Streszczenie
W artykule zaprezentowano potencjalne ryzyka moĪliwe do wystąpienia podczas projektowania produktu dla branĪy motoryzacyjnej imające wpływ na jakoĞü i nieza-wodnoĞü wyrobu finalnego. Ponadto w pracy okreĞlono stopieĔ, w jakim opisane ryzyka wpływają na proces projektowania oraz przedstawiono sposobów ich minima-lizacji.
Słowa kluczowe: niezawodnoĞü systemów, projektowanie produktu, planowanie eksperymentów, zarządzanie jakoĞcią
Wprowadzenie
Proces projektowania komponentów dla branĪy samochodowej został przekazany do realizacji zewnĊtrznym firmom w ramach outsourcingu przez wiĊkszoĞü marek samochodowych [7, 10]. Wyłoniło siĊ wiele globalnych firm dostarczających podzespoły bezpoĞrednio przeznaczone do montaĪu [4]. Projekty dla branĪy motoryzacyjnej realizowane są w oparciu o sprecyzowane specy-fikacje produktowe. Dokumenty te zawierają plany walidacyjne, procedury oraz instrukcje jak naleĪy przeprowadziü test w przypadku niestandardowych wymagaĔ [13].
Obecnie coraz szybciej wchodzą na rynek nowoczesne technologie, co związane jest z unormo-waniami prawnymi dotyczącymi kontroli emisji szkodliwych związków do atmosfery, jaki i zapotrzebowaniem konsumentów [1]. Taka sytuacja wymusza na dostawcach podzespołów ko-niecznoĞü szybkiego działania na płaszczyĨnie projektowania i przygotowania do produkcji [8]. Wszelkie przyspieszenie prac nad innowacyjnymi rozwiązaniami dla branĪy samochodów osobo-wych wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na etapie projektowania na aspekty jakoĞciowe i niezawodnoĞciowe [11].
Aby wyjĞü naprzeciw wymaganiom klientów oraz ciągle podnosiü jakoĞü oferowanych produk-tów organizacje coraz czĊĞciej decydują siĊ na wdraĪanie technik prewencyjnych na etapie projektowania. W niniejszej pracy przedstawiono podejĞcia oraz narzĊdzia wspomagające analizĊ i badania niezawodnoĞci komponentów, a takĪe sposoby wykorzystania tych narzĊdzi. Ponadto przeanalizowano, jakie narzĊdzia te mają wpływ na proces projektowania.
1. Działania projektowe na etapie rozwoju produktu
Grupa BadaĔ i Rozwoju (ang. research and development – R&D) w branĪy motoryzacyjnej czĊsto jest podzielona na podgrupy (fazy): wczesne projektowanie (ang. Advanced Development Process – ADP) oraz rozwój technologii (ang. Technology Development Process – TDP). Celem projektów TDP jest zbadanie, rozwój i demonstracja nowych technologii. Jest to proces zbliĪony do ogólniej ĞcieĪki rozwoju R&D [6]. Jak pokazano na rysunku 1 technologia, która została
prawi-inĪynierowie rozpoczynają juĪ rozwaĪania o sposobnoĞci seryjnej produkcji. Rysunek 1 przedstawia schemat rozwoju nowatorskich rozwiązaĔ [14]. W trakcie faz TDP oraz ADP udział potencjalnych klientów w tworzeniu specyfikacji jest znikomy, dopiero w momencie pozyskania odbiorcy zespół projektowy rozpoczyna prace z uwzglĊdnieniem szczegółowych wymagaĔ specyfikacji technicznej. Do tego momentu specyfikacja była tworzona przez projektantów, bez uwzglĊdnienia głosu klienta (ang. Voice of Customer – VoC). Gdy klient zostanie pozyskany prace przechodzą do fazy PDP (ang. Product Development Process), gdzie kluczowym dokumentem wejĞciowym są szczególne wymagania klienta CSR (ang. Customer Specific Requirements).
Rysunek 1. Schemat rozwoju myĞli technicznej ħródło: [14].
KaĪdy z etapów projektu ma swoje podetapy składające siĊ na bramki, które są oceniane w trak-cie realizacji harmonogramu. Metodyka działaĔ pomiĊdzy ADP oraz PDP jest zbliĪona, głównymi róĪnicami jest czas poĞwiĊcony na poszczególne etapy i szczegółowoĞü przeprowadzenia niektórych kroków. W pracy z wymaganiami klienta wiĊcej czasu poĞwiĊca siĊ ich analizie oraz weryfikacji produktu za pomocą przyspieszonych testów starzeniowych. Tymczasem czĊsto ĞcieĪka ADP jest ukierunkowana na pozyskanie nowego produktu i/lub procesu do portfolio firmy [9]. ĝcieĪka ta nie jest nigdy uwaĪana za zakoĔczoną bez walidacji i potwierdzenia, Īe produkt nadaje siĊ do wdroĪenia na rynek, a tym samym testy wytrzymałoĞciowe i niezawodnoĞciowe są wymagane juĪ na tym eta-pie. ĝcieĪka PDP skupiona jest na zaaplikowaniu nowego produktu i/lub procesu do specyficznych wymagaĔ klienta. Po pozytywnie zakoĔczonej walidacji nastĊpuje przekazanie projektu do fabryki [5].
2. Modelowanie matematyczne i symulacja
Metody analizy matematycznej oraz metody symulacyjne są jednymi z najszybciej rozwijają-cych siĊ aspektów projektowania dla niezawodnoĞci. Z dokumentacji DFMEA wynika czĊsto wiele kwestii spornych bądĨ wymagających opracowania i szerszych działaĔ inĪynierskich, które mogą byü przeprowadzone na płaszczyĨnie wirtualnej, za pomocą modeli matematycznych.
