ZAPEWNIENIE JAKO CI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA …€¦ · Proces projektowania komponentów...

4

ZAPEWNIENIE JAKO�CI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA

Z WYKORZYSTANIEM METOD SYMULACYJNYCH – STUDIUM PRZYPADKU

NA PRZYKŁADZIE BRAN�Y MOTORYZACYJNEJ

MARCIN BARAN

Streszczenie

W artykule zaprezentowano potencjalne ryzyka mo�liwe do wyst�pienia podczas

projektowania produktu dla bran�y motoryzacyjnej imaj�ce wpływ na jako�� i nieza-

wodno�� wyrobu finalnego. Ponadto w pracy okre�lono stopie�, w jakim opisane

ryzyka wpływaj� na proces projektowania oraz przedstawiono sposobów ich minima-

lizacji.

Słowa kluczowe: niezawodno�� systemów, projektowanie produktu, planowanie eksperymentów,

zarz�dzanie jako�ci�

Wprowadzenie

Proces projektowania komponentów dla bran�y samochodowej został przekazany do realizacji

zewn�trznym firmom w ramach outsourcingu przez wi�kszo�� marek samochodowych [7, 10].

Wyłoniło si� wiele globalnych firm dostarczaj�cych podzespoły bezpo�rednio przeznaczone do

monta�u [4]. Projekty dla bran�y motoryzacyjnej realizowane s� w oparciu o sprecyzowane specy-

fikacje produktowe. Dokumenty te zawieraj� plany walidacyjne, procedury oraz instrukcje jak

nale�y przeprowadzi� test w przypadku niestandardowych wymaga� [13].

Obecnie coraz szybciej wchodz� na rynek nowoczesne technologie, co zwi�zane jest z unormo-

waniami prawnymi dotycz�cymi kontroli emisji szkodliwych zwi�zków do atmosfery, jaki

i zapotrzebowaniem konsumentów [1]. Taka sytuacja wymusza na dostawcach podzespołów ko-

nieczno�� szybkiego działania na płaszczy�nie projektowania i przygotowania do produkcji [8].

Wszelkie przyspieszenie prac nad innowacyjnymi rozwi�zaniami dla bran�y samochodów osobo-

wych wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na etapie projektowania na aspekty jako�ciowe

i niezawodno�ciowe [11].

Aby wyj�� naprzeciw wymaganiom klientów oraz ci�gle podnosi� jako�� oferowanych produk-

tów organizacje coraz cz��ciej decyduj� si� na wdra�anie technik prewencyjnych na etapie

projektowania. W niniejszej pracy przedstawiono podej�cia oraz narz�dzia wspomagaj�ce analiz�i badania niezawodno�ci komponentów, a tak�e sposoby wykorzystania tych narz�dzi. Ponadto

przeanalizowano, jakie narz�dzia te maj� wpływ na proces projektowania.

1. Działania projektowe na etapie rozwoju produktu

Grupa Bada� i Rozwoju (ang. research and development – R&D) w bran�y motoryzacyjnej

cz�sto 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 zbli�ony do

ogólniej �cie�ki rozwoju R&D [6]. Jak pokazano na rysunku 1 technologia, która została prawi-

dłowo rozwini�ta za pomoc� �cie�ki TDP mo�e by� dalej rozwijana przy u�yciu procesu ADP, gdzie

Marcin Baran

Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –

studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej

5

in�ynierowie rozpoczynaj� ju� rozwa�ania o sposobno�ci seryjnej produkcji. Rysunek 1 przedstawia

schemat rozwoju nowatorskich rozwi�za� [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 uwzgl�dnieniem szczegółowych wymaga� specyfikacji technicznej.

Do tego momentu specyfikacja była tworzona przez projektantów, bez uwzgl�dnienia głosu klienta

(ang. Voice of Customer – VoC). Gdy klient zostanie pozyskany prace przechodz� do fazy PDP

(ang. Product Development Process), gdzie kluczowym dokumentem wej�ciowym s� szczególne

wymagania klienta CSR (ang. Customer Specific Requirements).

Rysunek 1. Schemat rozwoju my�li technicznej

�ródło: [14].

Ka�dy z etapów projektu ma swoje podetapy składaj�ce si� na bramki, które s� oceniane w trak-

cie realizacji harmonogramu. Metodyka działa� pomi�dzy ADP oraz PDP jest zbli�ona, głównymi

ró�nicami jest czas po�wi�cony na poszczególne etapy i szczegółowo�� przeprowadzenia niektórych

kroków. W pracy z wymaganiami klienta wi�cej czasu po�wi�ca si� ich analizie oraz weryfikacji

produktu za pomoc� przyspieszonych testów starzeniowych. Tymczasem cz�sto �cie�ka ADP jest

ukierunkowana na pozyskanie nowego produktu i/lub procesu do portfolio firmy [9]. cie�ka ta nie

jest nigdy uwa�ana za zako�czon� bez walidacji i potwierdzenia, �e produkt nadaje si� do wdro�enia

na rynek, a tym samym testy wytrzymało�ciowe i niezawodno�ciowe s� wymagane ju� na tym eta-

pie. cie�ka PDP skupiona jest na zaaplikowaniu nowego produktu i/lub procesu do specyficznych

wymaga� klienta. Po pozytywnie zako�czonej walidacji nast�puje przekazanie projektu do fabryki

[5].

