Konstruiranje za proizvodnju The best design is the simplest one that works. (Najbolji dizajn je onaj najednostavniji koji radi) Albert Einstein
Konstruiranje za X (Design for X) • grupa postupaka pri konstruiranju koja se jednim imenom zove konstruiranje za izvrsnost (engl. Design for eXcellence), ili popularnije konstruiranje za X (Design for X – DfX) • X predstavlja varijablu sa više mogućih vrijednosti odnosno postupaka koje mogu odgovarati nekom od kriterija kvalitete potrebnih za uspješnu konstrukciju proizvoda
• zbirka specifičnih konstruktorskih smjernica
• Kreiranje smjernica samo po sebi obično ima za svrhu razvijanje pristupa i odgovarajućih metoda pomoću kojih možemo generirati i primijeniti nova ili usavršiti postojeća tehnička znanja na način da se ovlada, unaprijedi ili čak inovira proizvod, u smislu njegovih pojedinih karakteristika i obilježja. • cilj ovih postupaka je da se razvije takav pristup proizvodu koji će osigurati njegovu najveću pouzdanost, ekonomičnost, svrsishodnost, obradivost, ekološku prihvatljivost i sl. u svim fazama njegove eksploatacije, od začetka pa do odlaganja, a da se pri tome maksimalno vodi računa o kvaliteti, resursima, troškovima, zaštiti okoliša i dr
• Metodologija s DFX postupcima konstruiranja je usmjerena na različite probleme koji, po fazama, mogu nastati u životnom vijeku jednog proizvoda, kao što su: a. b. c. d.
razvojna faza; proizvodna faza; faza podrške; faza odlaganja
• Razvojna faza je usmjerena na osnovna pravila o kojima treba voditi računa od idejnog razvoja pa do puštanja u proizvodnju. Razvijanje ideje u proizvod koji se može proizvesti je glavni inženjerski izazov. • Design for Short Time to market – konstruiranje za kratko vrijeme do tržišta • DFR ‐ Design for reliability – konstruiranje za pouzdanost • DFT ‐ Design for Test – konstruiranje za testiranje • DFS ‐ Design for safety – konstruiranje za sigurnost • DFQ ‐ Design for quality ‐ konstruiranje za kvalitetu, i Basic Rules for Embodiment Design – osnovna pravila oblikovanja.
• Proizvodna faza treba voditi računa o troškovima proizvodnje, standardima, sklapanju, proizvodnji, logistici, kao i o nekim specifičnim situacijama kod sklapanja elektroničkih uređaja ili maloserijske proizvodnje. • DTC/DTS (Design to cost/standards – konstruiranje za troškove/standarde) • DFA (Design for assembly ‐ konstruiranje za sklapanje), • DFM (Design for manufacturing – konstruiranje za proizvodnju), • DFL (Design for logistic– konstruiranje za logistiku) i dr.
• Faza podrške je usmjerena na alate koji će pomoći da proizvod bude što više korisnički orijentiran, jednostavan za uporabu, rukovanje, održavanje i servisiranje. • Design for user‐Friendliness – korisnički orijentirano konstruiranje • Design for Ergonomics – konstruiranje za ergonomiju • Design for Aesthetics – konstruiranje za estetiku/izgled) • Design for Serviceability/Maintainability – konstruiranje za servis i održavanje.
• Faza odlaganja je uglavnom usmjerena na konstruiranje za okoliš Design for Environment i konstruiranje za reciklažu ‐ Design for recycling
DFM •
• •
•
Jedna od najintegrativnijih metoda je konstruiranje za proizvodnju, jer objedinjava neke od najvažnijih DFX alata od razvojne faze pa sve do faze odlaganja (oblikovanje, sklapanje, troškovi, održavanje, vođenje računa o ekologiji i drugo). ima sveobuhvatno značenje jer izravno adresira troškove proizvodnje. Ključ koji određuje ekonomski uspjeh proizvoda je cijena proizvodnje.. Dobit je razlika između prodajne cijene i troškova proizvodnje. Broj prodanih jedinica nekog proizvoda i njegova prodajna cijena u najvećoj mjeri ovise od ukupnog kvaliteta proizvoda. Zbog ovoga, ekonomski uspješno konstruiranje treba da osigura visoku kvalitetu proizvoda sa što manjim troškovima proizvodnje. DFM metoda je jedna od onih kojom se postiže ovaj cilj; primjena DFM prakse vodi prema manjim troškovima proizvodnje a da to ne bude na uštrb kvalitete proizvoda.
