Ontwerpen voor kleine series Jurgen Ceuppens University College of West-Flanders University of Ghent Kortrijk, Belgium
Abstract—In deze tekst worden specifieke ontwerpmethodes en technieken toegelicht voor het ontwerpen voor kleine serieproductie. Keywords—ontwerpen, kleine series, digitale productie-technieken, prototyping, co-design
1 Wat is kleine serieproductie? De maakindustrie evolueert in twee richtingen: Design for the mass: Mass production. - Ondernemingen maken standaardproducten voor een mondiale markt. - De producten spelen in op globale trends en worden meestal in lage loon landen door middel van massaproductietechnieken geproduceerd - Voorbeelden: smartphones, huishoudtoestellen, speelgoed, … Design for small user groups: low-volume production. - Ondernemingen maken gepersonaliseerde, kleine reeksen, bestemd voor nichemarkten. Geen 10 maal 100, maar 100 maal 10. - De producten zijn afgestemd op lokale en specifieke wensen en worden meestal door middel van “low volume”-productietechnieken geproduceerd. - Voorbeelden: prothesen en orthesen, meubilair, topsport-producten, medische apparatuur,… Bedrijven in de maakindustrie produceren trouwens steeds meer in kleine series. - Met behulp van nieuwe ‘low volume’-productietechnieken (zoals ‘additive manufacturing’) kunnen de meest complexe en unieke vormen op een winstgevende manier worden geproduceerd. - Met kleine series kan men inspelen op de ‘personalised manufacturing’-trend om producten af te stemmen op de specifieke klant of klantengroepen, of waarbij de klant zelf het product kan configureren naar zijn eigen wensen. - Steeds meer bedrijven producten ontwikkelen voor heel kleine markt –en klantensegmenten. - Steeds meer bedrijven ervoor kiezen om een nieuw of verbeterd product eerst te testen op basis van kleine series (de nulserie) in proeftuinen of ‘livinglabs’, alvorens het product in grotere oplages wordt vermarkt. Oplages zijn typisch kleiner dan 50 stuks. Men zou over kleine series kunnen spreken voor oplages van 5 tot 250 stuks. Dit is echter zeer afhankelijk van het type product.
2 Co‐design Om snel de specifieke noden van de klant(en) of klantengroep(en) kunnen detecteren moet men op een andere manier tewerk gaan dan als men doet voor producten die in massa geproduceerd worden. Tevens kiest de klant voor een “specifiek om maat gemaakt” product en zijn zijn verwachtingen dus enigszins anders. Doormiddel van co-design technieken kan het product samen met alle stakeholders ontwikkeld worden. Hierbij zijn het naar bovenhalen van onuitgesproken criteria of eisen belangrijk. Wat de ontwerper als belangrijk gevonden wordt kan voor een andere stakeholder van kleiner belang zijn of omgekeerd. Door een intensieve samenwerking kan op deze manier een product gerealiseerd worden dat voldoet aan de verwachtingen en noden van de klant voor een kostprijs die de klant wil betalen. Indien de meeste onderdelen buitenhuis geproduceerd worden is een zeer goede relatie en samenwerking met onderaannemers en toeleveranciers van groot belang. Immers zij zijn specialisten in hun domein, en beschikken dus over de kennis om een onderdeel voor een zo laag mogelijke kostprijs te fabriceren. Men kan niet verwachten dat een ontwerper over al deze kennis beschikt. Door aan concurrent engineering te doen samen met onderaannemers, en hun dus ook een deel verantwoordelijkheid voor het ontwerp te laten opnemen wordt een efficiëntere productie mogelijk. Bepaalde afmetingen of vormen van onderdelen mogen meestal sterk afwijken van het originele model zonder enig effect te hebben op de functie, assemblage, werking of uitzicht van het product. Indien men deze specificaties openlaat en vrij te kiezen door de toeleverancier kan hij met de tools en productietechnieken die op dat moment ter beschikking heeft het onderdeel maken, meestal aan een lagere kost. Door de toeleverancier mee te betrekken in het ontwerpproces wordt het ook eenvoudiger om zo te ontwerpen dat hij met minimale inspanningen het onderdeel kan vervaardigen.