2. Modelowanie matematyczne i symulacja

Metody analizy matematycznej oraz metody symulacyjne s� jednymi z najszybciej rozwijaj�-cych si� aspektów projektowania dla niezawodno�ci. Z dokumentacji DFMEA wynika cz�sto wiele

kwestii spornych b�d� wymagaj�cych opracowania i szerszych działa� in�ynierskich, które mog�by� przeprowadzone na płaszczy�nie wirtualnej, za pomoc� modeli matematycznych.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management

Nr 84, 2017

6

2.1. Aparat matematyczny

Do kroków projektowych w grupie ADP nale�y opracowanie koncepcji analitycznych ADC.

Polega ona na stworzeniu modeli matematycznych elementów projektowanego komponentu.

Modele te pozwalaj� w sposób analityczny okre�li� zakres mo�liwych rozwi�za�, co pozwala z kolei

zbudowa� pierwsze prototypy spełniaj�ce zadan� przez klienta funkcjonalno��. Ewentualne pó�-niejsze zmiany mo�na b�dzie sprawdzi� w pierwszej kolejno�ci na modelu analitycznym, aby

otrzyma� obraz, w którym kierunku zmieni� si� 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 si�, aby opisa�zachowania modelowanego obiektu (np. zmiany stanu, zmiany wielko�ci wyj�ciowych) w funkcji

czynników wpływaj�cych jak na przykład warto�ci wej�ciowe i czas. Pozwala to na przewidzenie

zachowa� obiektu przy zmianach warto�ci wej�ciowych, dzi�ki czemu mo�emy bada�, analizowa�i projektowa� obiekty opieraj�c si� tylko na ich opisie matematycznym. Jednak�e badania takie maj�swoje ograniczenia. W modelu ograniczamy ilo�� wej�� do tych, których wpływ na zachowanie si�obiektu jest znacz�cy. Zbudowanie modelu wiernie odzwierciedlaj�cego zachowanie obiektu rze-

czywistego jest wr�cz niemo�liwe. Modele uwzgl�dniaj� równie� czynniki wej�ciowe

w okre�lonym zakresie zmienno�ci – szerokie spektrum zmian jest trudne do zaimplementowania

[12].

2.2. Metody elementów sko�czonych

Metody elementów sko�czonych (MES lub ang. Final Element Analysis – FEA) s� zaawanso-

wanymi metodami rozwi�zywania zagadnie� in�ynierskich. Słu�� symulowaniu zjawisk

fizycznych, badaniu wytrzymało�ci konstrukcji, przepływu ciepła i wielu innych zjawisk. Jednak

jak ka�da metoda równie� i ta wprowadza ró�nego rodzaju bł�dy obliczeniowe [3]:

− bł�d modelowania (model matematyczny nie odzwierciedla rzeczywisto�ci ze wzgl�du na

uproszczenia),

− bł�d warto�ci współczynników (przyj�te dane materiałowe obarczone s� bł�dem),

− bł�d odwzorowania obszaru,

− bł�d numeryczny (bł�d dyskretyzacji),

− bł�d zaokr�gle�. Powy�sze bł�dy mogłyby wskazywa� na fakt, i� dokładno�� oblicze� mo�e by� nikła, jednak

metody CAE (ang. Computer Aided Engineering) s� stosowane szeroko i z powodzeniem. U�ycie

Metod Elementów Sko�czonych (MES) do konkretnego zadania in�ynierskiego składa si� z dwóch

podstawowych procesów:

− stworzenia modelu trójwymiarowego w programie CAD (ang. Computer Aided Design),

− rozwi�zania konkretnego zadania na modelu trójwymiarowego (ang. 3 Dimensional – 3D).

Modele trójwymiarowe (3D), aby dały si� zastosowa� do analiz MES musz� zosta� w odpo-

wiedni sposób obrobione, tj. przygotowane do zało�enia siatki elementów sko�czonych. W tym celu

nale�y upro�ci� model niweluj�c wszelkie szczegóły jak na przykład zaokr�glenia i nieistotne

z punktu widzenia analizy szczegóły konstrukcyjne. Przykład przedstawia rysunek 2.

Marcin Baran



7

Rysunek 2. Model 3D przed (z lewej) i po przygotowaniach (z prawej) do analizy MES

Takie przygotowanie znacznie ułatwia implementacj� siatki elementów sko�czonych i skraca

czas przeprowadzania symulacji. Siatka elementów sko�czonych jest zag�szczona w okolicach

szczegółów konstrukcyjnych (rys. 3), co znacznie wydłu�a proces oblicze�.

Rysunek 3. Siatka elementów sko�czonych na uproszczonym modelu

Przygotowanie modelu do symulacji jest zaledwie procesem pocz�tkowym, a po nim nast�puje

symulacja wła�ciwa. Przygotowuj�c analiz� mo�emy zada� własno�ci materiałowe pochodz�ce od

producenta samego materiału lub przeprowadzi� badania materiałowe na potrzeby symulacji we-

wn�trz organizacji, buduj�c w ten sposób baz� danych materiałów. Jest to jeden z aspektów

jako�ciowych w zastosowaniu MES do projektowania. Zastosowanie warto�ci wy�szych, z margi-

nesem bezpiecze�stwa nie sprzyja jednak optymalizacji. Przez zastosowanie zbyt wysokich warto�ci

dla własno�ci materiałowych konstrukcja mo�e nie spełnia� wymaga� jak jest na przykład w przy-

padku symulacji przepływu. Nadaj�c zbyt wysokie współczynniki restrykcji przepływu przez zło�e

powstaje mo�liwo��, �e opory całego układu zbadane za pomoc� MES b�d� wy�sze od wymaga-

nych. Przyczyn� zbyt wysokich restrykcji nie b�dzie tu budowa układu, a zbyt du�a warto��przyj�tych współczynników. Tymczasem warto�� takich współczynników jest kwesti� sposobu po-

miaru i szczegółów eksperymentu. W kartach katalogowych cz�sto podawane s� najwy�sze lub

najni�sze warto�ci dla danych materiałowych, ze wzgl�du na rozpi�to�� procesu. Tymczasem po-

miary na jednej partii materiału wskazuj� na inne warto�ci. Opisane zagadnienie jest aspektem

zadaj�cym niepewno�� w symulacjach mimo wykonania kalibracji modelu, czyli porównania wy-

ników symulacji do wyników przeprowadzonych pó�niej testów na fizycznych modelach.


Nr 84, 2017

8

Modelowanie w programach CAE pozwala odnale�� rozwi�zanie dla zagadnie�, dla których wy-

znaczenie analitycznego rozwi�zanie nie jest mo�liwe, jednak nale�y pami�ta�, �e metody te nie

zast�pi� prototypowania. Ze wzgl�dów jako�ciowych nale�y przeprowadzi� analizy kilkoma meto-

dami, aby móc porówna� wyniki mi�dzy sob� [2].

3. Praktyczne zastosowanie narz�dzi i podej�� wspomagaj�cych projektowanie

3.1. Implementacja zmian w projekcie

Zmiany w budowie komponentów, które s� wprowadzane przez in�ynierów do spraw produkcji

to nie jedyne zmiany przeprowadzane podczas uruchamiania projektu. Przeanalizowano sze�� pro-

jektów, w których były wprowadzane zmiany po pozytywnie zako�czonej walidacji pre-

prototypów. Zmiany wprowadzane przez in�ynierów do spraw produkcji s� cz�sto znaczne (dodanie

dodatkowych �eber i wsporników, zmiana grubo�ci �cianki obudowy) oraz ich wdro�enie skutko-

wało pogorszeniem si� wła�ciwo�ci produktu lub procesu w innym obszarze. Zmiany wprowadzane

po przeanalizowaniu wyników testów walidacyjnych maj� charakter kosmetyczny i nie zaobserwo-

wano znacznego pogorszenia pierwotnych funkcjonalno�ci produktu. W przypadku eksperymentów

zaplanowanych w celu optymalizacji kształtu lub zu�ycia materiału nie zaobserwowano pogorszenia

funkcji i �ywotno�ci produktu podczas finalnej walidacji. Zupełnie inne wyniki otrzymano przy

przegl�dzie zmian, jakie wymusił klient na swoim dostawcy (rys. 4).

Rysunek 4. Niepowodzenie wprowadzanych zmian

Zmiany pochodz�ce z wewn�trz organizacji s� jak si� wydaje zmianami niezb�dnymi do speł-

nienia specyfikacji klienta b�d� wyprodukowania cz��ci bez znacz�cego odpadu na linii

produkcyjnej. Tymczasem zmiany pochodz�ce od odbiorcy nie s� poparte wymogami technicznymi

lub potrzebami procesu, a pomimo tego musz� zosta� zaimplementowane w okre�lonym czasie, co

powoduje jak wykazano na powy�szym wykresie słupkowym, �e maj� nieprzewidziany wpływ na

własno�ci produktu finalnego.

W trakcie projektowania komponentu wyró�ni� mo�na dwie podstawowe fazy: prototypow�i produkcyjn�. W obu z nich mo�na wprowadza� ró�nego rodzaju zmiany w porozumieniu z klien-

tem, jednak koszty implementacji i walidacji zmian zawsze s� ni�sze w fazie prototypowej.

Dla przykładu w tabeli 1 przedstawiono koszty form wtryskowych oraz koszty zmiany w formach

w zale�no�ci czy jest to forma do produkcji prototypowej czy te� seryjnej.

Marcin Baran



9

Tabela 1. Koszty zmiany na formie wtryskowej do plastiku

Wyszczególnienie Forma wtryskowa

Prototypowa Seryjna

Cena narz�dzia 60 000 € 148 000 €

Koszty uruchomienia formy 700 € 3 000 €

Wycena zmiany 4 500 € 11 000 €

�ródło: materiały własne.

Przykład ten obrazuje jak bardzo jest istotne przemy�lenie konstrukcji wyrobu przed faz� pro-

dukcyjn�, jeszcze na etapie wczesnego prototypowania – koszty wprowadzenia zmiany s� wtedy

znacznie ni�sze 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 wzgl�du na ograniczenia czasowe

i bud�etowe (najcz��ciej ko�cz�cy si� bud�et projektu, na co wskazuj� zarz�dzaj�cy projektami jed-

nej z wrocławskich firm działaj�cych w bran�y motoryzacyjnej).

