Ontwerpen
Design for Manufacturing
Het ontwerpen van een succesvol product Een product kan als succesvol bestempeld worden als het beantwoordt aan een vraag vanuit de markt. Dus moet het een goed functionerend product zijn, dat op tijd in de juiste aantallen op de markt kan worden gebracht tegen een scherpe prijs en met een goede kwaliteit. Aan de ontwerper de schone taak dit succesvolle product te ontwerpen; maar hoe dit te doen?
Arnold Schout, Schout DfM Noud Hendriks
28
Van een ontwerper wordt altijd een goed functionerend product verwacht, maar dat is niet de enige eis die aan het ontwerp wordt gesteld. Het ontwerp moet niet alleen realiseerbaar zijn – dit betekent dat het te maken is – maar moet ook tegen een acceptabele integrale kostprijs te produceren zijn om het product tegen een concurrerende prijs op de markt te kunnen zetten. Bovendien moet het product op tijd en in de juiste aantallen te produceren zijn om aan de vraag van de markt te voldoen. Een product dat op tijd te maken is in voldoende aantallen en voor een
acceptabele kostprijs noemen we goed maakbaar. Er is dus een belangrijk verschil tussen realiseerbaar en goed maakbaar. Realiseerbaarheid is de minimale vorm van maakbaarheid. Design for Manufacturing De ontwerper heeft een doorslaggevende invloed op zowel de functionaliteit als de maakbaarheid van het product. De ontwerper hoort een ontwerp neer te zetten dat zowel aan de eisen op gebied van functionaliteit als maakbaarheid voldoet. Design for Manufacturing (DfM) is in de jaren ’90
Van de ontwerper wordt een goed functionerend product verwacht, dat voor een acceptabele integrale kostprijs op tijd en in de juiste aantallen voor een concurrerende prijs op de markt kan worden gebracht.
Constructeur 4/2014
Ontwerpen
Veel DfM-boeken en -trainingen zijn opgezet alsof het bijhouden van kennis van maakprocessen voldoende is om DfM te introduceren. Zonder de ontwerper support te geven bij zijn ontwerpkeuzes zal dit niet tot de gewenste doorbraak in DfM leiden. Volgens ons is kennis van maakprocessen het middel om totale doorlooptijden en kosten in te schatten. Het eigenlijke doel is het reeds in de ontwerpfase terugdringen van deze doorlooptijd en integrale kosten. Vergaren van kennis van maakprocessen leidt meestal wel tot verbeteringen in het ontwerpen, maar het is onvoldoende gericht op de onderbouwing van de ontwerpbeslissingen. De hier gehanteerde DfM-methode bevat een compleet ontwerpproces gericht op succesvolle producten. Met de methode wordt structuur in het ontwerpproces gebracht. Productkosten worden gereduceerd en met de ‘time to market’ wordt rekening gehouden zodat het product op tijd op de markt is. Daarnaast omhelst de methode het onderbouwen en archiveren van ontwerpkeuzes, met een stuk kennisopbouw als resultaat. Door deze structuur is het informeren en communiceren met het management ook eenvoudiger.
geïntroduceerd als het gebruiken van kennis van maakprocessen om bij ‘bestaande’ ontwerpen de kostprijs te verlagen. Dit wordt dan vaak toegepast na het prototype. In de hier behandelde methode worden de totale doorlooptijden en integrale kosten bij elke ontwerpkeuze proactief meegewogen. Design for Manufacturing (DfM) is daarmee een productontwikkelingsmethode die het ontwerp optimaal laat aansluiten bij de productiemethoden om de productie later vlot te laten verlopen. Dit houdt in dat tijdens het volledige ontwerptraject niet alleen op de functionaliteit, maar ook op de maakbaarheid van het product gelet wordt. Maakbaarheid wordt gedefinieerd via de twee maakbaarheidsaspecten: - totale doorlooptijd; - integrale kosten. In deze DfM-aanpak worden alle ontwerpalternatieven, naast op functie ook beoordeeld op de totale doorlooptijd van het ontwikkeltraject en op de integrale kostprijs. De aanpak leidt meteen tot een compleet ontwerp in plaats van een prototypeachtig ontwerp dat vooral gericht is op het functioneren en waar later nog van alles aan moet
Constructeur 4/2014
Bron: Autodesk
‘DfM 2.0’
De ontwerper heeft een doorslaggevende invloed op zowel de functionaliteit als de maakbaarheid van het product. worden gesleuteld om er een maakbaar product van te maken. Hiermee is de DfM-aanpak in feite niets anders dan ‘first time right’ ontwerpen. Slechts drie criteria De ontwerper toetst elke ontwerpbeslissing aan de drie criteria: - functionaliteit; - doorlooptijd; - integrale kosten. De drie criteria zijn compleet en niet overlappend. Daarmee wordt bedoeld dat alle denkbare eisen aan een product in één van deze criteria passen.