2.1. Aparat matematyczny
Do kroków projektowych w grupie ADP naleĪy opracowanie koncepcji analitycznych ADC. Polega ona na stworzeniu modeli matematycznych elementów projektowanego komponentu. Modele te pozwalają w sposób analityczny okreĞliü zakres moĪliwych rozwiązaĔ, co pozwala z kolei zbudowaü pierwsze prototypy spełniające zadaną przez klienta funkcjonalnoĞü. Ewentualne póĨ-niejsze zmiany moĪna bĊdzie sprawdziü w pierwszej kolejnoĞci na modelu analitycznym, aby otrzymaü obraz, w którym kierunku zmienią siĊ parametry modelu fizycznego. Do stworzenia pod-stawowych modeli matematycznych nie jest potrzebne zaawansowane oprogramowanie jak np. Mathcad lub pokrewne, a jedynie arkusz kalkulacyjny MS Excel. Modele tworzy siĊ, aby opisaü zachowania modelowanego obiektu (np. zmiany stanu, zmiany wielkoĞci wyjĞciowych) w funkcji czynników wpływających jak na przykład wartoĞci wejĞciowe i czas. Pozwala to na przewidzenie zachowaĔ obiektu przy zmianach wartoĞci wejĞciowych, dziĊki czemu moĪemy badaü, analizowaü i projektowaü obiekty opierając siĊ tylko na ich opisie matematycznym. JednakĪe badania takie mają swoje ograniczenia. W modelu ograniczamy iloĞü wejĞü do tych, których wpływ na zachowanie siĊ obiektu jest znaczący. Zbudowanie modelu wiernie odzwierciedlającego zachowanie obiektu rze-czywistego jest wrĊcz niemoĪliwe. Modele uwzglĊdniają równieĪ czynniki wejĞciowe w okreĞlonym zakresie zmiennoĞci – szerokie spektrum zmian jest trudne do zaimplementowania [12].
2.2. Metody elementów skoĔczonych
Metody elementów skoĔczonych (MES lub ang. Final Element Analysis – FEA) są zaawanso-wanymi metodami rozwiązywania zagadnieĔ inĪynierskich. SłuĪą symulowaniu zjawisk fizycznych, badaniu wytrzymałoĞci konstrukcji, przepływu ciepła i wielu innych zjawisk. Jednak jak kaĪda metoda równieĪ i ta wprowadza róĪnego rodzaju błĊdy obliczeniowe [3]:
− błąd modelowania (model matematyczny nie odzwierciedla rzeczywistoĞci ze wzglĊdu na uproszczenia),
− błąd wartoĞci współczynników (przyjĊte dane materiałowe obarczone są błĊdem), − błąd odwzorowania obszaru,
− błąd numeryczny (błąd dyskretyzacji), − błąd zaokrągleĔ.
PowyĪsze błĊdy mogłyby wskazywaü na fakt, iĪ dokładnoĞü obliczeĔ moĪe byü nikła, jednak metody CAE (ang. Computer Aided Engineering) są stosowane szeroko i z powodzeniem. UĪycie Metod Elementów SkoĔczonych (MES) do konkretnego zadania inĪynierskiego składa siĊ z dwóch podstawowych procesów:
− stworzenia modelu trójwymiarowego w programie CAD (ang. Computer Aided Design), − rozwiązania konkretnego zadania na modelu trójwymiarowego (ang. 3 Dimensional – 3D). Modele trójwymiarowe (3D), aby dały siĊ zastosowaü do analiz MES muszą zostaü w odpo-wiedni sposób obrobione, tj. przygotowane do załoĪenia siatki elementów skoĔczonych. W tym celu naleĪy uproĞciü model niwelując wszelkie szczegóły jak na przykład zaokrąglenia i nieistotne z punktu widzenia analizy szczegóły konstrukcyjne. Przykład przedstawia rysunek 2.
Rysunek 2. Model 3D przed (z lewej) i po przygotowaniach (z prawej) do analizy MES Takie przygotowanie znacznie ułatwia implementacjĊ siatki elementów skoĔczonych i skraca czas przeprowadzania symulacji. Siatka elementów skoĔczonych jest zagĊszczona w okolicach szczegółów konstrukcyjnych (rys. 3), co znacznie wydłuĪa proces obliczeĔ.
Rysunek 3. Siatka elementów skoĔczonych na uproszczonym modelu
Przygotowanie modelu do symulacji jest zaledwie procesem początkowym, a po nim nastĊpuje symulacja właĞciwa. Przygotowując analizĊ moĪemy zadaü własnoĞci materiałowe pochodzące od producenta samego materiału lub przeprowadziü badania materiałowe na potrzeby symulacji we-wnątrz organizacji, budując w ten sposób bazĊ danych materiałów. Jest to jeden z aspektów jakoĞciowych w zastosowaniu MES do projektowania. Zastosowanie wartoĞci wyĪszych, z margi-nesem bezpieczeĔstwa nie sprzyja jednak optymalizacji. Przez zastosowanie zbyt wysokich wartoĞci dla własnoĞci materiałowych konstrukcja moĪe nie spełniaü wymagaĔ jak jest na przykład w przy-padku symulacji przepływu. Nadając zbyt wysokie współczynniki restrykcji przepływu przez złoĪe powstaje moĪliwoĞü, Īe opory całego układu zbadane za pomocą MES bĊdą wyĪsze od wymaga-nych. Przyczyną zbyt wysokich restrykcji nie bĊdzie tu budowa układu, a zbyt duĪa wartoĞü przyjĊtych współczynników. Tymczasem wartoĞü takich współczynników jest kwestią sposobu po-miaru i szczegółów eksperymentu. W kartach katalogowych czĊsto podawane są najwyĪsze lub najniĪsze wartoĞci dla danych materiałowych, ze wzglĊdu na rozpiĊtoĞü procesu. Tymczasem po-miary na jednej partii materiału wskazują na inne wartoĞci. Opisane zagadnienie jest aspektem zadającym niepewnoĞü w symulacjach mimo wykonania kalibracji modelu, czyli porównania wy-ników symulacji do wywy-ników przeprowadzonych póĨniej testów na fizycznych modelach.