3.2. Planowanie eksperymentów

Zaobserwowano, i� z u�yciem metod planowania eksperymentów przygotowanie zmian we

wczesnym etapie projektowania pozwala na gł�bsze rozpoznanie problemu technicznego. Podej�cie

to jest przydatne, zwłaszcza gdy mowa o analizie niezawodno�ci produktu. Aby podnie�� wytrzy-

mało�� b�d� bezawaryjno�� rozwi�zania technicznego wykonuje si� optymalizacj� konstrukcji, po

czym przeprowadza si� przyspieszone testy starzeniowe. Pozytywne przej�cie całej sekwencji wa-

lidacyjnej daje pewno��, �e produkt został starannie zaprojektowany. Aby spełni� wymogi walidacji

wykonuje si� kilka iteracji projektowych maj�cych na celu ci�głe doskonalenie produktu. Alterna-

tywnie mo�na zaplanowa� eksperyment i wykona� go na fizycznych próbkach, co skraca znacznie

czas po�wi�cony na kolejne iteracje na �cie�ce projektowej. Eksperymenty ujawniaj� równie� wiele

niedoszacowanych dot�d w DFMEA potencjalnych wad produktu. Wady konstrukcyjne, które ujaw-

niaj� si� po uruchomieniu produkcji, a które były niepoprawnie ocenione w analizie FMEA s�obarczone dodatkowo kosztami zwrotów od klienta, obok kosztów wprowadzenia niezb�dnych

zmian naprawczych. Przeprowadzono wycen� 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 pomiarowychnarz�dzie dedykowane 1 700

układ pomiarowy 4 050

Koszt in�ynierskie czas 8 200

dodatkowe 2 125

Suma 23 955



Nr 84, 2017

10

Powy�sza tabela przedstawia koszty przeprowadzenia eksperymentu w trakcie projektowania

gumowego uszczelnienia do pompy paliwowej. Całkowity koszt przeprowadzenia eksperymentu

maj�cego na celu wybranie najkorzystniejszej konstrukcji uszczelki ze wzgl�du na maksymalne ci-

�nienie robocze i łatwo�� monta�u wynosi 23 955 PLN. Równolegle koszty obliczone przez

managerów zwi�zane z ewentualnymi zwrotami produktu w trakcie gwarancji przy zało�onym naj-

wy�szym poziomie awaryjno�ci oraz szacowane koszty akcji korekcyjnej na linii produkcyjnej

wynosiły dwukrotno�� wszystkich kosztów eksperymentu. Wycena zwrotów gwarancyjnych na

podstawie umów zakłada, i� dostawca b�dzie musiał podmieni� cały komponent, nie mo�e regene-

rowa� go wstawiaj�c now� uszczelk� w miejsce wadliwej. W wycenie uwzgl�dniono równie�aspekty zwi�zane z transportem i serwisem pojazdów.

3.3. Przykładowe problemy jako�ciowe produktu

Przy okazji przej�cia z fazy prototypowej do produkcyjnej, obok ró�nic w stopniu skompliko-

wania wprowadzania zmian, powstaje równie� wiele ogranicze� technologicznych, które

zaobserwowano na podstawie analizowanych uruchomie� w produkcji nowych wyrobów, mog�-cych stanowi� potencjalne ryzyko dla jako�ci produktu. Podstawow� przyczyn� takich sytuacji jest

fakt, i� nie zawsze mo�liwe jest u�ycie takiego samego podej�cia do konstrukcji formy produkcyjnej

co do konstrukcji formy prototypowej. Formy te ró�ni� si� znacz�co materiałami, z których zostały

wykonane, jak i stopniem zautomatyzowania, co przekłada si� bezpo�rednio na ich cen� – jak wy-

kazano w tabeli 1. Automatyzacja produkcji w przetwórstwie tworzyw sztucznych wprowadza

znacz�ce ograniczenia w kinematyce form wtryskowych. W przypadku prototypowych wyprasek

niektóre kształty mog� by� odzwierciedlane za pomoc� wkładek instalowanych i wyjmowanych

r�cznie. Na poziomie produkcji nieprzekraczaj�cym tysi�ca sztuk nie jest to uci��liwe na tyle, aby

automatyzowa� form�. Ponadto odbiorcy licz� na jak najni�sze koszty narz�dzi, jednak na produkcji

taka sytuacja nie mo�e mie� miejsca. Zautomatyzowana forma posiada hydrauliczne suwaki, które

poruszaj� wkładkami w formie tak, aby niebyła konieczna ingerencja człowieka. Ponadto czas na-

grzewania, chłodzenia i otwierania formy jest technologicznie ograniczony, co posprawia, i� zasto-

sowanie szybkich w porównaniu do człowieka suwaków jest niezb�dne. Przej�cie to poci�ga za sob�równie� zmiany w konstrukcji samego produktu, gdy� to, co udało si� wykona� na formie prototy-

powej nie zawsze jest mo�liwe do wykonania na formie przeznaczonej do produkcji seryjnej.

Powodem mo�e by� nie tyle cena automatyzacji, co niska �ywotno�� formy seryjnej. Narz�dziownie

maj� wi�c za zadanie wybra� najbardziej korzystny wariant ze wzgl�du na �ywotno�� formy i speł-

nienie wszystkich funkcjonalno�ci. Na podstawie przegl�dni�tych projektów stwierdzono, �e we

wszystkich przypadkach, gdy dochodzi do konieczno�ci wyrównowa�enia �ywotno�ci formy a od-

zwierciedleniem wszystkich detalów kształtu dostawcy kieruj� si� z zapytaniem czy mo�na

zrezygnowa� z kłopotliwego kształtu wyrobu, upraszczaj�c go. Postawione wymogi czasowe i ogra-

niczenia finansowe powoduj�, �e coraz cz��ciej w takich przypadkach zawierane s� kompromisy.

