Navrhování a hodnocení technického produktu z hlediska vlastností KKS/DFX

Transkript

1 Katedra konstruování strojů Navrhování a hodnocení technického produktu z hlediska vlastností KKS/DFX Podklady k přednášce Kapitola 4, část 4.4 Prof. Ing. Stanislav Hosnedl, CSc. g_dfx/ Plzeň, 2016

2 Systémové navrhování technických produktů KKS/ZKM Poznatky DfX&PoX pro Product-Design (P-D) reflektované vlastnosti TS PRO ÚPLNOST K INFORMACI POTŘEBNÉ DŮLEŽITÉ Příloha Design for X (DfX) a Prediction of X (PoX) 03 - k ost. technickým systémům (TS) a k technologiím (Tg) (ve všech etapách. živ. cyklu TS s výj. provozu vč. přísluš. akt.&prostř) z hledisek montáže Pouze (bude ještě k informaci jazykově a a využití graficky!!! upraveno) Zdroj: [Andreasen 1988] ANDREASEN, M. M., KÄHLER, S., LUND, T.: Design for Assembly. Berlin/Heidelberg: IFS Publ. and Springer-Verlag, 1988, ISBN [Andreasen 2000] Andreasen, M. M., Hein, L.: Integrated Product Development. Berlin/Heidelberg: IFS Publ. and Springer-Verlag, 1987, ISBN , 2. vyd. Kopenhagen, TU Denmark,

3 B. Poznatky PoX&DfX pro Product-Design (P-D) vlastnosti TS 3.2 Podtřída PoX & DfX k ost. TS & Tg. při výrobě Design for Assembly - DfA [Andreasen 1988] ANDREASEN, M. M., KÄHLER, S., LUND, T.: Design for Assembly. Berlin/Heidelberg: IFS Publ. and Springer-Verlag, 1988, ISBN S. Hosnedl 4

4 - Design for Assembly - DfA 1. Racionalizace montáže 1.1 Konstrukční racionalizace 1.2 Výrobně orientovaná racionalizace 2. Kdy lze konstruování z hlediska montáže využít? 2.1 Varianty realizační strategie 3. Co je optimálním výsledkem? 4. Tři oblasti uplatnění [Andreasen 1988] 5

5 - Design for Assembly - DfA 1. Racionalizace montáže (A): Racionalizace montáže může být použita v mnoha oblastech, nejen v procesu výroby, ale také podle rozhodnutí konstruktéra může téměř kompletně určit montáž ve fázi konstrukčního návrhu. Zde je uveden klíč k úplné racionalizaci. Na racionalizace je proto třeba pohlížet jako na celek, jinými slovy jako na optimalizaci celého produktu a výrobního systému. Následující Odstavec 3 se zabývá některými z mnoha faktorů, které jsou součástí této komplexní optimalizace. Důraz musí být kladen na následující čtyři hlavní cíle: zlepšení efektivity montáže - tj. zvýšení produktivity s ohledem na pracovní sílu a investiční zdroje. zlepšení jakosti produktu - tj. zvýšení hodnoty produktu z pohledu kupujícího s ohledem na cenu produktu. zlepšení ziskovosti montážního systému- tj. zlepšení využití vybavení. zlepšení pracovního prostředí v rámci montážního systému. 6

6 - Design for Assembly - DfA 1. Racionalizace montáže (B): Výrobní systémy jsou normálně konzervativní, tzn. neflexibilní: - změny produktu nebo systému způsobují předvídatelné a nepředvídatelné problémy, a proto bychom se jim měli vyhnout. Na reorganizaci výroby by se nemělo nahlížet jako na definitivní: - ale měla by být propojena v celkové racionalizaci použitím čtyř výše zmíněných cílů. 7

7 - Design for Assembly - DfA 1.1 Konstrukční racionalizace Konstruktér určuje konstrukční strukturu produktu, tj. součásti konstrukce a způsob, kterým jsou tyto součásti spojeny (montáž) jako doplnění k rozhodujícímu návrhu součástí. Toto běžně vede k poměrně přesnému výrobnímu procesu a podobně přesnému procesu montáže. Jestliže konstruktér navrhne alternativní výrobní a konstrukční strukturu, počet a typ procesů a montáže se změní; jestliže navrhne jinou součást, stále budou muset být použity další procesy a montážní metody, viz následující. Nejzásadnější při vylepšení konstrukce je výběr a návrh možností produktu, díky kterým může být určitá montáž odstraněna nebo výrazně zjednodušena, jinými slovy: Montáž může být racionalizována především takovou změnou produktu, kdy se stane zbytečnou nebo alespoň snadněji proveditelnou. 8

8 - Design for Assembly - DfA Alternativa 1: Montážní proces: Levá konzola umístěna Levý šroub smontován Osa smontována do levé konzoly Rameno přimontováno Levý pojistný kroužek smontován Levá konzola připojena k ramenu P. pojist kroužek smontován P. šroub vložen P. konzola vyrovnána P. šroub utažen 9

9 - Design for Assembly - DfA Alternativa 2: Montážní proces: Umístění upínky Umístění upínky Montáž levého šroubu Montáž levého těsnění Montáž pravého šroubu Montáž pravého těsnění Montáž ramena 10

10 - Design for Assembly - DfA 1.2 Výrobně orientovaná racionalizace Předpokládejme výchozí bod ve výrobním aparátu, zejména v montážním systému, pak jsou příležitosti pro racionalizaci ve využití optimálního montážního systému. Při navrhování produktu konstruktér rozhoduje, který typ montážního systému je vhodný vedle určení, jak bude systém fungovat pomocí specifikace kvality součásti. Zároveň s těmito úkoly rozhodne o základech montážní mechanizace a automatizace, které určují produkty, které mohou být montovány pomocí daného montážního vybavení. Toto blíže vyšetříme. Na produkt nemůže být nahlíženo samostatně, pokud mluvíme o problematice montáže. Produkt je rozdělen do několika variant; určité podsystémy produktu se mohou objevit v jiných produktech a určité součásti mohou být použity v různých podsystémech nebo mohou být vyráběny kvůli technologickým podobnostem s dalšími součástmi. Tedy, technika konstruování pro snazší montáž DfA může být nazývána procesem dosažení aplikace jednotlivého produktu do dobře strukturovaného produktu, stavebního prvku a programu součásti platformy. 11

11 - Design for Assembly - DfA 2 Kdy lze konstruování z hlediska montáže využít? Odpověď zní ne vždy". Konstruktér se běžně zaměří v první řadě na získání funkčního produktu v mezích daných ekonomických omezení. Čas je luxus; následkem toho je, že nejdůležitější aktivita v konečné fázi konstrukčního návrhu je dostat detailní produkt, aby mohl být ve výrobě co nejdříve, jinými slovy dokončení výkresu. Úvahy o montáži se snadno stanou druhořadou částí rozsáhlého hektického procesu konstrukčního návrhu - důsledkem je neoptimální produkt z pohledu montáže. 12

12 - Design for Assembly - DfA 2.1 Varianty realizační strategie (A): Hotový prodávaný produkt je pozvednut z hlediska kvality prostřednictvím mimořádného úsilí zaměřeného na montáž, třebaže se budeme snažit výhodně zavést zkušenosti načerpané z dřívějšího úsilí. Proto jsou stupně volnosti při konstruování v montážním úsilí omezeně použitelné. Jak bychom měli vidět v dalších kapitolách, tvorba takovýchto stupňů volnosti hraje důležitou roli při dosažení dobrých výsledků montáže. Alternativní lepší, ale zřídka užívaný způsob činnosti je přidat větší význam zvažování montáže v počáteční fázi konstrukčního návrhu, aby byla konečná konstrukční struktura produktu vhodná pro optimální montážní proces. Takový proces bude vyžadovat souběžný vývoj produktu a výrobního systému, se zvláštním důrazem na montážní systém, za vzniku tak zvaného integrovaného vývoje produktu". Zatímco by mělo být možné počítat s montáží během běžného konstrukčního navrhování, tento úkol je extrémně komplexní a vyžaduje buď aby si konstruktér mimořádně uvědomoval problémy montáže, nebo aby měl konstrukční tým členy s konkrétními znalostmi této oblasti. 13

13 - Design for Assembly - DfA 2.1 Varianty realizační strategie (B): Konstruování z hlediska montáže vyžaduje odborné znalosti z oblastí: Spojovací metody a procesy Souvislosti mezi stavební/konstrukční strukturou produktu a montážním procesem Souvislosti mezi stavební/konstrukční strukturou produktu a typem & kvalitou montážních systémů 14