• DFM ‐ sveobuhvatna praksa koja se primjenjuje u razvoju proizvoda. • U DFM‐u se koristi više vrsta podataka ili informacija, kao što su: a. skice, crteži, specifikacije proizvoda i konstrukcijske alternative; b. detaljno razumijevanje proizvodnje i procesa montaže; c. procjena troškova proizvodnje, obima proizvodnje i potrebnog vremena za pokretanje proizvodnje. Zbog toga ova metoda zahtijeva aktivan doprinos većine članova razvojnog tima kao i vanjskih stručnjaka. DFM se obično, pored konstruktora proizvoda, oslanja na stručnost proizvodnih inženjera, komercijaliste (ekonomiste), te osoblja iz proizvodnje. Mnoge kompanije koriste strukturirane, timski bazirane radionice (obuke) da bi olakšale integraciju i dijeljenje svih ovih, za DFM, neophodnih stajališta.
Ostvarivanje DMF‐a kroz proces razvoja • DMF počinje u konceptualnoj fazi razvoja, kada su već utvrđene funkcije i specifikacije proizvoda. Kada je izabran koncept proizvoda, troškovi su skoro uvijek jedan od kriterija na osnovu kojih se donosi odluka, pa čak iako su troškovi u ovoj fazi samo izrazito subjektivni i približni. Kada se specifikacije proizvoda finaliziraju, tim pravi balans između željenih svojstava. • Npr., smanjenje težine, može povećati troškove proizvodnje. U ovom trenutku tim već može imati približan spisak potrebnog materijala (lista dijelova) sa procjenom troškova. • Za vrijeme faze razrade projekta, tim donosi odluke o tome kako da razloži proizvod na pojedine komponente ili dijelove, gdje se najveća pažnja polaže na očekivane troškove i utjecaj na složenost proizvodnje. Točne procjene troškova postaju moguće tek u fazi detaljne razrade, kada se i donose mnoge odluke vođene zahtjevima proizvodnje.
Pregled DFM procesa počinje s procjenom proizvodnih troškova za predloženo konstrukcijsko rješenje. Ovo pomaže timu da se generalno odredi koji aspekti konstruiranja (dijelovi, montaža ili podrška) najviše koštaju. Nakon toga, tim svoju pažnju usmjerava na odgovarajuće oblasti. Ovaj proces je iterativan. Nije neuobičajeno da se procjena proizvodnih troškova i unapređenje proizvoda vrši desetke puta prije nego se usuglasi da je proizvod dovoljno dobar. U nekim slučajevima DFM iteracije se mogu čak produžiti i do početka pilot proizvodnje. Međutim, u nekoj točki, konstruiranje je potrebno „zalediti“ i bilo koje dalje izmjene uzimaju se u obzir samo kao formalne „inženjerske izmjene“ ili postaju dio sljedeće generacije proizvoda.
Primjer ‐ usisna grana za motor GM V6 • objasniti kako se određuju troškovi proizvodnje. • određivanje točnih troškova teška, ako ne i nemoguća misija, • prikazati nekoliko korisnih metoda za smanjenje troškova dijelova, sklapanja i podrške proizvodnji. • Koristiti redizajniranu usisnu granu SUS motora • neke druge proizvode kao primjere za ilustraciju DFM principa • Diskusija o rezultatima postignutim kroz DFM i nekim širim implikacijama odluka donesenih uporabom DFM‐ a.