Kolejnym z badanych przypadków było dodanie �ebra usztywniaj�cego plastikow� konstrukcj�w miejscu podparcia profilu zgrzewu pod technologi� ultrad�wi�kow�, co przedstawia rysunek 5.

Pojawienie si� �ebra sprawiło, �e podparcie nie jest ci�głe na całym obwodzie.

Marcin Baran



11

Rysunek 5. Implementacja �ebra przerywaj�cego ci�gło�� podparcia pod zgrzew ultrad�wi�kowy

W analizie DFMEA ryzyko zostało ocenione, jako niskie, jednak skutki wprowadzenia takiej

zmiany okazały si� by� znacznie wi�ksze ni� zakładano. Nad �ebrem, gdzie nie ma wystarczaj�co

sztywnego podparcie membrana filtracyjna nie została szczelnie dogrzana (rys. 6). Na etapie pro-

jektowanie nie przewidziano �ebra podpieraj�cego tub�, co po przej�ciu do seryjnej produkcji

okazało si� �ródłem problemów.

Rysunek 6. Miejsce newralgiczne – niepoprawnie dogrzana membrana

Problem ten nie objawiał si� bezpo�rednio na linii produkcyjnej. W trakcie produkcji we-ryfi-

kowano jedynie czy membrana znajduje si� w obudowie czy w ogóle jej nie ma, bez stanów

po�rednich. Poskutkowało to awari� w trakcie wibracyjnych testów starzeniowych podczas finalnej

walidacji produktu wykonanej na pierwszych cz��ciach produkcyjnych. W tym wypadku �ebro zo-

stało wprowadzone z powodu problemów pojawiaj�cych si� podczas seryjnej produkcji.

3.4. Zastosowanie Metody Elementów Sko�czonych

Wszelkiego rodzaju zmiany w konstrukcji komponentów formowanych metod� wtrysków pla-

stiku mog� zosta� przestudiowane za pomoc� analiz z wykorzystaniem metod elementów

sko�czonych. Na etapie projektowania funkcjonalno�ci produktu istnieje mo�liwo�� przeanalizowa-

nia restrykcji przepływu przez wn�trze konstrukcji przy zadanych parametrach. Symulacje

pozwalaj� na wybór najkorzystniejszych parametrów konstrukcji i porównanie mi�dzy sob� kilku

wariantów, co ma znacz�cy wpływ na jako�� finalnego produktu i jego funkcjonalno��. Dla przy-

kładu podano analiz� restrykcji przepływy w plastikowej pokrywce pompy paliwowej. Do

przeprowadzenia podobnej analizy nale�y przygotowa� model 3D. Model ten powinien by� uprosz-

czony w stopniu niezmieniaj�cym zasadniczych funkcjonalno�ci komponentu, co nale�y do

subiektywnej oceny zespołu konstruktorów, po czym nale�y przygotowa� negatyw modelu b�d�cy

przestrzeni� robocz� dla przepływaj�cej cieczy. Uzyskana przestrze� robocza widoczna, jako model

e-

bro


Nr 84, 2017

12

geometryczny te� cz�sto wymaga dodatkowej obróbki, gdzie pojawiaj� si� mo�liwo�ci wprowadze-

nia uogólnie� w zbyt wysokim stopniu. Nale�y pami�ta� o zachowaniu odpowiedniego poziomu

szczegółowo�ci w celu jak najlepszego odzwierciedlenia rzeczywistego modelu. Wariantem nieko-

rzystnym płyn�cym ze zbyt szczegółowego modelu jest czas przeprowadzania analiz, który mo�e

wydłu�a� si� nawet do kilku dni, oraz ryzyko wyst�pienia bł�dów w siatce modelu. Rysunek 7

przedstawia wy�ej opisane kroki przygotowania modelu do analizy restrykcji przepływu:

Rysunek 7. Przygotowanie modelu przestrzeni przepływu do analizy restrykcji

W modelu przepływu cieczy zastosowano zaokr�glenia na naro�ach w celu unikni�cia sytuacji

z nadmiernym zag�szczeniem siatki – naro�niki te według konstruktorów nie wnosz� warto�ci do-

danej w analizie restrykcji przepływu, jednak jest to przykład miejsca, w którym mo�na popełni�bł�d w przygotowaniu modelu. Kolejnym etapem przygotowa� do symulacji jest zało�enie siatki

elementów sko�czonych na przygotowany model, co przedstawia rysunek 8.

Rysunek 8. Siatka elementów sko�czonych na modelu przestrzeni przepływu

Na tak przygotowanym modelu mo�na wykona� badania po wielokro� zmieniaj�c tylko drobne

szczegóły wyko�czeniowe, jedynym ograniczeniem s� zasoby czasowe przewidziane na ten etap

projektowania.

Nadane zaokr�glenia

Marcin Baran



13

Rysunek 9. Linie przepływu cieczy w pokrywie pompy

Rysunek 9 przedstawia linie przepływu cieczy, które wraz z wizualizacj� turbulencji, które

przedstawia rysunek 10 pozwalaj� na zaprojektowanie najmniej restrykcyjnej geometrii dla prze-

pływów cieczy w zadanych warunkach.