14 - Design for Assembly - DfA 3 Optimální výsledek (A): Můžeme se potýkat s problémem, že zákazník není připraven platit za montáž. Montáž je pouze způsob dosažení celistvosti produktu, nepřispívá prodejní kvalitě. Z tohoto úhlu pohledu je zřejmé, že kritéria nezbytná pro optimální montáž (tj. nízké náklady na výrobu a montáž) se musí přizpůsobit přípustným nejvyšším nákladům. Tato žádoucí kritéria by neměla nepříznivě ovlivnit další vlastnosti produktu jako průmyslovou vyspělost, design, životnost, funkčnost, atd. Důkladná racionalizace montáže, která začíná ve změnách konstrukčního návrhu může mít mnohem větší důsledky, zvláště rozsáhlou hodnotu pro firmu, jak je naznačeno dále. Uvedené body mohou být považovány za zásadní kritéria při rozhodování montážní technologie a ukazují, že se kritéria velmi liší: Technologická kritéria Finanční kritéria Organizační kritéria Personální kritéria 15

15 - Design for Assembly - DfA 3 Optimální výsledek (B): Přehled pozitivních aspektů mechanizace & automatizace, které mohou hrát roli při firemním hodnocení realizace jejich projektu. 16

16 - Design for Assembly - DfA 3 Optimální výsledek (C): To ukazuje, že montážní systém je částí nebo je těsně spojen s výrobním systémem, organizací firmy, ekonomickým managementem a personálem, včetně individuální lidské obsluhy/montéra. Konstruktérovým úkolem je vybrat, upřesnit a vyvinout montážní metody (expressed in the product's constructional structure), které podporují zlepšení následujících nadřazených kritérií: Stálá vysoká kvalita produktu Vysoká produktivita Vysoká ziskovost Dobré pracovní prostředí Za tato zlepšení je přirozeně především zodpovědný produktový manažer, který navrhuje a vyvíjí montážní vybavení, zatímco produktový konstruktér rozhoduje o základní proveditelnosti a technické úrovni racionalizace montáže. 17

17 - Design for Assembly - DfA 4 Tři oblasti uplatnění DfA Konstruktivní aplikace s ohledem na racionalizaci montáže může být použita ve třech oblastech nebo na třech úrovních: Sortiment produktu Produkt (konstrukční struktura, montážní celky) Součásti Taková aplikace, ať už se jedná čistě o přepracování produktu nebo o nový konstrukční návrh, může nastat v následujících krocích: Vytvoření konstrukčních stupňů volnosti tak, aby mohly být vytvořeny alternativy obsahující dobré, na montáž orientované charakteristiky. Aplikace principů konstruování pro snazší montáž - DfA, zejména eliminace a druhotně principy vylepšení. 18

18 DfA - Kritéria optimální montáže TRVALE VYSOKÁ KVALITA PRODUKTU VYSOKÁ PRODUKTIVITA VYSOKÁ ZISKOVOST KVALITNÍ PRACOVNÍ PROSTŘEDÍ 19

19 DfA Kritéria optimální montáže Optimální stavební struktura produktu z hled. montáže Spolehlivý montážní systém Stejnorodost komponent Spolehlivá montáž Konstrukce komponent vhodná pro montáž Struktura produktu vhodná pro montáž Sortiment produktů vhodný pro montáž Motivace pracovníků Kvalitní montážní zařízení Vysoké požadavky na kvalitu Třídění Stejnorodost montážních skupin/celků Montáž s minimem chyb Vhodnost pro spolehlivé kontroly Vhodnost pro spolehlivé odstranění vad TRVALE VYSOKÁ KVALITA PRODUKTU 20

20 DfA Kritéria optimální montáže Spolehlivost obsluhy Velká kapacita Krátký montážní čas Vysoká využitelnost Málo krátkých rušivých zastavení VYSOKÁ PRODUKTIVITA Málo pracovníků Nenáročnost na pracovní úsilí Motivující úkoly Velké série mezi přechody na nový druh Mechanické zařízení Kombinované operace Souběžná montáž Jednoduchá, rychlá montáž Minimální nebo žádná montáž Flexibilita zařízení/vybavení Rovnoměrnost struktury produktu Rovnoměrnost komponent Flexibilita k variabilitě komponent Malá variabilnost komponent Vysoká spolehlivost systému Velké vyrovnávací prostory ( buffery ) 21

21 DfA Kritéria optimální montáže VYSOKÁ PRODUKTIVITA Velké serie ve shodném zařízení Velké výrobní dávky Malé náklady na přestavení Malé požadavky na náklady Málo variant Přestavitelné zařízení Opakovaně využitelné zařízení Automatizované speciální zařízení Automatizované standardní zařízení Mechanizované zařízení Ruční montáž Flexibilní zařízení Adaptivní zařízení Bez montáže Automatizované standardní zařízení Automatizované speciální zařízení Bez mechanizovaného zařízení VYSOKÁ ZISKOVOST 22

