De Pugh Matrix

Het ontwikkelen van nieuwe producten, systemen en/of processen vraagt om het maken van keuzes tussen verschillende oplossingsrichtingen. Tijdens vrijwel ieder ontwerpproces ontstaan meerdere concepten die ieder afzonderlijk aan de gestelde eisen lijken te voldoen, maar onderling verschillen in – bijvoorbeeld- technische haalbaarheid, kosten, prestaties, betrouwbaarheid, produceerbaarheid en/of gebruiksvriendelijkheid. Met name de ontwerpfase vormt daarom vaak de grootste uitdaging. Niet omdat er onvoldoende concepten beschikbaar zijn, maar omdat moet worden vastgesteld welk concept uiteindelijk de beste uitgangspositie biedt voor verdere ontwikkeling (Pugh, 1991; Ulrich & Eppinger, 2016).

Binnen engineering design wordt deze fase aangeduid als conceptselectie (concept selection). Het doel van conceptselectie is niet uitsluitend het aanwijzen van één voorkeursalternatief, maar vooral het systematisch vergelijken van verschillende ontwerpconcepten op grond van vooraf vastgestelde eisen en beoordelingscriteria. Een gestructureerde conceptselectie vermindert de kans dat beslissingen uitsluitend worden genomen op basis van intuïtie, persoonlijke voorkeuren en/of organisatorische machtsverhoudingen en draagt zodoende bij aan een beter onderbouwd ontwerpproces (Pahl et al., 2007; Ulrich & Eppinger, 2016).

Een bekende methode voor conceptselectie betreft de Pugh Matrix. De Pugh Matrix werd ontwikkeld door Stuart Pugh als onderdeel van zijn ontwerpfilosofie Total Design (Pugh, 1991). De Pugh Matrix biedt ontwerpteams een methode om verschillende concepten ten opzichte van elkaar te vergelijken. Kenmerkend daarbij is dat alternatieven niet afzonderlijk worden beoordeeld met absolute scores, maar systematisch worden vergeleken met een gekozen referentieconcept aan de hand van vooraf vastgestelde beoordelingscriteria (Pugh, 1991; Pugh, 1996).

De Pugh matrix wordt regelmatig aangeduid als een beslismatrix of beoordelingsmatrix, echter moet worden opgemerkt dat dit geen recht doet aan de oorspronkelijke bedoeling van Pugh. Pugh beschouwde zijn matrix primair als een comparison matrix, ofwel een hulpmiddel om verschillen tussen concepten zichtbaar te maken en ontwerpteams te ondersteunen bij het voeren van een gestructureerde inhoudelijke discussie. De matrix is nadrukkelijk niet ontwikkeld als een louter scoringsmodel waarmee automatisch het beste ontwerp kan worden berekend (Pugh, 1991).

Een tweede kenmerk is dat conceptselectie volgens Pugh geen eenmalige activiteit is. Binnen de Total Design-benadering vormt de Pugh matrix onderdeel van een iteratief ontwerpproces waarin concepten voortdurend worden geëvalueerd, verbeterd en opnieuw met elkaar worden vergeleken. Het ondersteunt daarmee niet alleen de selectie van een bestaand alternatief, maar stimuleert tevens het ontwikkelen van nieuwe concepten waarin de sterke eigenschappen van eerdere oplossingen worden gecombineerd. Dit wordt door Pugh ook wel controlled convergence genoemd (Pugh, 1991; Pugh, 1996).

Hoewel de methode oorspronkelijk is ontwikkeld voor productontwikkeling en engineering design, heeft het zich ontwikkeld tot een veelgebruikt hulpmiddel binnen uiteenlopende ontwerp- en innovatieprocessen. Tegenwoordig wordt de Pugh matrix toegepast binnen disciplines als industriële productontwikkeling, systeemontwerp, werktuigbouwkunde en ontwerpmanagement. Ook wordt de methode, vaak in aangepaste vorm, gebruikt binnen innovatieprojecten en andere besluitvormingsprocessen waarin meerdere alternatieven systematisch moeten worden vergeleken (Ulrich & Eppinger, 2016).