Rysunek 10. Wizualizacja turbulencji przepływu i wektorów kierunku przepływu

Opisane powy�ej przykładowe analizy pozwalaj� jedynie na badania nad funkcjonalno�ci�komponentu oraz wybranie tych cech konstrukcyjnych, których zmiany maj� najwi�kszy wpływ na

produkt. Badania takie mo�na z powodzeniem wykonywa� z u�yciem technik planowania ekspery-

mentów. Wybieraj�c funkcj� celu, czynniki steruj�ce i wszelkie zakłócenia konstruktorzy mog�sprawdzi� jak si� zachowa konstrukcja w skrajnych przypadkach. Gdy funkcjonalno�� produktu jest

osi�gni�ta na wymaganym przez odbiorc� poziomie konstruktorzy przechodz� do bada� nad para-

metrami konstrukcji pod k�tem niezawodno�ci. Wykonanie takich symulacji jest bardzo trudne,

poniewa� dostawcy materiałów nie dysponuj� danymi materiałowymi postarzonego materiału w za-

danych warunkach, których mo�na by u�y� do analizy MES. Aby wykona� podobne badania

niezawodno�ci najkorzystniej jest przygotowa� próbki fizyczne, poniewa� bł�d analizy na próbkach

rzeczywistych po przeprowadzonych testach starzeniowych jest znacz�co mniejszy od bł�du analizy

z wykorzystaniem metod elementów sko�czonych. Tymczasem konstruktorzy wykonuj� testy wy-

trzymało�ciowe symulowane z u�yciem danych materiałowych dla niestarzonego materiału. Słu�y

to najcz��ciej pogl�dowej analizie wytrzymało�ciowej, na podstawie której wida� kierunki zmian

w produkcie. Mo�na zatem z powodzeniem zbada� przy jakim nadci�nieniu projektowana obudowa


Nr 84, 2017

14

ulegnie destrukcji b�d� jak jest siła łamania tuby. Do takich analiz mo�na posłu�y� si� specyfika-

cjami technicznymi od testów na modelach rzeczywistych, aby miejsce przyło�enia siły było takie

samo, oraz pr�dko�� przemieszczania zgadzała si� wynikiem testu rzeczywistego. Tutaj równie�z powodzeniem mo�na wykorzysta� planowanie eksperymentów. Daje to mo�liwo�� przebadania

jak zachowa ci� produkt w dolnej i górnej granicy tolerancji danej cechy konstrukcyjnej. Dla przy-

kładu mo�na sprawdzi�, jak� wytrzymało�� ma obudowa przy najcie�szej przewidzianej

w dokumentacji rysunkowej �ciance pod k�tem wytrzymało�ci. Równolegle mo�na zbada�, jak za-

chowa ci� ta sama obudowa przy najgrubszej dopuszczalnej �ciance pod k�tem wci�gni��technologicznych i odkształce� podczas studzenia po procesie wtrysku. Wyniki analiz mo�na w dal-

szym ci�gu porównywa� z pó�niejszymi wynikami testów. Tak przeprowadzone badania skracaj�czas projektowania i podnosz� szanse na pełne powodzenie pierwszych wtrysków plastiku. Gdy

szczegóły geometryczne s� ustalone nast�puje sprawdzenie technologiczno�ci wyrobu i tutaj rów-

nie� mo�na z powodzeniem zastosowa� symulacje MES. Przykładem takiej analizy jest u�ycie

programu Moldflow firmy Autodesk do wykonania studium wypełnienia formy, bada� nad skur-

czami materiału w zadanej geometrii, optymalizacji procesu wtrysku. Podobnie jak w przypadku

analizy przepływów konstruktor zakłada siatk� elementów sko�czonych na uproszczony model, co

przedstawia rysunek 11.

Rysunek 11. Siatka elementów sko�czonych na modelu pokrywy pompy

Wynikiem analizy jest wizualizacja przedstawiaj�ca miejsca, w których skurcz mo�e wyst�pi�oraz warto�� odchyłki od geometrii nominalnej wyra�ona w milimetrach lub procentach obj�to�ci

jak przedstawia rysunek 12. Zaobserwowano najwi�ksze skurcze w miejscach, w których jest naj-

wi�cej materiału, co jest zgodne z obserwacjami na cz��ciach rzeczywistych na innych projektach.

Marcin Baran



15

Rysunek 12. Analiza wci�gni�� materiałowych w mm oraz w % odkształcenia

Jedn� z najbardziej przydatnych analiz z punktu widzenia jako�ci komponentu plastikowego

jest analiza deformacji komponentu w wyniku studzenia co przedstawia rysunek 13. Poni�szy obraz

przedstawia typow� sytuacj� krzywienia si� okr�głych elementów geometrii i przyci�gania ich do

korpusu, jest to powodowane du�� ilo�ci� materiału, który kurczy si� procentowo do swojej grubo-

�ci.

Rysunek 13. Analiza odkształcenia plastikowego komponentu po wystudzeniu

Powy�sza wizualizacja jest przeskalowana dziesi�ciokrotnie, aby móc zaobserwowa� odkształce-

nia w stosunku do nominalnej geometrii. Dla konstruktorów form wtryskowych jest to informacja, czy

dana geometria wraz z u�ytym materiałem ma tendencj� do deformowania si�. In�ynierowie dysponu-

j�c tak� informacj� mog� podj�� działania zapobiegawcze w ramach procesu b�d� zastosowa�przeciwkształty na formie wtryskowej. Poniewa� informacje te s� dost�pne jeszcze przed wyproduko-

waniem formy istnieje mo�liwo�� korygowania geometrii tak, aby nie zmieni� poziomu

funkcjonalno�ci a wzmocni� konstrukcj�, np. poprzez dodanie dodatkowych �eber usztywniaj�cych.