Modelowanie w programach CAE pozwala odnaleĨü rozwiązanie dla zagadnieĔ, dla których wy-znaczenie analitycznego rozwiązanie nie jest moĪliwe, jednak naleĪy pamiĊtaü, Īe metody te nie zastąpią prototypowania. Ze wzglĊdów jakoĞciowych naleĪy przeprowadziü analizy kilkoma meto-dami, aby móc porównaü wyniki miĊdzy sobą [2].
3. Praktyczne zastosowanie narzĊdzi i podejĞü wspomagających projektowanie 3.1. Implementacja zmian w projekcie
Zmiany w budowie komponentów, które są wprowadzane przez inĪynierów do spraw produkcji to nie jedyne zmiany przeprowadzane podczas uruchamiania projektu. Przeanalizowano szeĞü pro-jektów, w których były wprowadzane zmiany po pozytywnie zakoĔczonej walidacji pre-prototypów. Zmiany wprowadzane przez inĪynierów do spraw produkcji są czĊsto znaczne (dodanie dodatkowych Īeber i wsporników, zmiana gruboĞci Ğcianki obudowy) oraz ich wdroĪenie skutko-wało pogorszeniem siĊ właĞciwoĞci produktu lub procesu w innym obszarze. Zmiany wprowadzane po przeanalizowaniu wyników testów walidacyjnych mają charakter kosmetyczny i nie zaobserwo-wano znacznego pogorszenia pierwotnych funkcjonalnoĞci produktu. W przypadku eksperymentów zaplanowanych w celu optymalizacji kształtu lub zuĪycia materiału nie zaobserwowano pogorszenia funkcji i ĪywotnoĞci produktu podczas finalnej walidacji. Zupełnie inne wyniki otrzymano przy przeglądzie zmian, jakie wymusił klient na swoim dostawcy (rys. 4).
Rysunek 4. Niepowodzenie wprowadzanych zmian
Zmiany pochodzące z wewnątrz organizacji są jak siĊ wydaje zmianami niezbĊdnymi do speł-nienia specyfikacji klienta bądĨ wyprodukowania czĊĞci bez znaczącego odpadu na linii produkcyjnej. Tymczasem zmiany pochodzące od odbiorcy nie są poparte wymogami technicznymi lub potrzebami procesu, a pomimo tego muszą zostaü zaimplementowane w okreĞlonym czasie, co powoduje jak wykazano na powyĪszym wykresie słupkowym, Īe mają nieprzewidziany wpływ na własnoĞci produktu finalnego.
W trakcie projektowania komponentu wyróĪniü moĪna dwie podstawowe fazy: prototypową i produkcyjną. W obu z nich moĪna wprowadzaü róĪnego rodzaju zmiany w porozumieniu z klien-tem, jednak koszty implementacji i walidacji zmian zawsze są niĪsze w fazie prototypowej. Dla przykładu w tabeli 1 przedstawiono koszty form wtryskowych oraz koszty zmiany w formach w zaleĪnoĞci czy jest to forma do produkcji prototypowej czy teĪ seryjnej.
Tabela 1. Koszty zmiany na formie wtryskowej do plastiku
Wyszczególnienie Forma wtryskowa
Prototypowa Seryjna
Cena narzĊdzia 60 000 € 148 000 €
Koszty uruchomienia formy 700 € 3 000 €
Wycena zmiany 4 500 € 11 000 €
ħródło: materiały własne.
Przykład ten obrazuje jak bardzo jest istotne przemyĞlenie konstrukcji wyrobu przed fazą pro-dukcyjną, jeszcze na etapie wczesnego prototypowania – koszty wprowadzenia zmiany są wtedy znacznie niĪsze dla formy prototypowej. Ponadto ryzyko wprowadzenia modyfikacji jest do wyeli-minowania w kolejnej fazie projektu. Tymczasem, gdy zmiana jest uruchamiana w fazie przygotowania do produkcji liczba iteracji jest ograniczona ze wzglĊdu na ograniczenia czasowe i budĪetowe (najczĊĞciej koĔczący siĊ budĪet projektu, na co wskazują zarządzający projektami jed-nej z wrocławskich firm działających w branĪy motoryzacyjjed-nej).
3.2. Planowanie eksperymentów
Zaobserwowano, iĪ z uĪyciem metod planowania eksperymentów przygotowanie zmian we wczesnym etapie projektowania pozwala na głĊbsze rozpoznanie problemu technicznego. PodejĞcie to jest przydatne, zwłaszcza gdy mowa o analizie niezawodnoĞci produktu. Aby podnieĞü wytrzy-małoĞü bądĨ bezawaryjnoĞü rozwiązania technicznego wykonuje siĊ optymalizacjĊ konstrukcji, po czym przeprowadza siĊ przyspieszone testy starzeniowe. Pozytywne przejĞcie całej sekwencji wa-lidacyjnej daje pewnoĞü, Īe produkt został starannie zaprojektowany. Aby spełniü wymogi walidacji wykonuje siĊ kilka iteracji projektowych mających na celu ciągłe doskonalenie produktu. Alterna-tywnie moĪna zaplanowaü eksperyment i wykonaü go na fizycznych próbkach, co skraca znacznie czas poĞwiĊcony na kolejne iteracje na ĞcieĪce projektowej. Eksperymenty ujawniają równieĪ wiele niedoszacowanych dotąd w DFMEA potencjalnych wad produktu. Wady konstrukcyjne, które ujaw-niają siĊ po uruchomieniu produkcji, a które były niepoprawnie ocenione w analizie FMEA są obarczone dodatkowo kosztami zwrotów od klienta, obok kosztów wprowadzenia niezbĊdnych zmian naprawczych. Przeprowadzono wycenĊ eksperymentu na modelach fizycznych, w jednej z krakowskich firm motoryzacyjnych (tab. 2).