Bij de hier gehanteerde DfM-methodiek wordt elke ontwerpbeslissing getoetst aan drie criteria: functionaliteit, totale doorlooptijd en integrale kosten.
29
Ontwerpen
Doorgaan met Fyra misschien toch de betere optie? Een goed voorbeeld waar reeds gemaakte kosten en tijd een rol hebben gespeeld in het beslissingsproces, is het schrappen van de Fyra. De hogesnelheidstrein die tussen Nederland en Belgie zou rijden, maar geplaagd werd door tal van problemen. Dat de Fyra tot heden een mislukt project is zal iedereen beamen. Maar de vraag of de Fyra in de nu ontstane situatie toch nog de beste keuze is lijkt niet meer gesteld te worden of te mogen worden?
Onderzoek Uit een onafhankelijk onderzoek uitgevoerd door Mott MacDonald blijkt dat in hooguit 17 maanden de gehele Fyra-vloot opgelapt had kunnen worden tot een kwalitatief goede trein. Het is onmogelijk
om binnen dat tijdsbestek een andere hogesnelheidstrein rijdend te hebben. Voor wat betreft de doorlooptijd was aanhouden van de Fyra dus de beste optie.
Integrale kosten Ook op het aspect integrale kosten doet de Fyra het goed. De vraagprijs van de 16 Fyra’s was 320 miljoen euro, waarvan ruim 200 miljoen al aanbetaald was. Uiteindelijk heeft de NS 125 miljoen terug gekregen, maar dat betekent dat de NS nog altijd 88 miljoen heeft uitgegeven voor geen trein. Voor 120 miljoen euro ‘nog te maken kosten’, plus de kosten in verband met opknappen en aanpassen, had er een werkende vloot hogesnelheidstreinen kunnen rijden. Dit bedrag had zelfs nog lager uit kunnen vallen. In een vergelijkbare situatie heeft de Deense spoorwegen 50% korting gekregen vanwege te late levering. De kosten voor het ontwerpen en het produceren van een andere hogesnelheidstrein zullen vrijwel zeker hoger zijn dan de kosten voor het in orde maken van de Fyra.
Reële optie Dat het NS-bestuur geen vertrouwen meer had in AnsaldoBreda, de producent van de Fyra, of gezwicht is voor de publieke opinie is te begrijpen. Maar puur gekeken naar de maakbaarheidsaspecten was doorgaan met de Fyra een zeer reële optie om op korte termijn voor-‘minimale-nogte-maken-kosten’ een hogesnelheidstrein te hebben die voldoet aan de destijds door de NS gestelde eisen.
Bron: NS
30
De functionele eisen waaraan het product dient te voldoen worden vastgelegd in het Programma van Eisen (PvE). Bij elke ontwerpkeuze kan worden bepaald of de keuze voldoet aan de eisen zoals beschreven in het PvE. Het PvE is een ‘levend’ document, waarin alle eisen aan het product zijn opgenomen. Gedurende de ontwerpperiode zullen eisen worden toegevoegd en aangepast. In de beoordeling op functionaliteit is het PvE leidend. Het product moet simpelweg voldoen aan de eisen die, op dat moment, in het PvE gesteld worden. De doorlooptijd in deze methode is de nog benodigde tijd vanaf nu tot het einde van de opdracht. Dit is veelal het moment dat productie wordt vrijgegeven. De integrale kosten zijn alle nog te maken kosten, inclusief een af te spreken periode van productie. Reeds gemaakte kosten zijn niet relevant in het beslissingsproces. Dit roept vaak weerstand op, maar met de gedachte dat een
beslissing alleen de toekomst kan beïnvloeden is dit vlot uit te leggen. Ontwerpkeuzes Aan de hand van deze criteria is een matrix op te stellen die elke ontwerpbeslissing zal ondersteunen en helpt bij het archiveren. Dat het invullen van de matrix, op de aspecten doorlooptijd en kosten, de nodige kennis vereist spreekt voor zich. In de DfM-matrix staan de alternatieven naast elkaar en verder wordt iedere ontwerpbeslissing beoordeeld op de drie criteria. Alleen ontwerpen die voldoen aan de functionele eisen worden beoordeeld op de maakbaarheidscriteria. Hoewel de drie evaluatie-criteria elkaar wel beïnvloeden moeten ze afzonderlijk op hun merites worden beoordeeld. Staat een onderdeel door een ontwerpbeslissing bijvoorbeeld een dag extra op een draaibank, dan is die dag de invloed op de
Constructeur 4/2014
Ontwerpen