Primjer ‐ usisna grana za motor GM V6
Slika a: tijelo usisne glave od lijevanog aluminija
Slika b: tijelo usisne glave od kompozitne termo plastike
Procjena proizvodnih troškova – 1. korak
Troškovi proizvodnje predstavljaju sumu svih ulaznih rashoda u sustav i odstranjenog škarta/otpada iz sustava. Kao mjeru koštanja proizvoda, poduzeća uglavnom koriste proizvodne troškove po jedinici proizvoda, koji se dobivaju dijeljenjem ukupnih proizvodnih troškova u nekom periodu, obično je to jedno tromjesečje, sa brojem proizvedenih jedinica proizvoda u istom tom razdoblju.
• Ovaj, naizgled, jednostavni koncept, kompliciran je u praksi zbog sljedećih nekoliko pitanja: a. Koje su granice proizvodnog sustava? Da li je tu uključen i terenski rad/terenska podrška? Šta da radimo sa aktivnostima vezanim za razvoj proizvoda? b. Kako da „teretimo troškove“ proizvoda izrađenog na skupoj opremi opće namjene, a koja traje više godina? c. Kako razdijeliti troškove između više proizvodnih linija u velikim, višeproizvodnim sustavima?
Troškovi dijelova: • standardni dijelovi koji se poručuju od dobavljača (motori, prekidači, elektronski čipovi i vijci) • ostale komponente su specijalni dijelovi, koji se izrađuju iz sirovina, kao što su ploče lima, plastični peleti ili aluminijske šipke i to prema nacrtima proizvođača. • neki od specijalnih dijelova se izrađuju u vlastitim pogonima, dok ostali mogu biti izrađeni kod nekog od dobavljača prema specifikaciji iz nacrta proizvođača.
Troškovi sklapanja • gotovo uvijek uključuju troškove rada, a također mogu uključiti i troškove opreme i alata.
Opći troškovi (indirektni, neproizvodni troškovi) • obuhvaća sve preostale troškove dvije vrste: a) troškove podrške (proizvodnji) ‐ troškovi koji se odnose na rukovanje materijalom, osiguranje kvalitete, nabavke, isporuku, prihvat, objekte i održavanje opreme i alata. b) ostale indirektne troškove ‐ plaću za čovjeka iz osiguranja ili troškove održavanja zgrade i zemljišta. Ovi troškovi se dijele između nekoliko različitih proizvoda i teško ih je vezati izravno za određeni proizvod.
Drugi način podjele troškova: na fiksne i varijabilne • Fiksni ne ovise o broju jedinica proizvoda (nabavka injekcijskog kalupa potrebnog za novu usisnu granu, uspostava nove radne linije u tvornici za sklapanje usisne grane; opseg i pretpostavljeno vrijeme proizvodnje bi trebalo biti točno određeno) • Varijabilni troškovi (troškovi sirovina , montažni rad)
Lista materijala • informacije o troškovima treba dobro posložiti i prikazati. • U tablici 1. prikazan je primjer iz informacijskog sustava za izračun procjene troškova proizvodnje. On se sastoji od liste materijala (engl. bill of materials ili BOM) proširenog cijenom. Lista materijala je lista sa svim pojedinačnim dijelovima/komponentama iz kojih se sastoji proizvod.
Procjena troškova standardnih dijelova 1. uspoređujući svaki dio sa konstrukcijski sličnim dijelom koji poduzeće već proizvodi ili nabavlja u usporedivoj količini, ili 2. prikupljanjem cijena od trgovaca ili dobavljača. Za prikupljanje ovih cijena, veoma je važna procijenjena količina proizvodnje (jedinična nabavna cijena desetak vijaka i podložaka naspram 100.000 kom mjesečno – 10X)
Procjena troškova specijalnih ‐ nestandardnih dijelova • Specijalni (nestandardni) dijelovi ili komponente, koji se konstruiraju specijalno za određeni proizvod, izrađuju se od strane samog proizvođača ili od strane nekog od dobavljača. Većina posebnih dijelova se izrađuje koristeći isti tip proizvodnog procesa kao i pri proizvodnji standardnih dijelova (npr. injekcijsko kalupljenje, utiskivanje, strojna obrada); međutim, specijalni dijelovi su obično dijelovi specijalne namjene i kao takvi koriste se za ugradnju u samo određene proizvode.
• Proračun troškova originalne usisne grane dobivene lijevanjem i strojnom obradom prikazan je u tabeli 2.