Tabela 2. Koszty przeprowadzenia eksperymentu na komponentach gumowych Składowe kosztów przeprowadzenia eksperymentu Koszt [PLN] Koszt próbek forma wtryskowa 6 200
próbki 1 680
Koszt Stanowisk pomiarowych narzĊdzie dedykowane 1 700 układ pomiarowy 4 050 Koszt inĪynierskie czas 8 200 dodatkowe 2 125 Suma 23 955 ħródło: materiały własne.
PowyĪsza tabela przedstawia koszty przeprowadzenia eksperymentu w trakcie projektowania gumowego uszczelnienia do pompy paliwowej. Całkowity koszt przeprowadzenia eksperymentu mającego na celu wybranie najkorzystniejszej konstrukcji uszczelki ze wzglĊdu na maksymalne ci-Ğnienie robocze i łatwoĞü montaĪu wynosi 23 955 PLN. Równolegle koszty obliczone przez managerów związane z ewentualnymi zwrotami produktu w trakcie gwarancji przy załoĪonym naj-wyĪszym poziomie awaryjnoĞci oraz szacowane koszty akcji korekcyjnej na linii produkcyjnej wynosiły dwukrotnoĞü wszystkich kosztów eksperymentu. Wycena zwrotów gwarancyjnych na podstawie umów zakłada, iĪ dostawca bĊdzie musiał podmieniü cały komponent, nie moĪe regene-rowaü go wstawiając nową uszczelkĊ w miejsce wadliwej. W wycenie uwzglĊdniono równieĪ aspekty związane z transportem i serwisem pojazdów.
3.3. Przykładowe problemy jakoĞciowe produktu
Przy okazji przejĞcia z fazy prototypowej do produkcyjnej, obok róĪnic w stopniu skompliko-wania wprowadzania zmian, powstaje równieĪ wiele ograniczeĔ technologicznych, które zaobserwowano na podstawie analizowanych uruchomieĔ w produkcji nowych wyrobów, mogą-cych stanowiü potencjalne ryzyko dla jakoĞci produktu. Podstawową przyczyną takich sytuacji jest fakt, iĪ nie zawsze moĪliwe jest uĪycie takiego samego podejĞcia do konstrukcji formy produkcyjnej co do konstrukcji formy prototypowej. Formy te róĪnią siĊ znacząco materiałami, z których zostały wykonane, jak i stopniem zautomatyzowania, co przekłada siĊ bezpoĞrednio na ich cenĊ – jak wy-kazano w tabeli 1. Automatyzacja produkcji w przetwórstwie tworzyw sztucznych wprowadza znaczące ograniczenia w kinematyce form wtryskowych. W przypadku prototypowych wyprasek niektóre kształty mogą byü odzwierciedlane za pomocą wkładek instalowanych i wyjmowanych rĊcznie. Na poziomie produkcji nieprzekraczającym tysiąca sztuk nie jest to uciąĪliwe na tyle, aby automatyzowaü formĊ. Ponadto odbiorcy liczą na jak najniĪsze koszty narzĊdzi, jednak na produkcji taka sytuacja nie moĪe mieü miejsca. Zautomatyzowana forma posiada hydrauliczne suwaki, które poruszają wkładkami w formie tak, aby niebyła konieczna ingerencja człowieka. Ponadto czas na-grzewania, chłodzenia i otwierania formy jest technologicznie ograniczony, co posprawia, iĪ zasto-sowanie szybkich w porównaniu do człowieka suwaków jest niezbĊdne. PrzejĞcie to pociąga za sobą równieĪ zmiany w konstrukcji samego produktu, gdyĪ to, co udało siĊ wykonaü na formie prototy-powej nie zawsze jest moĪliwe do wykonania na formie przeznaczonej do produkcji seryjnej. Powodem moĪe byü nie tyle cena automatyzacji, co niska ĪywotnoĞü formy seryjnej. NarzĊdziownie mają wiĊc za zadanie wybraü najbardziej korzystny wariant ze wzglĊdu na ĪywotnoĞü formy i speł-nienie wszystkich funkcjonalnoĞci. Na podstawie przeglądniĊtych projektów stwierdzono, Īe we wszystkich przypadkach, gdy dochodzi do koniecznoĞci wyrównowaĪenia ĪywotnoĞci formy a od-zwierciedleniem wszystkich detalów kształtu dostawcy kierują siĊ z zapytaniem czy moĪna zrezygnowaü z kłopotliwego kształtu wyrobu, upraszczając go. Postawione wymogi czasowe i ogra-niczenia finansowe powodują, Īe coraz czĊĞciej w takich przypadkach zawierane są kompromisy.
Kolejnym z badanych przypadków było dodanie Īebra usztywniającego plastikową konstrukcjĊ w miejscu podparcia profilu zgrzewu pod technologiĊ ultradĨwiĊkową, co przedstawia rysunek 5. Pojawienie siĊ Īebra sprawiło, Īe podparcie nie jest ciągłe na całym obwodzie.