22 DfA Kritéria optimální montáže FAKTORY VYSOKÉ PRODUKTIVITY Faktory spolehlivosti obsluhy Málo pracovníků Nenáročnost na pracovní úsilí Motivující úkoly Minimalizace chyb lidského faktoru Automatizace Vyloučení nebezpečných montážních operací KVALITNÍ PRACOVNÍ PROSTŘEDÍ 23

23 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.1 Montáž vyžaduje řízení kvality 1.2 Automatická montáž vyžaduje podstatné zvýšení kvality 1.3 Montáž je (také) problém managementu 1.4 Konstruování z hledisek mechanizované montáže 1.5 Konstruování z hledisek automatické montáže 1.6 Konstruování z hledisek pružné automatické montáže 1.7 Mechanizovaná montáž má mnoho dobrých vlastností 1.8 Eliminuj montáž 1.9 Konstruuj pro standardní zařízení 1.10 Konstruuj pro speciální zařízení 1.11 Vyhýbej se variantám 1.12 Dociluj stejnorodost variant v montáži 1.13 Automatizace může přinést zlepšení pracovního prostředí 1.14 Vyhýbej se nebezpečným montážním operacím 24

24 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.1 Montáž vyžaduje řízení kvality Soustružený dřevěný kotouč je přilepen na láhev na obrázku, do kterého je upnuta sklenice vína vyrobená z bronzu. Touha zavést automatizaci musela být odložena, kvůli velké nepravidelnosti dřevěných kotoučů, nedostatku, který nemá efekt při manuální montáži. 25

25 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.1 Montáž vyžaduje řízení kvality Telefon na mince firmy GNT Automatic jsou vytvořeny z montážních celků, které mohou být montovány paralelně a kontrolovány z hlediska kvality jednotlivě před konečnou fází montáže. 26

26 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.2 Automatická montáž vyžaduje podstatné zvýšení kvality Šířka tolerancí pro různé způsoby montáže. Povšimněme si, že automatická montáž vyžaduje úzké tolerance. 27

27 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.2 Automatická montáž vyžaduje podstatné zvýšení kvality Funkční tolerance ± 0.2 Tolerance kvůli montážnímu vybavení ± 0.1 Tento plastový prstenec používaný v EKG elektrodách vyžaduje jen volné tolerance, aby fungoval dle požadavků pro elektrodu. Ale užší tolerance na prstenec jsou požadovány s ohledem na montážní vybavení, konkrétně podávací a manipulující zařízení. 28

28 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.3 Montáž je (také) problém managementu Transformace směrem k racionálnější montáži, ať už mechanizované, poloautomatické nebo plně automatické montáži je aktivitou, která může být optimálně dosažená pouze prostřednictvím uceleného úsilí, tj. úsilí v oblastech plánování produktu, designu, kontroly kvality, přípravy a výroby. 29

29 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.4 Konstruování z hlediska mechanizované montáže Dvě platinová vlákna jsou svařena v automatu (Fa. Microtechnik), testuje se pevnost spojení a vlákna jsou položena do ohnuté křemenné tuby (24 spojů/min). Bylo by téměř nemožné vyrobit tento produkt v jednotné kvalitě bez mechanizace. 30

30 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.5 Konstruování z hlediska automatické montáže Dvě varianty EKG elektrod. Varianta B je navržena pro automatickou montáž. (Design elektrody a výrobního aparátu: IPU for S&W). 31

31 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.6 Konstruování z hlediska pružné automatické montáže Silnoproudý spínač ve čtyřech variantách (LK-NES). Tyto 4 jsou montovány ve stejném automatickém montážním stroji. 32

32 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.6 Konstruování z hlediska pružné automatické montáže Měřící přístroje do automobilů mohou být uvedeny jako příklad produktu, který je navržen pro pružnou automatickou montáž. Jsou vyráběny firmou Nippondenso Co. Ltd. v Japonsku, až za měsíc a ve zhruba 150 variantách. Přístroje, které fungují na stejném principu se používají jako měřiče spotřeby paliva, teploměry a měřidla tlaku oleje v různých modelech aut. Díky návrhu pro flexibilní automatickou montáž bylo možné standardizovat jednotlivé součásti tak, že všechny varianty mohly být smontovány automaticky. Každý typ součásti se nyní vyrábí maximálně ve 4 variantách, naproti 20 před standardizací. Matematicky je možné vyrobit 288 různých měřících přístrojů použitím vybraných součástí, avšak v praxi se používá jen 150. Montážní systém pro tyto přístroje je navržen formou řady jednotlivých stanovišť se skladem (dopravníkový pás zásobující pro max. 40 jednotek) mezi každým stanovištěm. 34