Proračun troškova sklapanja • Sklapanje proizvoda koji se izrađuju u količinama manjim od par stotina tisuća komada godišnje skoro se uvijek radi ručno. (Izuzetak su elektronske ploče) • Proračun troškova ručnog sklapanja dobiva se zbrajanjem procijenjenog vremena za svaku operaciju sklapanja (4 do 60 sek/kom) i množeći je sa cijenom rada. • Popularna metoda određivanja vremena sklapanja, razvijena prije preko 30 godina, je metoda tvrtke Boothroyd Dewhurst Inc., a dostupna je i u softverskom obliku.
• Trošak ljudskog rada potrebnog za sklapanje 1$ ‐ 40$ (USA – 10$ – 20$)
Proračun općih (indirektnih) troškova • u industrijskoj praksi nije pokazao baš zadovoljavajuće rezultate. • Shema koja se primjenjuje u većini poduzeća za procjenu općih troškova je jednostavna. • U suštini, ne vrši se izračunavanje stvarno nastalih općih troškova za neki određeni proizvod. • Ovo iz razloga što je režijske troškove proizvodne podrške vrlo teško pratiti i dodijeliti određenoj proizvodnoj liniji. Još je teže predvidjeti ove troškove unaprijed za neki novi proizvod.
Smanjenje troškova elemenata i dijelova – 2. korak: • Za većinu visoko sofisticiranih specijalnih proizvoda, najznačajniju stavku proizvodnih troškova činit će nabava komponenata i dijelova • nekoliko strategija koje utječu na smanjenje ovih troškova. • Mnoge od ovih strategija mogu se slijediti čak i bez točne procjene troškova. • U ovom slučaju, ove strategije postaju pravila konstruiranja (projektiranja), ili pravila prakse, a u cilju smanjivanja troškova DFM‐a.
2.1 Razumijevanje pojmova proizvodnih ograničenja i pokretača troškova
• najbolja strategija je da se blisko surađuje sa ljudima koji su duboko uključeni u postupak proizvodnje određenog dijela. • Proizvodni eksperti će sigurno imati mnoštvo ideja kako da se redizajniraju dijelovi i komponente radi smanjenja proizvodnih troškova.
2.2 Redizajniranje elemenata radi uklanjanja koraka obrade
• Pažljivo promatranje predloženog dizajna može dovesti do prijedloga za redizajn, koji opet može rezultirati pojednostavljenjem proizvodnog procesa. • Smanjenje broja koraka u postupku izrade određenog dijela, uglavnom rezultira i smanjenjem troškova • Izrada originalne usisne grane zahtijeva skupo kalupljenje, iza kojeg slijedi nekoliko strojnih obrada. Redizajnirana usisna grana se izlijeva u dva dijela do konačnog oblika (tab.4)
3.3 Izbor odgovarajućeg ekonomskog obima u procesu izrade dijela • Troškovi proizvodnje obično opadaju sa povećanjem obima proizvodnje. • Ova pojava se naziva ekonomski obim. • Ekonomija obima se primjenjuje pri izradi dijelova iz dva osnovna razloga: 1) fiksni troškovi se dijele između više jedinica i 2) varijabilni troškovi postaju niži jer poduzeće može opravdati primjenu većih i efikasnijih postupaka i opreme.
3.4 Standardiziranje komponenata, dijelova i postupaka • Za očekivani obim proizvodnje, pogodnosti pri nabavci znatno veće količine dijelova, možemo postići kroz korištenje standardnih dijelova ili komponenti. • Standardne komponente su one koje su zajedničke za više od jednog proizvoda. Ova standardizacija se može pojaviti unutar proizvodne linije jednog poduzeća, ili na proizvodnim linijama više poduzeća, koje se u tom slučaju snabdijevaju od nekog vanjskog dobavljača. • Na primjer, korištenje 3.8 litarskog V6 motora u nekoliko auta koje proizvodi GM, primjer je interne standardizacije. Korištenje zajedničkog 10 mm imbus vijka od strane nekoliko proizvođača automobila primjer je vanjske standardizacije.