3 Ontwerptechnieken voor kleine series Massaproductie heeft als voordeel dat de vaste kosten gespreid worden over de grote productiereeksen. Tevens zijn de aankoopprijzen voor materialen en standaard componenten lager aangezien ze in grote hoeveelheid aangekocht worden. Een hoge kost in ontwerp en engineering is gerechtvaardigd. De productie kan volledig afgestemd en aangepast worden naar het product. Bij low- volume production daarentegen moet men terugvallen op bestaande middelen en productieprocessen. Producten worden zo ontworpen zodat zij via de beschikbare productiemiddelen gefabriceerd kunnen worden. Om kostenefficiënt van de eerste keer het juiste ontwerp maken voor de productie in kleine series worden volgende aspecten die hierbij belangrijk zijn besproken: 1) Ontwerprichtlijnen en creativiteitstechnieken 2) Ontwerpen voor productie (Design for manufacture) 3) Standaard onderdelen 4) Modulariteit en configuraties 5) Verbindingen 6) Prototyping
3.1 Ontwerpprincipes Ontwerpregels, principes en richtlijnen is de gebruikelijke manier om kennis en ervaring tussen ontwerpers uit te wisselen. Deze kunnen zeer specifiek tot zeer abstract zijn. Een algemene ontwerpstrategie bestaat eruit de stappen informeren / exploreren / kiezen / testen meermaals te doorlopen.
Afbeelding 1: ontwerpstrategie
Vooralsnog zijn er weinig richtlijnen terug te vinden die specifiek opgesteld zijn voor het ontwerpen van kleine series. Enkele richtlijnen die bij het ontwerpen van kleine series in het bijzonder van belang zijn: a) Waar mogelijk, maak gebruik van standaard materiaal, componenten en ontwerpen. b) Productiespecificaties dienen zo eenvoudig mogelijk te zijn. Door bijvoorbeeld zoveel mogelijk nauwe toleranties te vermijden. “Value analysis” is een methodiek om een product of proces te herontwerpen om zo de kostprijs te reduceren. Men creëert een meerwaarde door het nastreven van: ‘the total function for lowest overall cost. Men doet dit door het product op te delen in zijn functies, elke functie te analyseren, en voor elke functie alternatieven te vinden aan een lagere kost. De kern van “value analysis is de “Blast, create and refine” techniek. Blast: identificeren van elke functie in het product. Create: Zoeken van alternatieven voor elke functie. Refine: De meest bruikbare ideeën kunnen worden gebruikt voor het herontwerp.
3.2 Ontwerpen voor productie (Design for manufacture) Zelfs een goed concept kan op zodanige manier ontworpen zijn dat het niet economisch haalbaar is om te produceren in kleine oplages. Aangezien men zeer gelimiteerd is in investeringskosten voor tooling, bijvoorbeeld matrijzen, zijn bepaalde productietechnieken zoals kunststof spuitgieten meestal niet haalbaar voor kleien series. Door van in het beging te kiezen voor een juiste productietechniek die geschikt voor de fabricage van het onderdeel in kleine oplages kan men snel overgaan tot een goed en correct design. Deze keuze is echter niet eenvoudig. Door te kiezen voor een bepaalde productietechniek bepaald men in grote mate de vormvrijheid en materiaal. Het ontwerp zal hierdoor sterk beïnvloed worden. Bij het ontwerpen voor een bepaald productieproces dient men er rekening mee te houden dat oplages eventueel kunnen stijgen. Men kan in het beging zo ontwerpen dat het herontwerp niet tijdrovend is. Zo kan men ontwerpregels die gelden voor spuitgieten toepassen op een onderdeel dat men eerst in kleine series 3D print of CNC freest. Men kan dan echter vormvrijheden die 3D printen of CNC frezen toelaten niet gebruiken.