W wy�ej przedstawionych działaniach projektowych istotnym jest, aby rozpocz�� od analiz funkcjo-

nalno�ci produktu, potem wytrzymało�ci, a na samym ko�cu bada� technologiczno�� wtrysku plastiku.

Działania te minimalizuj� ryzyko w projektach, w których czas jest znacz�co ograniczony. Zmiana

kolejno�ci działa� projektowych mo�e doprowadzi� do bł�dów konstrukcyjnych. W przypadku

zmiany kolejno�ci działa� nale�y powtórzy� badania technologiczno�ci formy wtryskowej jeszcze raz,

tak aby były wykonane po optymalizacji funkcjonalno�ci i badaniach wytrzymało�ciowych. Pozwala

to unikn�� pó�niejszych akcji korekcyjnych na rzeczywistych formach wtryskowych.


Nr 84, 2017

16

3.5. Ustawienie procesu produkcyjnego i odpad na produkcji

Pierwszym efektem bł�dów popełnionych podczas projektowania komponentu s� problemy

podczas produkcji objawiaj�ce si� trudno�ciami z ustawieniem procesu. W konsultacji z in�ynierami

do spraw produkcji jednej z warszawskich firm bran�y motoryzacyjnej ustalono podstawowe czyn-

niki, powoduj�ce problemy w kalibracji procesu, a w dalszej kolejno�ci jego stabilizacji. S� to: bł�dy

konstrukcyjne komponentów, bł�dy w specyfikacji po stronie dostawców zarówno dla maszyn jak

i produktów oraz konieczno�� wezwania serwisu do kalibracji i/lub regulacji maszyn.

Przeanalizowano dziewi�� nowouruchamianych projektów w latach 2014 i 2015 i zaobserwo-

wano znaczny wpływ bł�dów konstrukcyjnych powtarzaj�cych si� i dotycz�cych obszaru

zgrzewania laserowego plastikowych cz��ci. Udział podstawowych czynników uniemo�liwiaj�cych

rozruch procesu w pierwszym podej�ciu przedstawia rysunek 14.

Rysunek 14. Diagram wyst�pie� zdarze� uniemo�liwiaj�cych uruchomienie procesu

produkcyjnego

W analizowanym przypadku za proces rozruchowy uwa�a si� proces, dzi�ki któremu mo�na

wyprodukowa� produkt w cało�ci, lecz niespełniaj�cy wszystkich wymaga� klienta. Komponenty

plastikowe wytwarzane metod� wtrysków wysokoci�nieniowych pochodz�ce z pierwszej dostawy

zwyczajowo nie spełniaj� specyfikacji i jest to podej�cie cz�sto zamierzone. Polega ono na przygo-

towaniu wst�pnego produktu w celu wykonania jego pomiarów na maszynie współrz�dno�ciowej

oraz analizy skurczu tworzywa sztucznego, tak aby w dalszych krokach wykona� poprawki odnie-

sione do otrzymanych wyników z rzeczywistych próbek. Dopiero podczas drugiego podej�cia do

procesu wtrysku plastiku wykonuje si� poprawki w celu spełnienia specyfikacji. St�d prezentowany

wynik na rysunku 14 przedstawiaj�cy, i� na dziewi�� uruchamianych projektów dziewi�� ma pro-

blemy z komponentami. Tymczasem na dziewi�� nowouruchamianych projektów a� sze�� ma

problemy z komponentami na płaszczy�nie specyfikacji tych komponentów. Oznacza to, �e zostały

one zaprojektowane niepoprawnie, b�d� tolerancje wymiarów zostały przyj�te bł�dnie. Oznacza to,

�e dokumentacja BoD (ang. Bill of Design) dla linii produktowej nie została zastosowana, b�d�celowo zaakceptowano odchyłki od jej zapisów w danym obszarze. Działanie to nie jest zgodne

z przyj�tym podej�ciem produktowym, które zakłada bezwzgl�dne u�ywanie dokumentacji BoD

oraz BoP (ang. Bill of Process). O tyle o ile mo�na egzekwowa� spełnienie wymaga� rysunkowych

od dostawcy, o tyle jest trudno wprowadza� zmiany na komponencie potrzebne do poprawnego

ustawienia procesu. Nawet je�eli zespół decyduje si� na wprowadzenie zmian, co wi��e si� z kosz-

tami, to nie zawsze istnieje mo�liwo�� implementacji ich w cało�ci ze wzgl�du na ograniczenia

Marcin Baran



17

techniczne, przez co mo�na jedynie doprowadzi� do zminimalizowania skutków problemu a nie do

jego eliminacji. Tabela 3 przedstawia warto�� procentow� 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

Ilo�� niezgodno�ci z BoD i BoP na projektach

b�d�cych w produkcji w 2015 roku Odpad na

produkcjiBoD BoP

Zgrzew 1 0 0,99%

Szczelno�� 2 2 1,33%

Montowalno�� 2 1 0,64%


Na jednym z produktów produkowanych w roku 2015 zaobserwowano odpad w wysoko�ci

0,99% ze wzgl�du na wypływk� na zgrzewie, której odbiorca nie akceptuj�. Zmusiło to dział kon-

troli jako�ci do odrzucenia cz��ci. W niniejszym projekcie znaleziono odchyłk� do dokumentacji

BoP. Audyt kolejnego projektu borykaj�cego si� z odpadem komponentów na te�cie szczelno�ci

wykazał niezgodno�ci w zakresie BoD oraz BoP. Działania koryguj�ce pozwoliły obni�y� odpad do

poziomu 1,33%. Inne projekty borykaj� si� z niepoprawnie zamontowanymi akcesoriami do obu-

dowy, co zmusiło in�ynierów procesu do poj�cia decyzji o reinstalacji. Wi�zało si� to z kosztem

i nakładem czasu, co opó�niało planowe przezbrojenie linii produkcyjnej. Jednak wysoko�� odpadu

nie wymusza uruchomienia działa� koryguj�cych, których koszt w badanym przypadku jest wy�szy

ni� koszty rozbiórki i ponownego zło�enia komponentów.