De Pugh Matrix wordt veelvuldig gebruikt vanwege de relatief eenvoudige opzet. De methode vereist geen complexe berekeningen of geavanceerde statistische technieken, maar dwingt simpelweg af om expliciet na te denken over de beoordelingscriteria, de onderlinge verschillen tussen alternatieven en de argumentatie achter gemaakte keuzes. Daarmee draagt het dus bij aan een transparanter en beter reproduceerbaar besluitvormingsproces (Pugh, 1991; Ulrich & Eppinger, 2016).

Onderstaand wordt op beknopte wijze nader ingegaan op de opbouw van de Pugh Matrix alsook hoe het kan worden toegepast. 

De opbouw van de Pugh Matrix

De matrix bestaat uit drie basiselementen:

• de beoordelingscriteria;
• de verschillende ontwerpconcepten;
• een gekozen referentieconcept.

De beoordelingscriteria worden doorgaans weergegeven in de eerste kolom van de matrix. Horizontaal worden vervolgens de verschillende ontwerpconcepten opgenomen. Eén van deze concepten fungeert als referentie of baseline.

Voor ieder criterium wordt vastgesteld hoe een alternatief zich verhoudt tot deze referentie. In de oorspronkelijke methode gebruikt Pugh uitsluitend drie mogelijke beoordelingen:

• beter dan de referentie (+);
• gelijkwaardig aan de referentie (0);
• minder goed dan de referentie (–).

De Pugh Matrix verschilt van veel latere beslismodellen waarin wordt gewerkt met uitgebreide puntensystemen of gewogen scores. Bij de Pugh Matrix ligt de nadruk niet op het berekenen van een exacte totaalscore, maar op het zichtbaar maken van de onderlinge verschillen tussen alternatieven. Het resultaat van de vergelijking bestaat dus uit een overzicht waarin voor ieder ontwerpconcept zichtbaar wordt op welke criteria het beter, gelijkwaardig of minder goed presteert dan de referentie (Pugh, 1991).

Bovengenoemde betekent niet dat aanvullende puntensystemen of wegingsfactoren niet gebruikt kunnen worden, maar maken geen onderdeel uit van de oorspronkelijke methode zoals beschreven door Pugh. Aanvullende puntensystemen en/of wegingsfactoren kunnen worden toegevoegd indien sprake is van een situatie waarin een meer kwantitatieve vergelijking wenselijk is (Ulrich & Eppinger, 2016).

Toepassing van de Pugh matrix

De toepassing van de methode bestaat uit zeven opeenvolgende stappen welke onderstaand beknopt zijn weergegeven. 

Stap 1. Definieer de ontwerpconcepten

De eerste stap bestaat uit het vaststellen van de alternatieven die met elkaar worden vergeleken. Deze ontwerpconcepten zijn doorgaans het resultaat van de voorafgaande conceptontwikkelingsfase en moeten afdoende zijn uitgewerkt om een inhoudelijke beoordeling mogelijk te maken.

Stel dat een organisatie een nieuwe verpakkingsmachine wil ontwikkelen. Tijdens de conceptfase zijn drie mogelijke oplossingen ontwikkeld:

• Concept A: een conventioneel mechanisch ontwerp.
• Concept B: een modulair ontwerp met verwisselbare onderdelen.
• Concept C: een volledig geautomatiseerd ontwerp met robottechnologie.

Deze drie concepten vormen dan de alternatieven die in de Pugh Matrix worden opgenomen.

Stap 2. Stel de beoordelingscriteria vast

Vervolgens worden de beoordelingscriteria bepaald. Volgens Pugh dienen deze criteria rechtstreeks te worden afgeleid uit de Product Design Specification (PDS), zodat de vergelijking aansluit bij de oorspronkelijke ontwerpdoelstellingen (Pugh, 1991).

Voor de verpakkingsmachine kunnen bijvoorbeeld de volgende criteria worden gebruikt:

• Investeringskosten;
• Productiecapaciteit;
• Onderhoudbaarheid;
• Energieverbruik;
• Betrouwbaarheid;
• Veiligheid;
• Gebruiksgemak;
• Flexibiliteit voor toekomstige uitbreidingen.

