STRESZCZENIE

Projektowanie pod kątem produkowalności (DFM) w przemyśle motoryzacyjnym to kluczowa metoda inżynieryjna polegająca na włączeniu aspektów procesu produkcyjnego bezpośrednio na wczesnych etapach projektowania produktu. W szczególności w odniesieniu do projektowania narzędzi, podejście to ma na celu usprawnienie produkcji, zmniejszenie złożoności i obniżenie kosztów. Dzięki zapewnieniu, że komponent może być wydajnie produkowany od samego początku, DFM pozwala uzyskać wyższą jakość, bardziej niezawodne części samochodowe oraz skrócić czas wprowadzenia produktu na rynek.

Czym jest DFM (Design for Manufacturability) w przemyśle motoryzacyjnym?

Projektowanie pod kątem wytwarzania, często skracane do DFM, to proaktywna praktyka inżynieryjna skoncentrowana na projektowaniu części, komponentów i produktów pod kątem łatwej produkcji. W branży motoryzacyjnej o dużych stawkach, DFM to nie tylko najlepsza praktyka, lecz strategia podstawowa dla sukcesu. Obejmuje ona współpracę między projektantami, inżynierami a ekspertami od produkcji, mającą na celu przewidywanie i minimalizowanie problemów produkcyjnych zanim te pojawią się naprawdę. Główną filozofią jest wyjście poza tworzenie projektu, który po prostu działa, i stworzenie takiego, który można wyprodukować wydajnie, niezawodnie i rentownie.

Ta metodyka integruje wiedzę z zakresu produkcji już na etapie projektowania, stawiając czoła tradycyjnym, odizolowanym procesom pracy, w których projekt jest „przerzucany przez mur” do zespołu produkcyjnego. Uwzględniając od pierwszego dnia takie czynniki jak właściwości materiałów, możliwości narzędzi oraz procesy montażowe, firmy motoryzacyjne mogą zapobiegać kosztownym pracom poprawkowym, opóźnieniom i problemom z jakością. Zgodnie z zasadami przedstawionymi w kompleksowym Przewodniku DFM , to właśnie wcześniejsza integracja umożliwia inżynierom największy wpływ na końcowe koszty i harmonogram produkcji.

Na przykład w projektowaniu matryc samochodowych, prostym zagadnieniem DFM może być dostosowanie promienia zaokrąglenia wspornika metalowego tłoczonego. Projekt z ostrymi wewnętrznymi narożnikami może wyglądać dobrze w modelu CAD, ale jest trudny i kosztowny w wykonaniu matrycy, co prowadzi do wyższych kosztów narzędzi oraz potencjalnych punktów naprężenia w gotowej części. Inżynier stosujący DFM określiłby zaokrąglony narożnik, który można łatwo uzyskać standardowymi narzędziami tnącymi, redukując w ten sposób czas obróbki, przedłużając żywotność narzędzi i poprawiając integralność strukturalną komponentu.

Ostatecznym celem jest wyeliminowanie niepotrzebnej złożoności. Takie podejście zmusza zespoły do kwestionowania wpływu każdej decyzji projektowej na linię produkcyjną. Jak podkreślali liderzy branży, tacy jak Toyota, jeśli wybór konstrukcyjny nie dodaje wartości dla klienta, powinien zostać uproszczony lub usunięty, aby nie wprowadzać dodatkowej złożoności w procesie produkcyjnym. To podejście jest kluczowe w branży, która stoi w obliczu zacieśnionej konkurencji i szybkiej transformacji w kierunku pojazdów elektrycznych (EV), gdzie kluczowe znaczenie mają efektywność i szybkość.

Zasady i cele projektowania dla produkcji w przemyśle motoryzacyjnym

Głównym celem projektowania pod kątem możliwości produkcji (Design for Manufacturability) w przemyśle motoryzacyjnym jest zoptymalizowanie relacji pomiędzy projektem, kosztem, jakością a czasem wprowadzenia produktu na rynek. Poprzez wprowadzenie logiki produkcyjnej już na etapie projektowania firmy mogą uzyskać znaczące korzyści konkurencyjne. Główne cele to minimalizacja kosztów produkcji, poprawa jakości i niezawodności produktu oraz skrócenie cyklu jego rozwoju. Osiąga się je poprzez przestrzeganie kilku kluczowych zasad.