• Komponente mogu također biti standardizirana u istom modelu.
primjer standardizacije unutar jednog modela. Kotači Ford Explorer-a su jednaki i na desnoj i na lijevoj strani vozila
Prihvatanje koncepta „Black box“ (crne kutije) kod nabave dijelova
• Strategija smanjenja troškova dijelova i komponenti korištena je efikasno u japanskoj auto industriji pod nazivom black box dobavljački dizajn.
Smanjenje troškova sklapanja (montaže) 3. korak
• DFA (Design for Assembly) postao je sastavnim dijelom DFM konstruiranja, a ono podrazumijeva maksimalno smanjenje troškova sklapanja. • Za većinu proizvoda, sklapanje predstavlja relativno mali udio u ukupnim troškovima. Ipak, vođenje računa o troškovima montaže donosi veliku izravnu korist • naglašeno korištenje DFA ‐ zajedno sa troškovima montaže smanjuju se i troškovi kompleksnosti izrade, troškovi dijelova i podrške proizvodnji.
• • •
treba održavati stalnu procjenu troškova montaže. koncept montažne efikasnosti. Montažna efikasnost predstavlja indeks koji je omjer teoretski minimalnog vremena montaže i izračunatog stvarno potrebnog vremena za montažu proizvoda. Ovaj koncept je koristan jer nam pomaže da razvijemo osjećaj o tome što pokreće troškove montaže.
Da bi odredili teoretski najmanji broj dijelova, treba postaviti slijedeća tri pitanja za svaki dio predviđen za ugradnju u sklop: 1. Da li dio treba da se relativno premješta ili pomiče u odnosu na ostalu montažu? U ovo ne računamo male pomake usljed popuštanja (npr. elastična spojnica ili opruga) 2. Da li dio mora biti napravljen od različitog materijala od ostatka sklopa iz osnovnih fizičkih razloga? 3. Da li dio mora biti odvojen od sklopa, zbog pristupa montaži, zamjeni ili popravci?
• Ako dio nije zadovoljio jedan od spomenutih teoretskih uvjeta, tada je on kandidat za fizičku integraciju sa jednim ili više drugih dijelova. • Rezultirajuća komponenta je često dosta složena, jer nastaje kao rezultat integriranja nekoliko različitih geometrijskih oblika koji bi inače bili odvojeni dijelovi. • Ipak, u dijelove izrađene lijevanjem ili izvlačenjem mogu se ugraditi dodatni oblici bez ili sa vrlo malo dodatnih troškova.
•
Slika 7. pokazuje završetak tijela regulatora plinova redizajnirane usisne glave. U ovu komponentu su integrirani dodaci za EGR povratnu cijev i vakuum blok. Ovi dodaci koriste lijevanu „gurni i okreni“ geometriju, eliminirajući potrebu za više vijčanih spajanja.
Integriranje dijelova nam daje neke koristi: • Integrirani dijelovi ne trebaju se sastavljati, jer je „montiranje“ ustvari izvršeno kroz proces izrade dijela. • Integrirani dio je često jeftiniji za izradu, nego odvojeni dijelovi iz kojih se sastoji. Za lijevane ili istiskivane dijelove ovo smanjenje troškova nastaje jer je jedan složeniji kalup ili šablon obično jeftiniji od dva ili više jednostavnijih kalupa ili šablona, kao i zbog toga što obično treba manje vremena za izradu jednog takvog integriranog dijela. • U procesu izrade (npr. lijevanjem) ovako integriranih dijelova imamo bolju mogućnost kontrole kritičnih geometrijskih oblika, nego kod procesa montaže. Ovo obično znači da se ove dimenzije mogu preciznije kontrolirati.
Smanjivanje troškova podrške proizvodnji ‐ 4. korak •
Smanjenjem troškova komponenti i troškova sklapanja, tim također doprinosi i smanjenju zahtjeva koji se stavljaju pred proizvodnu podršku.
•
Na primjer, smanjenjem broja dijelova smanjuju se i zahtjevi koji su vezani za upravljanje zalihama. Smanjenje u broju dijelova koji se sklapaju dovodi do smanjenog broj radnika potrebnih u proizvodnji, a što opet vodi ka umanjenju troškova nadzora i upravljanja ljudskim potencijalima. Korištenje standardiziranih komponenata smanjuje potrebu za inženjerskom podrškom i kontrolom kvalitete.