Rysunek 5. Implementacja Īebra przerywającego ciągłoĞü podparcia pod zgrzew ultradĨwiĊkowy W analizie DFMEA ryzyko zostało ocenione, jako niskie, jednak skutki wprowadzenia takiej zmiany okazały siĊ byü znacznie wiĊksze niĪ zakładano. Nad Īebrem, gdzie nie ma wystarczająco sztywnego podparcie membrana filtracyjna nie została szczelnie dogrzana (rys. 6). Na etapie pro-jektowanie nie przewidziano Īebra podpierającego tubĊ, co po przejĞciu do seryjnej produkcji okazało siĊ Ĩródłem problemów.
Rysunek 6. Miejsce newralgiczne – niepoprawnie dogrzana membrana
Problem ten nie objawiał siĊ bezpoĞrednio na linii produkcyjnej. W trakcie produkcji we-ryfi-kowano jedynie czy membrana znajduje siĊ w obudowie czy w ogóle jej nie ma, bez stanów poĞrednich. Poskutkowało to awarią w trakcie wibracyjnych testów starzeniowych podczas finalnej walidacji produktu wykonanej na pierwszych czĊĞciach produkcyjnych. W tym wypadku Īebro zo-stało wprowadzone z powodu problemów pojawiających siĊ podczas seryjnej produkcji.
3.4. Zastosowanie Metody Elementów SkoĔczonych
Wszelkiego rodzaju zmiany w konstrukcji komponentów formowanych metodą wtrysków pla-stiku mogą zostaü przestudiowane za pomocą analiz z wykorzystaniem metod elementów skoĔczonych. Na etapie projektowania funkcjonalnoĞci produktu istnieje moĪliwoĞü przeanalizowa-nia restrykcji przepływu przez wnĊtrze konstrukcji przy zadanych parametrach. Symulacje pozwalają na wybór najkorzystniejszych parametrów konstrukcji i porównanie miĊdzy sobą kilku wariantów, co ma znaczący wpływ na jakoĞü finalnego produktu i jego funkcjonalnoĞü. Dla przy-kładu podano analizĊ restrykcji przepływy w plastikowej pokrywce pompy paliwowej. Do przeprowadzenia podobnej analizy naleĪy przygotowaü model 3D. Model ten powinien byü uprosz-czony w stopniu niezmieniającym zasadniczych funkcjonalnoĞci komponentu, co naleĪy do subiektywnej oceny zespołu konstruktorów, po czym naleĪy przygotowaü negatyw modelu bĊdący przestrzenią roboczą dla przepływającej cieczy. Uzyskana przestrzeĔ robocza widoczna, jako model
ĩe-bro
geometryczny teĪ czĊsto wymaga dodatkowej obróbki, gdzie pojawiają siĊ moĪliwoĞci wprowadze-nia uogólnieĔ w zbyt wysokim stopniu. NaleĪy pamiĊtaü o zachowaniu odpowiedniego poziomu szczegółowoĞci w celu jak najlepszego odzwierciedlenia rzeczywistego modelu. Wariantem nieko-rzystnym płynącym ze zbyt szczegółowego modelu jest czas przeprowadzania analiz, który moĪe wydłuĪaü siĊ nawet do kilku dni, oraz ryzyko wystąpienia błĊdów w siatce modelu. Rysunek 7 przedstawia wyĪej opisane kroki przygotowania modelu do analizy restrykcji przepływu:
Rysunek 7. Przygotowanie modelu przestrzeni przepływu do analizy restrykcji
W modelu przepływu cieczy zastosowano zaokrąglenia na naroĪach w celu unikniĊcia sytuacji z nadmiernym zagĊszczeniem siatki – naroĪniki te według konstruktorów nie wnoszą wartoĞci do-danej w analizie restrykcji przepływu, jednak jest to przykład miejsca, w którym moĪna popełniü błąd w przygotowaniu modelu. Kolejnym etapem przygotowaĔ do symulacji jest załoĪenie siatki elementów skoĔczonych na przygotowany model, co przedstawia rysunek 8.
Rysunek 8. Siatka elementów skoĔczonych na modelu przestrzeni przepływu
Na tak przygotowanym modelu moĪna wykonaü badania po wielokroü zmieniając tylko drobne szczegóły wykoĔczeniowe, jedynym ograniczeniem są zasoby czasowe przewidziane na ten etap projektowania.
Rysunek 9. Linie przepływu cieczy w pokrywie pompy
Rysunek 9 przedstawia linie przepływu cieczy, które wraz z wizualizacją turbulencji, które przedstawia rysunek 10 pozwalają na zaprojektowanie najmniej restrykcyjnej geometrii dla prze-pływów cieczy w zadanych warunkach.
Rysunek 10. Wizualizacja turbulencji przepływu i wektorów kierunku przepływu
Opisane powyĪej przykładowe analizy pozwalają jedynie na badania nad funkcjonalnoĞcią komponentu oraz wybranie tych cech konstrukcyjnych, których zmiany mają najwiĊkszy wpływ na produkt. Badania takie moĪna z powodzeniem wykonywaü z uĪyciem technik planowania ekspery-mentów. Wybierając funkcjĊ celu, czynniki sterujące i wszelkie zakłócenia konstruktorzy mogą sprawdziü jak siĊ zachowa konstrukcja w skrajnych przypadkach. Gdy funkcjonalnoĞü produktu jest osiągniĊta na wymaganym przez odbiorcĊ poziomie konstruktorzy przechodzą do badaĔ nad para-metrami konstrukcji pod kątem niezawodnoĞci. Wykonanie takich symulacji jest bardzo trudne, poniewaĪ dostawcy materiałów nie dysponują danymi materiałowymi postarzonego materiału w za-danych warunkach, których moĪna by uĪyü do analizy MES. Aby wykonaü podobne badania niezawodnoĞci najkorzystniej jest przygotowaü próbki fizyczne, poniewaĪ błąd analizy na próbkach rzeczywistych po przeprowadzonych testach starzeniowych jest znacząco mniejszy od błĊdu analizy z wykorzystaniem metod elementów skoĔczonych. Tymczasem konstruktorzy wykonują testy wy-trzymałoĞciowe symulowane z uĪyciem danych materiałowych dla niestarzonego materiału. SłuĪy to najczĊĞciej poglądowej analizie wytrzymałoĞciowej, na podstawie której widaü kierunki zmian w produkcie. MoĪna zatem z powodzeniem zbadaü przy jakim nadciĞnieniu projektowana obudowa
ulegnie destrukcji bądĨ jak jest siła łamania tuby. Do takich analiz moĪna posłuĪyü siĊ specyfika-cjami technicznymi od testów na modelach rzeczywistych, aby miejsce przyłoĪenia siły było takie samo, oraz prĊdkoĞü przemieszczania zgadzała siĊ wynikiem testu rzeczywistego. Tutaj równieĪ z powodzeniem moĪna wykorzystaü planowanie eksperymentów. Daje to moĪliwoĞü przebadania jak zachowa ciĊ produkt w dolnej i górnej granicy tolerancji danej cechy konstrukcyjnej. Dla przy-kładu moĪna sprawdziü, jaką wytrzymałoĞü ma obudowa przy najcieĔszej przewidzianej w dokumentacji rysunkowej Ğciance pod kątem wytrzymałoĞci. Równolegle moĪna zbadaü, jak za-chowa ciĊ ta sama obudowa przy najgrubszej dopuszczalnej Ğciance pod kątem wciągniĊü technologicznych i odkształceĔ podczas studzenia po procesie wtrysku. Wyniki analiz moĪna w dal-szym ciągu porównywaü z póĨniejdal-szymi wynikami testów. Tak przeprowadzone badania skracają czas projektowania i podnoszą szanse na pełne powodzenie pierwszych wtrysków plastiku. Gdy szczegóły geometryczne są ustalone nastĊpuje sprawdzenie technologicznoĞci wyrobu i tutaj rów-nieĪ moĪna z powodzeniem zastosowaü symulacje MES. Przykładem takiej analizy jest uĪycie programu Moldflow firmy Autodesk do wykonania studium wypełnienia formy, badaĔ nad skur-czami materiału w zadanej geometrii, optymalizacji procesu wtrysku. Podobnie jak w przypadku analizy przepływów konstruktor zakłada siatkĊ elementów skoĔczonych na uproszczony model, co przedstawia rysunek 11.
Rysunek 11. Siatka elementów skoĔczonych na modelu pokrywy pompy
Wynikiem analizy jest wizualizacja przedstawiająca miejsca, w których skurcz moĪe wystąpiü oraz wartoĞü odchyłki od geometrii nominalnej wyraĪona w milimetrach lub procentach objĊtoĞci jak przedstawia rysunek 12. Zaobserwowano najwiĊksze skurcze w miejscach, w których jest naj-wiĊcej materiału, co jest zgodne z obserwacjami na czĊĞciach rzeczywistych na innych projektach.
Rysunek 12. Analiza wciągniĊü materiałowych w mm oraz w % odkształcenia
Jedną z najbardziej przydatnych analiz z punktu widzenia jakoĞci komponentu plastikowego jest analiza deformacji komponentu w wyniku studzenia co przedstawia rysunek 13. PoniĪszy obraz przedstawia typową sytuacjĊ krzywienia siĊ okrągłych elementów geometrii i przyciągania ich do korpusu, jest to powodowane duĪą iloĞcią materiału, który kurczy siĊ procentowo do swojej grubo-Ğci.
Rysunek 13. Analiza odkształcenia plastikowego komponentu po wystudzeniu
PowyĪsza wizualizacja jest przeskalowana dziesiĊciokrotnie, aby móc zaobserwowaü odkształce-nia w stosunku do nominalnej geometrii. Dla konstruktorów form wtryskowych jest to informacja, czy dana geometria wraz z uĪytym materiałem ma tendencjĊ do deformowania siĊ. InĪynierowie dysponu-jąc taką informacją mogą podjąü działania zapobiegawcze w ramach procesu bądĨ zastosowaü przeciwkształty na formie wtryskowej. PoniewaĪ informacje te są dostĊpne jeszcze przed wyproduko-waniem formy istnieje moĪliwoĞü korygowania geometrii tak, aby nie zmieniü poziomu funkcjonalnoĞci a wzmocniü konstrukcjĊ, np. poprzez dodanie dodatkowych Īeber usztywniających. W wyĪej przedstawionych działaniach projektowych istotnym jest, aby rozpocząü od analiz funkcjo-nalnoĞci produktu, potem wytrzymałoĞci, a na samym koĔcu badaü technologicznoĞü wtrysku plastiku. Działania te minimalizują ryzyko w projektach, w których czas jest znacząco ograniczony. Zmiana kolejnoĞci działaĔ projektowych moĪe doprowadziü do błĊdów konstrukcyjnych. W przypadku zmiany kolejnoĞci działaĔ naleĪy powtórzyü badania technologicznoĞci formy wtryskowej jeszcze raz, tak aby były wykonane po optymalizacji funkcjonalnoĞci i badaniach wytrzymałoĞciowych. Pozwala to uniknąü póĨniejszych akcji korekcyjnych na rzeczywistych formach wtryskowych.
3.5. Ustawienie procesu produkcyjnego i odpad na produkcji
Pierwszym efektem błĊdów popełnionych podczas projektowania komponentu są problemy podczas produkcji objawiające siĊ trudnoĞciami z ustawieniem procesu. W konsultacji z inĪynierami do spraw produkcji jednej z warszawskich firm branĪy motoryzacyjnej ustalono podstawowe czyn-niki, powodujące problemy w kalibracji procesu, a w dalszej kolejnoĞci jego stabilizacji. Są to: błĊdy konstrukcyjne komponentów, błĊdy w specyfikacji po stronie dostawców zarówno dla maszyn jak i produktów oraz koniecznoĞü wezwania serwisu do kalibracji i/lub regulacji maszyn.
Przeanalizowano dziewiĊü nowouruchamianych projektów w latach 2014 i 2015 i zaobserwo-wano znaczny wpływ błĊdów konstrukcyjnych powtarzających siĊ i dotyczących obszaru zgrzewania laserowego plastikowych czĊĞci. Udział podstawowych czynników uniemoĪliwiających rozruch procesu w pierwszym podejĞciu przedstawia rysunek 14.
Rysunek 14. Diagram wystąpieĔ zdarzeĔ uniemoĪliwiających uruchomienie procesu produkcyjnego
W analizowanym przypadku za proces rozruchowy uwaĪa siĊ proces, dziĊki któremu moĪna wyprodukowaü produkt w całoĞci, lecz niespełniający wszystkich wymagaĔ klienta. Komponenty plastikowe wytwarzane metodą wtrysków wysokociĞnieniowych pochodzące z pierwszej dostawy zwyczajowo nie spełniają specyfikacji i jest to podejĞcie czĊsto zamierzone. Polega ono na przygo-towaniu wstĊpnego produktu w celu wykonania jego pomiarów na maszynie współrzĊdnoĞciowej oraz analizy skurczu tworzywa sztucznego, tak aby w dalszych krokach wykonaü poprawki odnie-sione do otrzymanych wyników z rzeczywistych próbek. Dopiero podczas drugiego podejĞcia do procesu wtrysku plastiku wykonuje siĊ poprawki w celu spełnienia specyfikacji. Stąd prezentowany wynik na rysunku 14 przedstawiający, iĪ na dziewiĊü uruchamianych projektów dziewiĊü ma pro-blemy z komponentami. Tymczasem na dziewiĊü nowouruchamianych projektów aĪ szeĞü ma problemy z komponentami na płaszczyĨnie specyfikacji tych komponentów. Oznacza to, Īe zostały one zaprojektowane niepoprawnie, bądĨ tolerancje wymiarów zostały przyjĊte błĊdnie. Oznacza to, Īe dokumentacja BoD (ang. Bill of Design) dla linii produktowej nie została zastosowana, bądĨ celowo zaakceptowano odchyłki od jej zapisów w danym obszarze. Działanie to nie jest zgodne z przyjĊtym podejĞciem produktowym, które zakłada bezwzglĊdne uĪywanie dokumentacji BoD oraz BoP (ang. Bill of Process). O tyle o ile moĪna egzekwowaü spełnienie wymagaĔ rysunkowych od dostawcy, o tyle jest trudno wprowadzaü zmiany na komponencie potrzebne do poprawnego ustawienia procesu. Nawet jeĪeli zespół decyduje siĊ na wprowadzenie zmian, co wiąĪe siĊ z
kosz-techniczne, przez co moĪna jedynie doprowadziü do zminimalizowania skutków problemu a nie do jego eliminacji. Tabela 3 przedstawia wartoĞü procentową odpadu na produkcji seryjnej w przy-padku, gdy w projekcie jest odchyłka do dokumentacji BoD lub BoP.
Tabela 3. Odpad na produkcji na projektach, gdzie jest odchyłka do BoD i BoP
IloĞü niezgodnoĞci z BoD i BoP na projektach
bĊdących w produkcji w 2015 roku Odpad na produkcji
BoD BoP
Zgrzew 1 0 0,99%
SzczelnoĞü 2 2 1,33%
MontowalnoĞü 2 1 0,64%
ħródło: materiały własne.
Na jednym z produktów produkowanych w roku 2015 zaobserwowano odpad w wysokoĞci 0,99% ze wzglĊdu na wypływkĊ na zgrzewie, której odbiorca nie akceptujĊ. Zmusiło to dział kon-troli jakoĞci do odrzucenia czĊĞci. W niniejszym projekcie znaleziono odchyłkĊ do dokumentacji BoP. Audyt kolejnego projektu borykającego siĊ z odpadem komponentów na teĞcie szczelnoĞci wykazał niezgodnoĞci w zakresie BoD oraz BoP. Działania korygujące pozwoliły obniĪyü odpad do poziomu 1,33%. Inne projekty borykają siĊ z niepoprawnie zamontowanymi akcesoriami do obu-dowy, co zmusiło inĪynierów procesu do pojĊcia decyzji o reinstalacji. Wiązało siĊ to z kosztem i nakładem czasu, co opóĨniało planowe przezbrojenie linii produkcyjnej. Jednak wysokoĞü odpadu nie wymusza uruchomienia działaĔ korygujących, których koszt w badanym przypadku jest wyĪszy niĪ koszty rozbiórki i ponownego złoĪenia komponentów.
Reasumując zaobserwowano, iĪ wszelkie niezgodnoĞci do BoD lub BoP generują wyĪszy odpad na linii produkcyjnej, gdyĪ Ğrednia wartoĞü odpadu wynosi 0,35% dla analizowanej linii produktowej.
3.6. Raportowanie wyników badaĔ
Problemy powstałe podczas projektowania, uruchomienia produkcji lub zaistniałe w trakcie produkcji raportowane są do managerów, którzy nie znają szczegółów technicznych produktu, co wymaga szczególnego przygotowania prezentacji zagadnienia. PrzełoĪeni bazują jedynie na infor-macjach, które dostarczone są poprzez inĪynierów do spraw jakoĞci, produkcji lub inĪynierów do spraw produktu. Organizowane jest wówczas spotkanie pomiĊdzy managerami Ğredniego szczebla a inĪynierami zajmującymi siĊ bezpoĞrednio produktem. Aspekty najczĊĞciej stwarzające problemy podczas czytania raportów w jednej z krakowskich firm z branĪy motoryzacyjnej to:
− zmiany formatowania raportów,
− brak informacji o szczegółach przeprowadzonych testów, − brak odnoĞników, do których moĪna przyrównaü obiekt, − brak porównania z poprzednimi wynikami,
− brak wykresów.
Zmiany formatowania raportów i brak porównania do poprzednich wyników powoduje, Īe bardzo trudno jest skorelowaü testy i wyniki miĊdzy sobą. Zaobserwowano równieĪ, Īe w 90% przypadków brakuje informacji o wymiarach komponentu, co powoduje, iĪ w trakcie spotkaĔ przeglądowych za-dawane są pytania o gabaryty. Rysunek 15 przedstawiono komponent bez odniesienia do wymiarów.
Rysunek 15. Fotografia komponentu do ra-portu bez informacji o wymiarach
Rysunek 16. Fotografia komponentu do ra-portu zawierająca informacje o wymiarach
Rysunek 17. Fotografia komponentu do raportu zawierająca porównanie do standardowych wymiarów innego ogólnie znanego przedmiotu
PowyĪej przedstawione sposoby wizualizacji komponentu na slajdach (rys. 16 i 17) pozwalają odbiorcą na wyobraĪenie sobie, o jakich gabarytach przedmiotu jest mowa w prezentacji.
4. Podsumowanie
Niniejszy artykuł miał na celu przybliĪenie podejĞü wspomagających analizĊ niezawodnoĞci produktu na etapie projektowania. Zaproponowano rozwiązania minimalizujące ryzyko polegające na planowaniu eksperymentów za pomocą symulacji z wykorzystaniem metod elementów skoĔczo-nych. Ponadto przedstawiono wartoĞü dodaną z wykonania metod planowania eksperymentów na pierwszych czĊĞciach prototypowych, a takĪe przedstawiono koszty eksperymentu oraz przewidy-wane koszty obsługi gwarancyjnej w przypadku gdyby doszło do awarii gdyby eksperyment nie został wykonany, bądĨ nie dał odpowiedzi na pytania techniczne. Ponadto zwrócono uwagĊ na ry-zyka powstające podczas upraszczania geometrii modelu 3D wykonywanego w trakcie przygotowaĔ do analiz przepływu cieczy (CFD) i analiz procesu wypełnienia formy wtryskowej ciekłym plasti-kiem oraz zaproponowano podejĞcie, które pozwala ograniczyü ryzyko pominiĊcia istotnych szczegółów kształtu produktu.
Bibliografia
[1] Automotive revolution – perspective towards 2030. How the convergence of disruptive technology-driven trends could transform the auto industry, Advanced Industries, McKinsey & Company, January 2016.
[2] Balonek K., Gozdur S.: Wprowadzenie do Metody Elementu skoĔczonego, on-line: http://213.184.15.149/wwwkipr/markowski/techniki/1.%20Wprowadzenie%20do%20ME S.pdf [dostĊp: 20 marca 2017 r.].
[3] BanaĞ K.: Wprowadzenie do MES, 2012, [dostĊp: 20 marca 2017 r.], on-line: http://www.metal.agh.edu.pl/~banas/wprowadzenie_do_MES.pdf.
[4] Camuffo A.: Rolling Out a "World Car": Globalization, Outsourcing and Modularity in the Auto Industry, Korean Journal of Political Economy, No. 2, 2004, s. 183–224.
[5] Clark K.B., Chew W.B., Fujimoto T.: Product Development in the World Auto Industry, Brookings Papers on Economic Activity, vol. 18, issue 3, 1987, s. 729–782.
[6] Dunning J.H., Narula R.: Foreign Direct Investment and Governments, Routledge 1997. [7] Gill N., Misra A.: Application Outsourcing for Automotive OEMs, Capgemini, 2008. [8] Infor Automotive, Automotive Brochure, INFDTP1482981-en-US-0216-1, New York, 2016. [9] Goldense B.: Applied Research & Advanced Development Processes Come of Age, on-line:
http://www.machinedesign.com/goldense-research-product-development/applied-research-advanced-development-processes-come-age, [dostĊp: 23 czerwca 2014].
[10] Kalinowska K.: Outsourcing jako metoda zarządzania przedsiĊbiorstwem, Zeszyty Naukowe Politechniki Europejskie, Finanse i Marketing, Nr 3 (52), 2010, s. 253–264. [11] Lenart A.: Zarządzanie Cyklem ĩycia Produktu a Systemy ERP, Komputerowo
Zintegrowane Zarządzanie, t. II pod red. R. Knosali, Opole, 2009, s. 115–123.
[12] Muciek A.: Wyznaczanie modeli matematycznych z danych eksperymentalnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.
[13] O'Hara M.: A Generic Automotive EMC Test Standard, The Automotive EMC, 2006. [14] https://www.sopheon.com/cgt-sopheon-top-provider-npd-introduction [dostĊp: 20 marca 2017 r.].
QUALITY ASSURANCE OF THE PRODUCT AT THE DESIGN STAGE WITH THE USAGE OF SIMULATION METHODS – A CASE STUDY
ON THE EXAMPLE OF AUTOMOTIVE INDUSTRY Summary
This article presents the potential risks that can occur during the automotive prod-uct design phase, affecting the quality and reliability of the final prodprod-uct. In addition, the work describes how the presented risks influence the design process and how to minimize them.
Keywords: system reliability, experiments planning, product design, quality management
Marcin Baran Wydział Zarządzania
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Ul. Gramatyka 10, 30-067 Kraków