Podstawową zasadą jest uproszczenie projektu . Obejmuje ono zmniejszenie całkowitej liczby części w danym elemencie lub zespole, co jest jednym z najszybszych sposobów obniżenia kosztów. Mniejsza liczba części oznacza mniej materiału, osprzętu, pracy montażowej oraz uproszczone zarządzanie zapasami. Kolejną ważną zasadą jest standaryzacja części, materiałów i cech. Używanie wspólnych komponentów oraz powszechnie dostępnych materiałów upraszcza łańcuch dostaw, redukuje koszty dzięki zakupom hurtowym i zapewnia spójność. Na przykład zaprojektowanie wielu komponentów tak, aby używały tego samego typu elementu łączącego, znacząco usprawnia linię montażową.

Dobór materiałów i procesów jest kolejnym kluczowym filarem. Wybrany materiał musi nie tylko spełniać wymagania funkcjonalne danej części, ale także być kompatybilny z najefektywniejszym procesem wytwarzania. Na przykład część początkowo zaprojektowana do obróbki CNC może zostać przeprojektowana na odlew pod ciśnieniem, jeśli wielkość produkcji jest wystarczająco duża, co prowadzi do niższego kosztu jednostkowego. Jak szczegółowo opisują eksperci z Boothroyd Dewhurst, Inc. , oprogramowanie DFM może pomóc zespołom w modelowaniu tych kompromisów, umożliwiając podejmowanie decyzji opartych na danych. Obejmuje to złagodzenie tolerancji tam, gdzie jest to funkcjonalnie możliwe, ponieważ niepotrzebnie ścisłe tolerancje mogą drastycznie zwiększyć czas obróbki i koszty kontroli jakości.

Aby zilustrować wpływ tych zasad, rozważmy kontrast między częścią zoptymalizowaną pod kątem DFM a niezoptymalizowaną.

Stosując te podstawowe zasady, zespoły inżynieryjne mogą systematycznie eliminować nieefektywności, redukować marnotrawstwo oraz tworzyć bardziej solidne i opłacalne procesy produkcyjne. Nacisk przenosi się z samych tylko rozwiązywania problemów projektowych na tworzenie kompleksowych i łatwych do wytwarzania rozwiązań.

Proces DFM w projektowaniu matryc samochodowych: podejście krok po kroku

Wdrażanie projektowania z myślą o produkcyjności (DFM) w projektowaniu matryc samochodowych nie jest jednorazowym wydarzeniem, lecz procesem iteracyjnym wymagającym współpracy międzyfunkcyjnej. Obejmuje ono systematyczne podejście do analizy, udoskonalania i weryfikacji projektu, aby zapewnić jego pełną optymalizację pod kątem produkcji. Taki ustrukturyzowany przepływ pracy pozwala zespołom na wczesne wykrywanie potencjalnych problemów, gdy zmiany są najmniej kosztowne.

Proces DFM obejmuje zazwyczaj kilka kluczowych etapów:

1. Wstępną koncepcję i analizę wykonalności: Pierwszy krok obejmuje określenie funkcji części, wymagań dotyczących wydajności oraz docelowej ceny. Inżynierowie oceniają różne procesy wytwarzania (np. tłoczenie, odlewanie, kucie), aby określić najbardziej odpowiednie podejście, biorąc pod uwagę wielkość produkcji, wybór materiału oraz złożoność geometryczną.
2. Współpraca zespołowa między działami: DFM to zasadniczo gra zespołowa. Inżynierowie konstruktorzy, inżynierowie produkcji, specjaliści ds. jakości, a nawet dostawcy materiałów muszą współpracować od samego początku. Wczesny udział tych specjalistów zapewnia wykorzystanie różnorodnej wiedzy eksperckiej w fazie projektowania, zapobiegając lukom wiedzy, które mogą prowadzić do problemów w późniejszych etapach. Jak zauważono w Rozwiązania w zakresie produkcji samochodów , ten „duch bliskości” między konstrukcją a produkcją jest kluczowym czynnikiem wyróżniającym wiodących producentów samochodów.
3. Wybór materiału i procesu: Po opracowaniu wykonalnego koncepcji zespół wybiera konkretny materiał oraz proces produkcyjny. W przypadku projektowania matryc oznacza to wybór gatunku stali, który zapewnia odpowiedni kompromis między trwałością a łatwością obróbki, a także zagwarantowanie, że geometria elementu nadaje się do tłoczenia. W przypadku złożonych projektów współpracę ze specjalistycznym producentem może przynieść kluczowe spostrzeżenia. Na przykład, Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. posiada wiedzę ekspercką w zakresie niestandardowych matryc do tłoczenia karoserii samochodowych, wykorzystując zaawansowane symulacje CAE w celu zoptymalizowania przepływu materiału i zapobiegania wadom jeszcze przed przystąpieniem do cięcia metalu.
4. Wytwarzanie prototypów i symulacje: Zanim przejdzie się do kosztownego narzędziarstwa produkcyjnego, zespoły korzystają z oprogramowania do symulacji (np. analiza metody elementów skończonych), aby przewidzieć zachowanie materiału podczas procesu wytwarzania. Pozwala to wykryć potencjalne problemy, takie jak koncentracja naprężeń, zmniejszenie grubości materiału czy odkształcenia sprężyste w elementach tłoczonych. Następnie tworzone są fizyczne prototypy w celu zweryfikowania projektu oraz sprawdzenia pasowania i funkcjonalności podczas montażu.
5. Opinia i iteracja: Wyniki symulacji i prototypów są przekazywane z powrotem do zespołu projektowego. Ten etap to ciągły cykl doskonalenia, w którym projekt jest modyfikowany w celu rozwiązania wszelkich wykrytych problemów. Celem jest iteracyjne dążenie do ostatecznego projektu, który spełnia wszystkie wymagania dotyczące wydajności i jednocześnie pozostaje zoptymalizowany pod kątem produkcji.
6. Ostateczny projekt dla produkcji: Gdy wszyscy interesariusze są pewni produkowalności projektu, końcowe specyfikacje i rysunki są udostępniane do przygotowania narzędzi oraz produkcji seryjnej. Dzięki rygorystycznemu procesowi DFM ostateczny projekt wiąże się ze znacznie mniejszym ryzykiem problemów produkcyjnych, co zapewnia płynniejsze uruchomienie produkcji.