Afbeelding 2: Low‐cost Endoscoop / Evotech en IDEO.org ,
Bij de Low-cost Endoscoop (Afbeelding 3) is de behuizing van deze endoscoop is vervaardigd uit ABS door middel van CNC frezen. De onderdelen zijn zo ontworpen dat een overschakeling naar massaproductie met behulp van spuitgieten mogelijk is zonder grote wijzigingen in het ontwerp. Optimalisatie van materiaal, vorm en proces. De meest economische manier om een onderdeel te vervaardigen hangt af van de beste keuze van materiaal, vorm en productieproces. De functie van het onderdeel bepaald meestal de materiaalkeuze en vorm. Spijtig genoeg kan niet elke vorm geproduceerd worden door elk proces en in eender welk materiaal. Ronde vormen kan men draaien, maar niet frezen. Vorm, materiaal en proces zijn van elkaar afhankelijk. Bij het vastleggen van een van deze, worden de mogelijkheden voor de andere beperkt. De juiste keuze maken om een onderdeel zo economisch mogelijk te produceren is het objectief van design for manufacturing. Concurrent engineering Een van de belangrijke doelstellingen van concurrent engineering richt zich erop om tijdens het ontwerpproces rekening te houden met productie aspecten. Veelal wordt het product samen met het productiesysteem ontworpen om zo een economisch haalbare productie te garanderen. Dit is van uitermate belang om een kostenefficiënt ontwerp te realiseren.
Afbeelding 4: “Waterval of sequentiële ontwikkelingsmethode tegenover iteratieve ontwikkelingsmethode (Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Concurrent_engineering )
Produceerbaarheid Door gebruik te maken van technieken als design for manufacture (DFM) kan men tijdens het ontwerpproces dure features detecteren en uit het ontwerp halen. Design for assembly (DFA) richt zich op het verkorten van assemblagetijden. Meestal bestaan deze technieken uit checklist, vragen en tabellen om te bepalen of een ontwerp hoe geschikt het is voor productie of assemblage. Er zijn echter enkele nadelen verbonden aan deze methodes. 1) de methode
kan enkel gebruikt worden als alle details van het ontwerp gekend zijn. Op het einde van het ontwerpproces met andere woorden. 2)alternatieve productieprocessen worden niet overwogen. 3) ontwerpers zijn niet altijd vertrouwd met de procesparameters die de maakbaarheid bepalen. Het gebruik van deze technieken is minder interessant voor kleien series dan voor zeer grote oplages. Desondanks is het belangrijk om grote kosten te vermijden en te ontwerpen naar de mogelijkheden en beperkingen van het productieproces. Keuze van productieproces, vorm en materiaal. Voor de productie van kleine series zijn bepaalde productieprocessen interessanter dan andere. Veelal wordt er gebruik gemaakt van CNC machineren, Lasersnijden,vacuümgieten, vacuümvormen, rubberpersen, lamineren van composieten, CNC machineren. Meer en meer worden technieken zoals Additive Manufacturing (3D printen) en incrementeel omvormen gebruikt. Waar voorheen deze technieken hoofzakelijk gebruikt werden voor het maken van prototypes is de techniek zodanig geëvolueerd dat zij nu ook ingezet worden voor de productie van kleine series. Investerings- en tooling kost De kost om een onderdeel te draaien wordt bepaald door de investeringskost in de aanschaf van een draaibank, kostprijs van de tooling, materiaalkost en de kost voor de operator. Bij kleine series zijn de vaste kosten, investering en tooling, die bepalen of deze productietechniek gekozen wordt. Een draaibank is relatief goedkoop en tooling is meestal standaard beschikbaar. Dit bepaald voor een deel waarom deze productiemethode populair is voor het produceren van kleine reeksen. Spuitgieten daarentegen vraagt hoge investeringskosten en een hoge kost voor tooling, de matrijs. Toeleveranciers Productieprocessen met een hoge investeringskost, maar waar geen nood is voor speciale tooling, zoals lasersnijden kan ook uitermate geschikt zijn voor kleine series. Men werkt hier dan door de onderdelen bij een toeleverancier te bestellen. Deze toeleverancier spreid zijn investeringskosten over verschillende orders waardoor het rendabel is om ook kleine reeksen te produceren; Dit is echter enkel het geval als de toolingkost onbestaande of klein is. “Make or buy” beslissing, productieprocessen met een lage investerings- en toolingkost laten toe om deze in huis te halen. Processen met een hoge investeringskost en lage toolingkost kunnen geschikt zijn voor kleine series indien men werkt via toeleveranciers. Lasersnijden en additive manufacturing zijn bijvoorbeeld eenvoudig toegankelijk zijn voor kleine series bij gespecialiseerde bedrijven. Kleine bedrijven besteden echter de productie van de meeste onderdelen uit en assembleren nog enkel het uiteindelijke product. Dit geeft een grotere vrijheid in de keuze van productieprocessen en laat een grote flexibiliteit in productie toe. Vormgeving Voor elk productieproces zijn er bepaalde vormen die eenvoudig , moeilijk of onmogelijk te produceren zijn. Op een traditionele draaibank is het eenvoudig om cilindrische vormen te maken, conische vormen iets moeilijker. Rechthoekige vromen zijn daarentegen niet mogelijk. De meeste productieprocessen die geschikt zijn voor kleine series hebben sterke beperkingen naar vormgeving. Additive manufacturing daarentegen laat zeer veel vormvrijheid toe. Men kan hierdoor onderdelen vervaardigen die moeilijk of onmogelijk te produceren zijn met andere productiemethodes. Voor plaatmateriaal kan men via incrementeel omvormen op een economische manier kleine series in plaatwerk maken met een hoge vormvrijheid.