33 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.6 Konstruování z hlediska pružné automatické montáže 35

34 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.7 Mechanizovaná montáž má mnoho dobrých vlastností Ruční montáž piána (Yamaha). Takovou montážní operaci by bylo pravděpodobně nemožné automatizovat. 36

35 1.8 Eliminuj montáž Tento rám motoru v blízkosti elektroměru firmy LK-NES je sestaven z děrovaných a ohnutých kovových plátů, které jsou svařeny a nakonec povrchově ošetřeny (vlevo). V alternativním návrhu jsou funkční povrchy získány použitím tlakového lisování zinkové slitiny (vpravo). 37

36 3.2 Podtřída PoX & DfX k ost. TS & Tg. při výrobě DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.9 Konstruuj pro standardní zařízení Zobrazené komponenty jsou smontovány za 2.3 sekundy. Automat pro montáž potenciometrů zkonstruovaný ze standardních elektrických a pneumatických komponent firmy Microtechnik [Andreasen 1988] 38

37 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.10 Konstruuj pro speciální zařízení V dnešní době, kdy požadavky na funkce standardních zařízení stále rostou, mizí jasná hranice mezi standardním a speciálním zařízením. Tento disk pro diodové ladění se odlévá jako celistvý ocelový pás, až potom se ohýbá, aby se mohla zapojit soukolí. 39

38 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.11 Vyhýbej se variantám Vztah mezi sortimentem produktů a strukturou montáže. 40

39 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.12 Dociluj stejnorodost montážních variant Tyto tvarovky pro vzduchové hadice jsou typickým příkladem principu Bylo dosaženo montáže dvou variant (pro průměry hadic 3mm a 4mm) na stejném montážním vybavení bez úprav. Toto je výsledek vybraného návrhu. (Festo Pneumatics). 41

40 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.12 Dociluj stejnorodost montážních variant GNT Automatics telefon na mince je kompletován na černé spodní části, která obsahuje všechny funkční jednotky. Zákaznické varianty ve formě barvy a textu hrají roli při montáži horní části. 42

41 DfA OBECNÉ PRINCIPY 1.12 Dociluj stejnorodost montážních variant Tato rodina zvířátek od firmy Lego je montována na stejném montážním vybavení. Části těla jsou jednotné, ale liší se podle barev. Hlavy se nasazují manuálně v montážním upínacím přípravku zatímco zbytek montáže je plně automatizován. 43

42 3.2 DfX & PoX k ost. TS & Tg z hledisek montáže POTŘEBNÉ LITERATURA [Eder&Hosnedl 2008] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Design Engineering, A Manual for Enhanced Creativity. CRC Press, Taylor & Franciss Group, Boca Raton, Florida USA 2008, 600 s., ISBN [Hosnedl 2012] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hosnedl&al 2012] Hosnedl, S., Dvořák J. a Kopecký M.: Konstrukční a designérský návrh nemocničního lůžka pro intenzivní péči Case study. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hubka 1995] Hubka, V.: Konstrukční nauka, z Engineering Design (Zürich: Heurista, 1992) přel. Hosnedl, S. 2. přeprac. a dopl. vyd. Zürich: Heurista, s. ISBN [Hubka&Eder 1988] Hubka, V., Eder, W.E: Theory of Technical Systems. Berlin Heidelberg: Springer - Verlag, 1988, (2. vyd. něm. 1984) ISBN [Hubka&Eder 1996] Hubka,V., Eder, W.E.: Design Science. London, Springer,1996, ISBN [ČSN-EN-ISO-9001 (2009) 2010] ČSN EN ISO 9001 (idt ISO 9000: Czech version of the European Standard EN ISO 9000:2008): Systémy managementu kvality Požadavky (Quality management systems Requirements). Praha: Český normalizační institut (2009), 2010 Poznámka: - Případná další speciální zde neuvedená literatura viz [Hosnedl 2012] S. Hosnedl 44

43 Děkuji Vám za pozornost Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Inovace výuky podpořená praxí.