Rzeczywisty wpływ: Studia przypadków DFM w przemyśle motoryzacyjnym

Teoretyczne korzyści z DFM stają się namacalne przy badaniu jego rzeczywistych zastosowań. W całym przemyśle motoryzacyjnym, od małych komponentów po duże panele karoseryjne, stosowanie zasad DFM doprowadziło do znaczących ulepszeń pod względem kosztów, jakości i szybkości produkcji. Te przypadki demonstrują, jak zmiana filozofii projektowania przekłada się bezpośrednio na mierzalne efekty biznesowe.

Przykładem jest producent blokujących klap paliwowych, który borykał się z powtarzającymi się awariami komponentów. Oryginalny projekt, wykonany z aluminium, charakteryzował się niestabilną kurczliwością materiału i problemami z wypełnieniem formy podczas produkcji, co prowadziło do niepewnej jakości części. Jak szczegółowo opisano w studium przypadku opracowanym przez Dynacast , ich zespół inżynieryjny został włączony w celu rozwiązania problemu. Pierwszym krokiem była szczegółowa analiza DFM. Korzystając z oprogramowania do symulacji, stwierdzono, że inny materiał — stop cynku znany jako Zamak 5 — oferuje lepszą wytrzymałość i twardość. Co ważniejsze, zmodyfikowano samy formę do odlewania pod ciśnieniem, zoptymalizowano położenie układu wlewowego i opracowano rozwiązanie wielokomorowe, aby zapewnić jednolity przepływ materiału i integralność elementu. Wynikiem było całkowite wyeliminowanie uszkodzeń elementów, wydłużenie żywotności formy oraz obniżenie ogólnej ceny jednostkowej dla klienta.

Innym powszechnym zastosowaniem DFM jest produkcja paneli karoseryjnych pojazdów. Tradycyjne podejście może obejmować zaprojektowanie skomplikowanego bocznego panelu, który wymaga oddzielnego tłoczenia kilku elementów blachy, a następnie ich spawania. Ten wieloetapowy proces generuje dodatkowe koszty narzędzi, dłuższe czasy cyklu oraz potencjalne miejsca uszkodzeń wzdłuż szwów spawanych. Zespół inżynierów stosujący zasady DFM kwestionowałby takie podejście. Mogliby oni przeprojektować panel jako pojedyncze tłoczenie o większej głębokości. Choć wymaga to bardziej złożonego i wytrzymałego początkowego matrycy, eliminuje to całe procesy wtórne. Taka konsolidacja redukuje pracę montażową, likwiduje potrzebę uchwytów do spawania, poprawia integralność strukturalną panelu i ostatecznie obniża całkowity koszt produkcji na pojazd.

Te przykłady podkreślają wspólny element skutecznego wdrożenia DFM: przechodzenie dalej niż tylko projektowanie części, do zaprojektowania całego systemu produkcyjnego wokół niej. Poprzez uwzględnienie nauki o materiałach, technologii narzędziowej oraz logistyki montażu już na wczesnych etapach projektowania, firmy motoryzacyjne mogą rozwiązywać złożone wyzwania produkcyjne, napędzać innowacje oraz budować bardziej odporny i wydajny ekosystem produkcji.