totale doorlooptijd. Nu zal in de doorlooptijd van een ontwerptraject die ene dag normaal gesproken nauwelijks interessant zijn. Maar aan die dag op de draaibank hangt uiteraard wel een prijskaartje, en of de kosten acceptabel zijn is voor de ontwerpbeslissing een separaat criterium. Aan het ontwerp met een specifiek materiaal en geometrie hangt een bepaalde productietechniek met een bijbehorende doorlooptijd en kostenplaatje. Het alternatief ontwerp met een ander materiaal kan leiden tot een andere productietechniek, met misschien lagere integrale kosten, maar mogelijk langere totale doorlooptijd. Het ontwerpen van een product op een maakproces heeft ook gevolgen voor de kosten en doorlooptijd. Bijvoorbeeld als het alternatief draaiproduct wordt vergeleken met het alternatief dieptrekproduct. De kosten van dit dieptrekproces zijn voor grote series vaak lager, maar omdat ontwikkeling van tooling et cetera nodig is zal de doorlooptijd toenemen. Door de alternatieven naast elkaar te zetten en deze op functie, doorlooptijd en kosten te beoordelen kan een weloverwogen en onderbouwde beslissing worden genomen. Bij ontwerpkeuzes op systeemniveau zijn assemblage in totale tijd en kosten belangrijk. Kennis van maakprocessen Het is essentieel om een goede inschatting voor doorlooptijd en kosten te maken. Pas dan is het mogelijk om een goede afweging te maken tussen de verschillende ontwerpalternatieven. Om de
De DfM-matrix: Allereerst wordt getoetst of ontwerpalternatieven voldoen aan de eisen gesteld in het PvE. Als dit het geval is worden de alternatieven beoordeeld op de maakbaarheidscriteria doorlooptijd en integrale kosten. gevolgen van een ontwerpbeslissing op de doorlooptijd en de integrale kosten adequaat te kunnen afwegen is kennis van maakprocessen onontbeerlijk. Alleen met voldoende kennis van maakprocessen en hun toepassingsmogelijkheden is een gefundeerde en weloverwogen inschatting van de doorlooptijd en kosten mogelijk. Dit betekent niet dat de ontwerper alle maakprocessen tot op detailniveau moet kennen. Maar de wil om voldoende informatie te (laten) verzamelen is al een eerste grote stap in de juiste richting. Bewerkingstijden hoeven niet op de minuut te worden bepaald, maar er moet wel een goede inschatting zijn of de bewerking minuten, uren of dagen vergt. Tevens moet de ontwerper op de
Om de gevolgen van een ontwerpbeslissing op de doorlooptijd en de integrale kosten adequaat te kunnen afwegen is kennis van maakprocessen onontbeerlijk.
Constructeur 4/2014
31
Ontwerpen
hoogte zijn van de vormen die met de betreffende productietechnieken kunnen worden gemaakt en welke vorm- en plaatstoleranties hierbij haalbaar zijn. Een tweede stap is de acceptatie door de ontwerper dat hij ook de maakprocessen ‘kiest’ en dient te kiezen. Door naar een maakproces te ontwerpen kan de ontwerper de mogelijkheden van het maakproces volledig benutten en bepalen of zijn ontwerp in de klasse niet-realiseerbaar of goedmaakbaar ligt. Het ontwerpen naar een maakproces is in deze methode dan ook een rol van de ontwerper. Rol van het management De ontwerper neemt fundamentele beslissingen die direct van grote invloed zijn op het succes van een product. Daarmee heeft hij (of zij) ook een directe invloed op het succes en daarmee zelfs op
Over de auteurs
32
Na zijn studie werktuigbouwkunde aan de HTS en Technische Universiteit Eindhoven, is Arnold Schout aan de slag gegaan als specialist in maakprocessen bij Philips CFT (Center For manufacturing Technology). Daar heeft hij, eerst als teamlid en later als groepsleider, samengewerkt met ontwerpers en maakprocesspecialisten en zodoende veel ervaring opgedaan in het ontwerpproces en kennis vergaard van diverse gebieden zoals plastisch vormen van metalen, spuitgieten, mechanica analyses en koudglasbewerken. In 1990 kwam bij Philips het besef dat maakbaarheid al tijdens het ontwerpproces meer aandacht moest krijgen. Er was behoefte aan een methode om dit in het ontwikkeltraject in te bedden. Vanwege zijn ervaring werd Schout gevraagd deze groep op te starten. Als groepsleider was hij verantwoordelijk voor het tot stand komen en uitdragen van deze methode. Sinds 2002 is hij zelfstandig senior-consultant op het gebied van ‘ontwerpen en maakbaarheid’. De methode is uitgebouwd en er is een cursus om ontwerpers deze methodiek aan te leren. De DfM-cursus is ook bij het Mikrocentrum in het pakket opgenomen. Daarnaast heeft Schout opdrachten uitgevoerd als consultant bij onder andere ASML, C2V, FEI, Nedinsco, Philips en Stirling. Noud Hendriks heeft werktuigbouwkunde gestudeerd aan de HTS en TUEindhoven. Bij Philips is hij meer dan 30 jaar werkzaam geweest op diverse productontwikkelingsafdelingen van professionele apparaten, consumenten elektronica en componenten. Als productontwikkelaar is hij geïnteresseerd in het ontwikkelingsproces en methodieken die de ontwikkelaars echt helpen hun complexe taak goed uit te kunnen voeren. Noud Hendriks heeft meegewerkt aan de ontwikkeling van de DfM-methode. Deze methode stelt de ontwikkelaar in staat om voortdurend beslissingen te kunnen nemen, die door de gehele organisatie worden gedragen. Het is de primaire taak van de ontwikkelaar om producten te ontwerpen die goed functioneren. Daarnaast staat hij vaak onder enorme druk om snel tot productie te komen en de kosten laag te houden. Door de maakbaarheidaspecten, tijd en kosten, in de ontwerpbeslissingen mee te wegen, kunnen de consequenties van ontwerpkeuzes aan de hele organisatie tijdig duidelijk worden gemaakt. De organisatie kan dan beslissen om verder te gaan met de beste, de snelste of de goedkoopste alternatieve oplossingen.
het voortbestaan van het bedrijf. Het komt voor dat managers de ontwerpbeslissingen aan de ontwerper overlaten, zonder zich te realiseren dat deze beslissingen nog jaren invloed kunnen hebben op het succes van het bedrijf. Het is van groot belang dat het management de productontwikkeling ziet als een belangrijk en complex proces en beseft dat dit lastiger is dan het zich wellicht op het eerste gezicht laat aanzien. Het is daarom noodzakelijk dat het management de ontwerper ondersteunt en waar mogelijk sturing geeft bij zijn taak: succesvolle productontwikkeling. De rol van het management bestaat onder andere uit formeren, coachen en begeleiden van het projectteam en het formuleren van duidelijke opdrachten. Het management zorgt er verder voor dat er voldoende kennis en ervaring aanwezig is in het team en waakt over de voortgang, de kwaliteit van de ontwerpkeuzes en de kwaliteit van de projectorganisatie, echter zonder op de stoel van de ontwerper te gaan zitten. Documenteren Gedurende de productontwikkeling worden zeer veel ontwerpbeslissingen genomen. Het is onmogelijk om alle onderbouwing te onthouden. Daarnaast dienen de deelnemers in het projectteam en het management op de hoogte worden gehouden. Daarom worden bij deze aanpak alle ontwerpbeslissingen vastgelegd en gedocumenteerd met behulp van de DfM-matrix. Terug kunnen vinden waarom gekozen is voor een ontwerprichting en waarom alternatieven afgevallen zijn zal ook bij volgende projecten van pas komen. De gemaakte beoordeling op functionaliteit, doorlooptijd en kosten die daar aan ten grondslag liggen, kan voorkomen dat alternatieven worden bekeken die eerder zijn gesneuveld. Daarom is het van belang ook de ‘missers’ goed te documenteren. Gebrekkige vastlegging leidt tot herhaling van fouten, juist omdat de onderbouwing ontbreekt. Ondanks het feit dat er meer aandacht is voor de succesverhalen, valt er veel te leren uit de projecten die zijn mislukt. Conclusie Deze DfM-methode is gericht op het ontwerpen van succesvolle producten. Door niet alleen te ontwerpen op functie, maar door ook bij iedere ontwerpkeuze de totale doorlooptijd en de integrale kosten in te schatten en te vergelijken wordt er een volledige afweging van de ontwerpalternatieven gemaakt. Door iedere kans aan te grijpen om te optimaliseren naar doorlooptijd en/ of kosten zal de ontwerper zijn stempel drukken op het succes van de onderneming. www.schout.eu
Constructeur 4/2014