Afbeelding 5: incrementeel omvormen / F3T Ford Freeform Fabrication Technology, Ford
Halffabrikaten Door gebruik te maken van halffabrikaten heeft men toegang tot producten die in massa geproduceerd zijn aan een lagere kostprijs. Onderdelen kunnen dan vanuit stock (staven, profielen, platen) met een minimum aan machinering tot het eindproduct omgevormd worden. Standaard profielen bijvoorbeeld zijn courant en snel leverbaar in diverse vormen en materialen. Toleranties en oppervlakteruwheid Nauwe toleranties en fijne oppervlakteruwheid kan de productiekost van een onderdeel fix de hoogte in jagen. De meest ruime tolerantie en hoge oppervlakteruwheid dient gespecifieerd te worden voor een zo economisch mogelijke productie van het onderdeel. Door een slim ontwerp, en enkel het specifiëren van nauwe toleranties en oppervlakteruwheden waar nodig kan de kost aanzienlijk gedrukt worden. Materiaalselectie Idealiter wordt de materiaalkeuze enkel bepaald door de performantie vereisten van het ontwerp zoals gewicht of kost. In de praktijk gaat de materiaalkeuze echter altijd samen met de keuze van het productieproces en de vormgeving. Om een zo laag mogelijke kost te garanderen dient het materiaal ook goed te verwerken zijn in productie en dient het courant beschikbaar te zijn.
3.3 Standaard onderdelen Het gebruik van standaard onderdelen waar mogelijk is waarschijnlijk een van de meest gebruikte technieken om kosten te drukken bij het ontwerpen voor kleine series. Zo kan men componenten aankopen die goed ontworpen zijn voor een relatief lage kostprijs. De zoektocht naar geschikte standaard componenten is soms zeer tijdrovend, maar is zeker en vast een must bij het ontwerpen voor kleine reeksen. Een typisch standaard component is een kogellager. Men kan vrij snel het juiste lager voor een bepaalde toepassing kiezen in een cataloog. Dit door enkele parameters zoals belasting, toerental, levensduur en as diameter op te geven. Voor complexere toepassingen kan men een verdeler of leverancier raadplegen die aan de hand van meer criteria de juiste kogellager kan voorstellen.
Door gebruik te maken van standaard onderdelen maakt de ontwerper gebruik van een andere producent zijn complexe technologie in een voorverpakte vorm: ‘pre-packeged’ technology. ‘Pre-packeged’ technology wordt omschreven als: grote reeksen van systemen, samenstellingen, componenten, materialen, informative of technieken die ontworpen en ontwikkeld worden door derden. (High-volume systems, assemblies, components, materials, information or techniques that are designed and developed by third parties.) Bij definitie heeft een ontwerper geen of zeer zelden inspraak of invloed op deze grote reeksen. ‘Pre-packeged’ technology kan men gebruiken als indicator voor kostreductie tijdens het ontwerpen voor kleine series. Immers hoe meer componenten men kan inkopen in plaats van zelf te ontwikkelen en produceren, des te lager de kostprijs van het product meestal wordt. In de Low-cost Endoscoop / Evotech (Afbeelding 6) is er maximaal gebruik gemaakt van standaard componenten.
