMS model, ed altri), e successivamente in una loro rielaborazione al fine di trasformarli in target di ricerca. Ogni fase del processo di sviluppo prodotto necessita strategie e quindi differenti target di ricerca. Al momento, sono state testate strategie a supporto della formulazione del problema, del problem solving, della costruzione dello stato dell'arte del prodotto e del trasferimento tecnologico. Poiché l’efficacia di una ricerca documentale dipende dalla capacità che gli strumenti di text mining hanno di ottenere elevate recall, dopo aver testato numerosi strumenti in commercio è stato deciso di sviluppare e brevettare un apposito motore di ricerca che lavora per concetti sfruttando come basi di conoscenza delle librerie basate sui metodi di design. La tesi è così articolata: Nel Capitolo 2 ci si occupa di definire le informazioni da ricercare. Queste informazioni sono descritte sotto forma di funzioni e vengono individuate attraverso target di ricerca, ovvero quei concetti chiave da ricercare all’interno dei documenti con opportune strategie di ricerca. Questi target di ricerca sono creati utilizzando le principali metodologie di progettazione opportunamente selezionate. Una volta noti questi target sono state definite strategie di ricerca diverse secondo l’obiettivo da raggiungere (decision making e problem solving). Capitolo 3. Con l’obiettivo di supportare l’attività di decision making, è stata messa a punto una strategia per fornire al progettista la conoscenza necessaria a capire se e come uno specifico prodotto (o tecnologia) possa essere innovato. A questo scopo, le metodologie di progettazione sono state utilizzate per inventare/creare i target di ricerca con cui trovare tutti i possibili prodotti alternativi. Successivamente, una ricerca brevettuale utilizza questi target per capire quali di questi sistemi siano presenti allo stato dell’arte perché già brevettati nel nostro settore e quali non siano ancora brevettati, rappresentando un’opportunità di sviluppo (white space opportunities). Inoltre, sempre utilizzando una strategia di ricerca funzionale vengono indagati altri settori per capire se quei sistemi che ancora non esistono nel nostro settore siano stati già sviluppati in altre aree tecnologiche per raggiungere il nostro stesso obiettivo. Queste informazioni, opportunamente organizzate, possono essere utilizzate a supporto dell’attività di trasferimento tecnologico. Capitolo 4. Per supportare l’attività di problem solving è stata messa a punto una strategia per la formulazione del problema secondo il modello di contraddizione TRIZ, ovvero come conflitto tra due requisiti funzionali. In particolare, si propone una formulazione del problema basato su un processo di reperimento e strutturazione della conoscenza che agevola la risoluzione del problema stesso. Capitolo 5. Per poter testare l'efficacia di queste strategie di ricerca è stato necessario sviluppare un nuovo motore di ricerca che effettua ricerche per concetti, invece che per parole chiave (keyword). Infatti, la ricerca basata su concetti permette di incrementare notevolmente il recupero (recall) delle informazioni rispetto a ricerche più tradizionali basate sulla combinazione di parole chiave selezionate da esperti. E' stato così sviluppato e brevettato un motore di ricerca semantico, denominato KOM, che integra le basilari tecniche di text mining come l’analisi grammaticale e sintattica. In particolare, il motore di ricerca sfrutta la letteratura brevettuale come fonte d’informazione da cui reperire la conoscenza. Le strategie di ricerca proposte sono state applicate a diversi casi industriali nel campo della meccanica, degli elettrodomestici, della biomedica e della farmaceutica. A titolo esplicativo nel lavoro di questa tesi si riportano, le strategie per il decision making applicate alla tecnologia di sterilizzazione delle lenti a contatto, e la strategia per il problem solving applicata al caso dello schiaccianoci. La sperimentazione mediante i casi di studio ha permesso di verificare l’efficacia delle strategie e degli strumenti sviluppati ed ha portato a risultati significativi, soprattutto per quanto riguarda l’aumento della recall del processo di information retrieval. E’ in fase attuativa una validazione esaustiva che coinvolge anche il personale tecnico delle aziende che hanno fornito i casi studio. Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, grazie allo sviluppo dello strumento KOM nell’ultimo anno di dottorato, sarà possibile condurre una validazione delle strategie proposte con un campione più rappresentativo. Inoltre, sarà possibile creare e testare in tempi molto più ristretti nuove strategie di ricerca a supporto di altre attività dello sviluppo prodotto.