Provjera grešaka • Jedan od važnih aspekata DFM‐a je da predvidi moguće greške proizvodnog sustava i da omogući poduzimanje odgovarajućih korektivnih aktivnosti u ranoj fazi razvoja procesa. • Jedan tip grešaka dolazi zbog sličnih dijelova koje je vrlo teško razlikovati. Npr. vijci koji se razlikuju samo po koraku navoja (npr. 4x0.70 mm i 4x0.75 mm vijci), njegovom pravcu uvijanja (lijevi ili desni navoj), dijelovi koji su zrcalne slike jedan drugog i dijelovi koji se razlikuju jedino po sastavu materijala. • ove male razlike treba ukloniti ili za slične dijelove naglasiti da su različiti
Dva skoro identična dijela su označena bojom radi izbjegavanja pogreške pri sklapanju
Razmatranje utjecaja odluka proisteklih iz DFM‐ a na druge faktore ‐ 5. korak • Smanjenje proizvodnih troškova nije jedini cilj procesa razvoja određenog proizvoda. Ekonomski uspjeh proizvoda također zavisi od njegove kvalitete, pravodobnosti uvođenja proizvoda na tržište i cijene njegovog razvoja 1. Utjecaj DFM‐a na vrijeme razvoja Vrijeme razvoja može biti dragocjeno. Mora se izvršiti procjena utjecaja odluka koje se donose pri konstruiranju za proizvodnju, kako na vrijeme razvoja tako i na proizvodne troškove. Tako bi ušteda od 1 dolara na usisnoj grani možda donijela godišnju uštedu od milion dolara, ali bi ona višestruko izgubila na vrijednosti ako bi zbog toga došlo do šestomjesečnog odlaganja u plasmanu automobila na tržište.
2. Utjecaj DFM‐a na troškove razvoja uglavnom se pokazalo da tim koji se izraženo bavi niskim troškovima proizvodnje kao integralnim dijelom razvojnog procesa, razvija proizvod u približno istom vremenu i sa približno istim budžetom kao i tim koji to ne čini. Sigurno je da dijelom ova pojava nastaje iz odnosa između dobre prakse upravljanja projektima i ispravne primjene DFM metoda. 3. Utjecaj DFM‐a na kvalitetu proizvoda Nova GM‐ova usisna grana je donijela niže troškove, smanjenu težinu i poboljšane perfomanse motora. Nije neobično da napori učinjeni pri DFM, a koji su prvenstveno fokusirani na smanjenje troškova, također rezultiraju i poboljšanim održavanjem, lakšim rasklapanjem i recikliranjem. Međutim, u nekim slučajevima, nastojanja da se smanje proizvodni troškovi mogu imati štetne posljedice na kvalitetu proizvoda (kao što je pouzdanost i izdržljivost), tako da je preporučljivo da razvojni tim uvijek drži na umu sve dimenzije kvalitete koje su važne za proizvod
4. Utjecaj DFM‐a na vanjske faktore Konstrukcijska rješenja mogu imati implikacije koje prevazilaze odgovornosti jednog razvojnog tima. U ekonomskim terminima, ove implikacije se mogu promatrati kao utjecaj prema vani, odnosni okolini. Dva takva utjecaja su korištenje razvijenih komponenti i u drugim proizvodima i troškovi životnog ciklusa proizvoda.
Rezultati
• • • • •
Ušteda po jedinici proizvoda iznosi 45% Smanjenje težine od 66 % (3,3 kg) Pojednostavljeno sklapanje i servisne procedure Poboljšana emisija plinova Poboljšane perfomanse motora zbog smanjene temperaturne indukcije zraka. • Smanjeni troškovi isporuke zbog lakših komponenti • Povećana standardizacija u programu vozila Za ovaj proizvod, uštede na samim troškovima proizvodnje su iznosile nekoliko milijuna dolara godišnje. I ostale gore navedene koristi su značajne, iako ih je teže iskazati.