Afbeelding 7: Low‐cost Endoscoop / Evotech en IDEO.org
Componenten uit andere toepassingen In massa geproduceerde maar niet standaard componenten kunnen soms worden gebruikt in een totaal andere toepassing dan waar ze origineel voor ontworpen zijn. Bij de gitaarhulp ( afbeelding 6) maakt men gebruik van een “standaard” bal, die geïntegreerd wordt in een hendel die gemaakt is via additive manufacturing.
Afbeelding 8: gitaarhulp (D4EI) / Wouter Vanderhoydonk
Hacken van onderdelen Soms is het goedkoper om een standaard onderdeel aan te kopen en hieraan veranderingen aan te brengen dan het onderdeel volledig zelf te ontwikkelen. Door het hacken van bestaande onderdelen of producten . Industriële productiemachines worden soms door de klant zelf aangepast om een concurrentieel voordeel te hebben. Standaard koppelstukken kunnen worden bewerkt zodat zij beter voldoen aan de toepassing.
Afbeelding 9: adaptatie van een fototoestel (D4EI) / Cezar Vandeveld, Annelies Rollez, Justin Couturon
3.4 Verbindingen De keuze en het ontwerp van verbindingen kan een grote rol spelen in de uiteindelijke kwaliteit en kostprijs van het product. Bij kleine series wordt veelal gebruik gemaakt van bouten en moeren. Daar waar deze in massaproductie zoveel mogelijk vermeden worden, en bijvoorbeeld vervangen worden door snapverbindingen, is dit echter meestal niet van grote invloed op de kostprijs bij kleine series. Door evenwel de verbindingen te kiezen of te ontwerpen in het beging van het ontwerpproces kan men meestal beter producten ontwikkelen. De keuze van de verbindingen hangt samen met productieproces, materiaal en vorm.
Afbeelding 10: Split table / Obi‐One Tore Bleuzé
3.5 Modulair ontwerp en configuraties Door een product modulair op te bouwen heeft men het grote voordeel dat deze modules ook in andere producten kan gebruiken. Hierdoor kan de ontwikkelingstijd van een nieuw product, dat gebruik maakt van bepaalde modules aanzienlijk versneld worden. Tevens kunnen verbeteringen die aangebracht worden aan deze module direct toegepast worden in alle producten waarin zich deze module bevind. Door verschillende uitwisselbare modules te ontwerpen kan men op een eenvoudige manier verschillende configuraties aanbieden aan de klant. Zodoende kan men een beter antwoord bieden op de vraag van de klant en aan zijn noden tegemoet komen.
3.6 Prototyping Het maken van prototypes is essentieel om de risico’s in het ontwerpproces te reduceren naar productie en klantenverwachting. Al zijn de budgeten veel kleiner dan voor massa geproduceerde producten is het maken van prototypes voor kleine reeksen des te interessanter. Doordat men gebruik maakt van productietechnieken die ook toegepast worden voor rapid prototyping blijft de kost eerder beperkt. Tevens kunnen bepaalde onderdelen, samenstellingen en standaard onderdelen gebruikt worden in het uiteindelijke product. Fysieke prototypes, schetsen en 3D CAD tekeningen spelen een belangrijke rol in de communicatie tussen alle stakeholders tijdens het ontwerpproces. Door al vroeg in het ontwerpproces prototypes te bouwen en te testen, functioneel, user testen, productie, kan men het ontwerp snel bijsturen en indien nodig herontwerpen.
Afbeelding 11: Robohand / Richard Van As, Ivan Owen,
Literatuurlijst ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Designing for low-volume production, Harmer Quentin ; Clarkson John; Wallace Ken; University of Cambridge Engineering Design Centre, 2001 Design for low-volume production, Harmer Quentin John, Ph.D. Dissertation, University of Cambridge,1997 Prototyping and Low-volume Production, Rob Thompson, 2011. Making it, manufacturing techniques for product design, Chris Lefteri, 2007 Rapid Manufacturing, an industrial revolution for the digital age, N.Hopkinson, R.J.M. Hague P.M. Dickens, Loughborough University, UK, 2006 Design to connect http://designtoconnect.blogspot.be/ Design for (every)one http://designforeveryone.howest.be Innowiz http://www.innowiz.be