Napędzanie przyszłości produkcji motoryzacyjnej

Projektowanie pod kątem produkowalności (DFM) to więcej niż tylko sposób obniżania kosztów; jest to strategiczna konieczność w funkcjonowaniu na przyszłość branży motoryzacyjnej. W miarę jak pojazdy stają się coraz bardziej złożone dzięki elektryfikacji, systemom autonomicznym i technologiom łączności, umiejętność upraszczania produkcji staje się kluczową przewagą konkurencyjną. DFM dostarcza ram umożliwiających zarządzanie tą złożonością, zapewniając, że innowacyjne projekty są nie tylko możliwe do wyobrażenia, ale także do seryjnej produkcji i to przy konkurencyjnym koszcie.

Zasady DFM — upraszczanie, standaryzacja i wczesna współpraca — są wieczne, ale ich zastosowanie rozwija się wraz z technologią. Rosnąca rola narzędzi cyfrowych, takich jak zaawansowane oprogramowanie do symulacji czy analizy wspomaganej przez sztuczną inteligencję, pozwala inżynierom na szybsze i dokładniejsze wykrywanie oraz rozwiązywanie problemów związanych z możliwością produkcji. Te technologie umożliwiają bardziej przewidywalne, a mniej reaktywne podejście do rozwoju produktu, skracając cykle projektowania i przyspieszając wprowadzanie produktów na rynek.

Ostatecznie przyjęcie kultury DFM pozwala firmom motoryzacyjnym oferować wyroby o wyższej jakości w sposób bardziej efektywny. Tworzy ona środowisko ciągłego doskonalenia, w którym projektowanie i produkcja nie są odrębnymi funkcjami, lecz zintegrowanymi partnerami innowacji. Dla każdego producenta motoryzacyjnego, który chce rozwijać się w erze szybkich zmian, opanowanie sztuki i nauki projektowania pod kątem możliwości produkcji (Design for Manufacturability) jest kluczowe na drodze naprzód.

Często zadawane pytania dotyczące DFM w motoryzacji

1. Jaka jest procedura projektowania pod kątem możliwości produkcji (DFM)?

Proces projektowania pod kątem możliwości produkcji (DFM) polega na projektowaniu części i produktów z naciskiem na łatwość ich wytwarzania. Celem jest stworzenie lepszego produktu przy niższym koszcie poprzez uproszczenie, optymalizację i dopracowanie projektu. Osiąga się to zazwyczaj dzięki współpracy między działami projektantów, inżynierów oraz personelu produkcyjnego już we wczesnym etapie cyklu rozwoju produktu.

2. Jaki jest przykład DFM – projektowania pod kątem produkcji?

Klasycznym przykładem DFM jest zaprojektowanie produktu ze składanymi elementami zaciskowymi zamiast stosowania śrub lub innych łączników. To upraszcza proces montażu, zmniejsza liczbę potrzebnych części, obniża koszty materiałów oraz skraca czas i pracę niezbędną do montażu. Innym przykładem z branży motoryzacyjnej jest modyfikacja komponentu tak, by był symetryczny, co eliminuje potrzebę osobnych części lewej i prawej strony oraz upraszcza zarządzanie zapasami i montaż.

3. Jaki jest główny cel projektowania pod kątem produkcji (DFM) w projektowaniu produktu?

Głównym celem DFM jest zminimalizowanie całkowitych kosztów produkcji przy jednoczesnym utrzymaniu lub poprawie jakości produktu oraz zapewnieniu, że projekt spełnia wszystkie wymagania funkcjonalne. Celami wtórnymi jest skrócenie czasu wprowadzenia produktu na rynek poprzez ograniczenie opóźnień produkcyjnych i zoptymalizowanie procesu montażu.

4. Która czynność projektowa należy do metodologii projektowania pod kątem produkcji (DFM)?

Kluczową czynnością projektową w ramach metodologii DFM jest analiza i uproszczenie geometrii elementu. Obejmuje ona działania takie jak stosowanie jednolitej grubości ścianek w częściach formowanych, dodawanie pochyleń wykroju ułatwiających wyjęcie z formy, zwiększanie promieni zaokrągleń naroży w celu ułatwienia obróbki, oraz unikanie elementów będących lustrzanym odbiciem, aby zmniejszyć złożoność i koszty narzędzi.