Reasumuj�c zaobserwowano, i� wszelkie niezgodno�ci do BoD lub BoP generuj� wy�szy odpad

na linii produkcyjnej, gdy� �rednia warto�� odpadu wynosi 0,35% dla analizowanej linii produktowej.

3.6. Raportowanie wyników bada�

Problemy powstałe podczas projektowania, uruchomienia produkcji lub zaistniałe w trakcie

produkcji raportowane s� do managerów, którzy nie znaj� szczegółów technicznych produktu, co

wymaga szczególnego przygotowania prezentacji zagadnienia. Przeło�eni bazuj� jedynie na infor-

macjach, które dostarczone s� poprzez in�ynierów do spraw jako�ci, produkcji lub in�ynierów do

spraw produktu. Organizowane jest wówczas spotkanie pomi�dzy managerami �redniego szczebla

a in�ynierami zajmuj�cymi si� bezpo�rednio produktem. Aspekty najcz��ciej stwarzaj�ce problemy

podczas czytania raportów w jednej z krakowskich firm z bran�y motoryzacyjnej to:

− zmiany formatowania raportów,

− brak informacji o szczegółach przeprowadzonych testów,

− brak odno�ników, do których mo�na przyrówna� obiekt,

− brak porównania z poprzednimi wynikami,

− brak wykresów.

Zmiany formatowania raportów i brak porównania do poprzednich wyników powoduje, �e bardzo

trudno jest skorelowa� testy i wyniki mi�dzy sob�. Zaobserwowano równie�, �e w 90% przypadków

brakuje informacji o wymiarach komponentu, co powoduje, i� w trakcie spotka� przegl�dowych za-

dawane s� pytania o gabaryty. Rysunek 15 przedstawiono komponent bez odniesienia do wymiarów.


Nr 84, 2017

18

Rysunek 15. Fotografia komponentu do ra-

portu bez informacji o wymiarach

Rysunek 16. Fotografia komponentu do ra-

portu zawieraj�ca informacje o wymiarach

Rysunek 17. Fotografia komponentu do raportu zawieraj�ca porównanie do standardowych

wymiarów innego ogólnie znanego przedmiotu

Powy�ej przedstawione sposoby wizualizacji komponentu na slajdach (rys. 16 i 17) pozwalaj�odbiorc� na wyobra�enie sobie, o jakich gabarytach przedmiotu jest mowa w prezentacji.

4. Podsumowanie

Niniejszy artykuł miał na celu przybli�enie podej�� wspomagaj�cych analiz� niezawodno�ci

produktu na etapie projektowania. Zaproponowano rozwi�zania minimalizuj�ce ryzyko polegaj�ce

na planowaniu eksperymentów za pomoc� symulacji z wykorzystaniem metod elementów sko�czo-

nych. Ponadto przedstawiono warto�� dodan� z wykonania metod planowania eksperymentów na

pierwszych cz��ciach prototypowych, a tak�e przedstawiono koszty eksperymentu oraz przewidy-

wane koszty obsługi gwarancyjnej w przypadku gdyby doszło do awarii gdyby eksperyment nie

został wykonany, b�d� nie dał odpowiedzi na pytania techniczne. Ponadto zwrócono uwag� na ry-

zyka powstaj�ce podczas upraszczania geometrii modelu 3D wykonywanego w trakcie przygotowa�do analiz przepływu cieczy (CFD) i analiz procesu wypełnienia formy wtryskowej ciekłym plasti-

kiem oraz zaproponowano podej�cie, które pozwala ograniczy� ryzyko pomini�cia istotnych

szczegółów kształtu produktu.

Marcin Baran



19

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 sko�czonego, on-line:

http://213.184.15.149/wwwkipr/markowski/techniki/1.%20Wprowadzenie%20do%20ME

S.pdf [dost�p: 20 marca 2017 r.].

[3] Bana� K.: Wprowadzenie do MES, 2012, [dost�p: 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, [dost�p: 23 czerwca 2014].

[10] Kalinowska K.: Outsourcing jako metoda zarz�dzania przedsi�biorstwem, Zeszyty

Naukowe Politechniki Europejskie, Finanse i Marketing, Nr 3 (52), 2010, s. 253–264.

[11] Lenart A.: Zarz�dzanie Cyklem �ycia Produktu a Systemy ERP, Komputerowo

Zintegrowane Zarz�dzanie, 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 [dost�p: 20 marca 2017 r.].


Nr 84, 2017

20

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 product. 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 Zarz�dzania

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Ul. Gramatyka 10, 30-067 Kraków

e-mail: [email protected]

ZAPEWNIENIE JAKO CI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA …€¦ · Proces projektowania komponentów...

Documents

Transcript of ZAPEWNIENIE JAKO CI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA …€¦ · Proces projektowania komponentów...