Niet ieder project gebruikt evident dezelfde criteria. De selectie hangt volledig af van de eisen die eerder tijdens het ontwerpproces zijn vastgesteld.

Stap 3. Kies een referentieconcept

Een belangrijk kenmerk van de Pugh Matrix is dat alle alternatieven worden vergeleken met één referentieconcept, ook wel de baseline genoemd. Deze referentie hoeft dus niet het beste ontwerp te zijn. In veel gevallen wordt gekozen voor:

• het huidige product;
• de bestaande werkwijze;
• één van de ontwikkelde concepten.

In het weergegeven voorbeeld wordt gekozen voor het bestaande verpakkingssysteem dat momenteel door de organisatie wordt gebruikt.

Stap 4. Vergelijk ieder concept met de referentie

Bij deze stap wordt ieder ontwerpconcept per criterium vergeleken met de gekozen referentie. Voor ieder criterium wordt vastgesteld of het alternatief:

• beter presteert dan de referentie (+);
• ongeveer gelijk presteert aan de referentie (0);
• minder goed presteert dan de referentie (−).

Een vereenvoudigd voorbeeld:

Criterium	Referentie	Concept A	Concept B	Concept C
Investeringskosten	Baseline	+	−	−
Betrouwbaarheid	Baseline	0	+	+
Onderhoudbaarheid	Baseline	−	+	0
Energieverbruik	Baseline	+	+	−
Flexibiliteit	Baseline	−	+	+

Bovenstaande vergelijking laat direct zien waarin de verschillende concepten zich onderscheiden.

Stap 5. Analyseer de verschillen

Na het invullen van de matrix wordt niet direct gekeken welk concept de meeste plussen heeft. Belangrijker is de analyse van de verschillen.

Vragen die hierbij kunnen worden gesteld zijn bijvoorbeeld:

• Waarom scoort Concept B beter op onderhoudbaarheid?
• Waarom is Concept C duurder, maar tegelijkertijd flexibeler?
• Welke criteria zijn voor dit project werkelijk doorslaggevend?
• Zijn er criteria waarop alle concepten onvoldoende presteren?

Met name deze inhoudelijke discussie vormt volgens Pugh de belangrijkste meerwaarde van de methode zoals eerder gesteld. 

Stap 6. Ontwikkel een verbeterd concept

De analyse eindigt niet noodzakelijkerwijs met de keuze voor één bestaand alternatief.

Tijdens de bespreking kan bijvoorbeeld blijken dat Concept B uitstekende onderhoudseigenschappen heeft, terwijl Concept C juist beter scoort op betrouwbaarheid en automatisering. Het ontwerpteam kan vervolgens besluiten deze sterke eigenschappen te combineren in een nieuw ontwerpconcept.

Dit vormt de basis van het principe van controlled convergence, waarbij niet alleen bestaande concepten worden beoordeeld, maar ook nieuwe, verbeterde oplossingen worden ontwikkeld.

Stap 7. Herhaal de vergelijking

Het nieuw ontwikkelde concept wordt vervolgens opnieuw opgenomen in de Pugh Matrix en wederom vergeleken met de overige alternatieven. Hierdoor ontstaat een iteratief ontwerpproces waarin concepten zich geleidelijk ontwikkelen en verbeteren. Iedere nieuwe vergelijking levert aanvullende inzichten op die kunnen worden gebruikt om het ontwerp verder te optimaliseren. Volgens Pugh vormt juist deze voortdurende cyclus van vergelijken, verbeteren en opnieuw beoordelen de essentie van effectieve conceptselectie (Pugh, 1991; Pugh, 1996).

LITERATUUR

1. Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., & Grote, K.-H. (2007). Engineering Design: A Systematic Approach (3rd ed.). Springer.
2. Pugh, S. (1991). Total Design: Integrated Methods for Successful Product Engineering. Addison-Wesley.
3. Pugh, S. (1996). Creating Innovative Products Using Total Design: The Living Legacy of Stuart Pugh. Addison-Wesley.
4. Ulrich, K. T., & Eppinger, S. D. (2016). Product Design and Development (6th ed.). McGraw-Hill Education.