4 ZAPEWNIENIE JAKOCI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA Z WYKORZYSTANIEM METOD SYMULACYJNYCH – STUDIUM PRZYPADKU NA PRZYKLADZIE BRANY MOTORYZACYJNEJ MARCIN BARAN Streszczenie W artykule zaprezentowano potencjalne ryzyka moliwe do wystpienia podczas projektowania produktu dla brany motoryzacyjnej imajce wplyw na jakoi nieza- wodnowyrobu finalnego. Ponadto w pracy okrelono stopie, w jakim opisane ryzyka wplywajna proces projektowania oraz przedstawiono sposobów ich minima- lizacji. Slowa kluczowe: niezawodnosystemów, projektowanie produktu, planowanie eksperymentów, zarzdzanie jakociWprowadzenie Proces projektowania komponentów dla brany samochodowej zostal przekazany do realizacji zewntrznym firmom w ramach outsourcingu przez wikszomarek samochodowych [7, 10]. Wylonilo siwiele globalnych firm dostarczajcych podzespoly bezporednio przeznaczone do montau [4]. Projekty dla brany motoryzacyjnej realizowane sw oparciu o sprecyzowane specy- fikacje produktowe. Dokumenty te zawierajplany walidacyjne, procedury oraz instrukcje jak naley przeprowadzitest w przypadku niestandardowych wymaga[13]. Obecnie coraz szybciej wchodzna rynek nowoczesne technologie, co zwizane jest z unormo- waniami prawnymi dotyczcymi kontroli emisji szkodliwych zwizków do atmosfery, jaki i zapotrzebowaniem konsumentów [1]. Taka sytuacja wymusza na dostawcach podzespolów ko- niecznoszybkiego dzialania na plaszczynie projektowania i przygotowania do produkcji [8]. Wszelkie przyspieszenie prac nad innowacyjnymi rozwizaniami dla brany samochodów osobo- wych wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na etapie projektowania na aspekty jakociowe i niezawodnociowe [11]. Aby wyjnaprzeciw wymaganiom klientów oraz cigle podnosijakooferowanych produk- tów organizacje coraz czciej decydujsina wdraanie technik prewencyjnych na etapie projektowania. W niniejszej pracy przedstawiono podejcia oraz narzdzia wspomagajce analizi badania niezawodnoci komponentów, a take sposoby wykorzystania tych narzdzi. Ponadto przeanalizowano, jakie narzdzia te majwplyw na proces projektowania. 1. Dzialania projektowe na etapie rozwoju produktu Grupa Badai Rozwoju (ang. research and development – R&D) w brany motoryzacyjnej czsto 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 zbliony do ogólniej cieki rozwoju R&D [6]. Jak pokazano na rysunku 1 technologia, która zostala prawi- dlowo rozwinita za pomoccieki TDP moe bydalej rozwijana przy uyciu procesu ADP, gdzie
17
Embed
ZAPEWNIENIE JAKO CI PRODUKTU NA ETAPIE PROJEKTOWANIA …€¦ · Proces projektowania komponentów dla bran y samochodowej został przekazany do realizacji zewn trznym firmom w ramach
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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-
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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%
�ródło: materiały własne.
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.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
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
Zapewnienie jako�ci produktu na etapie projektowania z wykorzystaniem metod symulacyjnych –
studium przypadku na przykładzie bran�y motoryzacyjnej
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: