Inledning

Vad är syftet med denna handbok?

Integrerad produktutveckling

Klarläggande av konstruktionsuppgiften

Utvärderingsmetoder


Inledning

Behovet av att samtidigt beakta konstruktiva funktionskrav, tillverkningstekniska aspekter och specifika materialegenskaper är uppenbart för erfarna konstruktörer. "Traditionellt" utvecklingsarbete i form av stafettpinnelopp från konstruktion till produktion har liten chans att leda till konstruktionslösningar, som är optimala vad gäller pris och prestanda. Ju tidigare i konstruktionsprocessen som synpunkter på material- och tillverkning beaktas, desto större är möjligheterna att finna lösningar som ger produkten konkurrensfördelar på marknaden.

Denna integration mellan konstruktion och produktion är emellertid lättare att beskriva än att realisera, eftersom den kunskapsmängd som behöver överblickas dels är mycket omfattande, dels tillhör olika tekniska discipliner. Här skall man kanske också påminna om den förändring, som nu sker inom konstruktörskåren. Äldre konstruktörer har ofta gått "den långa vägen" via verkstadsarbete, kvällskurser och enklare ritarbete till mer ansvarsfyllda konstruktionsuppgifter. Denna kategori konstruktörer finns förvisso kvar, men ersätts efterhand med yngre och mer teoretiskt skolade ingenjörer. Detta är säkert en positiv utveckling ur många synvinklar, men innebär risk för att det verkstadstekniska kunnandet på företagens konstruktionskontor efterhand tunnas ut.

Konstruktören har ofta sitt specifika kompetensområde fokuserat på någon specifik produkt med tillhörande lösningar vad gäller materialval och tillverkningsprocesser. För en given konstruktionsuppgift står emellertid ofta ett mycket stort antal kombinationer av tillverkningsmetoder, material och geometriska utformningar till buds och för det företag som strävar efter att ständigt förbättra sitt konkurrensläge måste alltid alternativa vägar sökas, identifieras och utvärderas.

Vad är syftet med denna handbok?

Litteratur om såväl materialval som olika verkstadstekniska processer finns i stor mängd. Oftast är emellertid informationen inte så väl tillrättalagd för konstruktörens utgångspunkter. Man måste komma ihåg att en konstruktör främst arbetar produktorienterat, dvs utifrån specifikationer och egenskapsbeskrivningar för den planerade produkten. Om specifikationen t ex föreskriver god vibrationsdämpning, högt motstånd mot nötning eller lång livslängd är det sällan självklart hur dessa produktegenskaper relaterar till tillgängliga materialegenskaper i kombination med tilltänkt tillverkningsprocess.

För att våga ta steget till en ny lösning behöver konstruktören tillräcklig information för att kunna bedöma realismen i ett alternativt koncept. I botten ligger alltid någon slags riskbedömning – vad kan vinnas med en ny lösning och vilka risker för misslyckande föreligger? Om man känner osäkerhet vid bedömningen av ett innovativt koncept avstår man troligen från denna lösning, även om den har god vinstpotential. En viktig anledning till försiktighet är den tidsbrist som präglar de flesta utvecklingsprojekt – man har helt enkelt inte tid att göra något annat än det som bedöms som riskfritt.

Konceptkonstruktionsfasen har en nyckelroll vid all nyutveckling _ här görs vägval som får stora konsekvenser och som kan vara svåra att ändra längre fram. Allt som kan göras för att underbygga rätt beslut i konceptfasen har därför stort värde. För att ta tillvara möjligheter till nytänkande avsedda att leda till besparingar och/eller förbättrad funktion, krävs alltså tillräckligt beslutsunderlag, vilket så långt möjligt då skall vara av kvantitativ karaktär. Man måste på konceptstadiet kunna förvissa sig om att det tänkta konceptet fungerar på avsett sätt och att det kan tillverkas av allmänt tillgängliga material med realistiska processer och tider. Härtill kommer den alltid övergripande ambitionen att hålla kostnaderna nere, dvs man måste redan i konceptfasen börja göra överslagsmässiga kalkyler så att man väljer lösningar som blir prismässigt konkurrenskraftiga.

Föreliggande handbok har ambitionen att hjälpa konstruktören att fatta beslut som leder till innovativa och kostnadseffektiva totallösningar avseende produkters konstruktiva utformning, val av material och tillverkningsprocess. Framför allt behandlar boken komponenttillverkning, medan montagefrågor utgör ett ämnesområde i sig. Inriktningen är på konceptfasen, då beslut måste fattas på ofta ofullständigt underlag, på knapp tid och med små resurser. Härav följer att tyngdpunkten ligger på principiella vägval snarare än detaljerad analys. Det handlar om att identifiera möjligheter, undvika fallgropar och att optimera mot givna mål.

Trots fokuseringen på principiell utvärdering måste underlaget vara så konkret och innehålla den nyckelinformation som krävs för att man skall känna tillräcklig säkerhet för att fatta beslut. I handboken har därför sammanställts en avsevärd mängd kvantitativ information avseende olika materials och processers egenskaper. Samspelet mellan material och process är ofta komplext och svårt att fånga entydigt. Exempelvis gäller att:

  • Det jungfruliga materialets egenskaper kan påverkas drastiskt (i såväl positiv som negativ riktning) under tillverkningsprocessen. Exempel: Kallbearbetning ger ofta starkt förbättrade egenskaper, svetsförband innebär ofta stora försvagningar
  • Kombinationer av material och process ger olika geometriska möjligheter. T ex kan en extruderad aluminiumprofil trots lägre E-modul, ge samma böjstyvhet som en valsad stålprofil på grund av bättre möjligheter att optimera materialfördelningen
  • För många produkter har ytegenskaperna stor betydelse, vilket kan utnyttjas genom att kombinera enklare grundmaterial med ytbehandling eller ytbeläggning. Exempel: Värmebehandling, termisk sprutning, kulbombning

I avsnittet "Konstruktionsmaterial och tillverkningsmetoder -översikt och definitioner" ges en systematisk översikt över materialkategorier och tillverkningsprocesser. Tillverkningsprocesserna beskrivs mer utförligt med karakteristiska attribut för metaller, polymerer och keramer. Dessa ger förutsättningarna för "Från produktspecifikation till val av material och tillverkningsprocess", som utgör bokens centrala del. I detta avsnitt diskuteras ett antal centrala attribut för produkten (t ex funktionskriterier, storlek, geometri, seriestorlek osv) och vilka krav dessa ställer på materialegenskaper och tillverkningsprocess. Just sambanden mellan produktegenskaper och material- och processkrav är ofta ganska svåra att få grepp om och en stor del av avsnittet ägnas just åt att reda ut dessa förhållanden. I de fall då sambanden är komplexa eller då sambanden tagits fram specifikt för denna handbok, redovisas härledningarna relativt fullständigt för att läsaren skall känna till bakgrunden till slutsatserna. Dessa avsnitt har infogats indragna och med mindre typsnitt, så att läsaren, om han eller hon så önskar, kan välja att förbigå bakgrundsbeskrivningen. När man klarlagt vilka egenskaper som väger tyngst skapas också förutsättningar för totaloptimering av produkten, dvs en produkt där konstruktiv utformning, material och sekvens av tillverkningsprocesser samverkar på bästa möjliga sätt. För nästan alla produkter utgör kostnaden den viktigaste enskilda styrande faktorn. Att göra kostnadsuppskattningar på konceptstadiet är svårt eftersom underlaget är så knapphändigt. Det finns emellertid några allmänna principer som kan tillämpas i olika situationer och dessa metoder diskuteras här. Avsnittet avslutas med en genomgång av den s k "successiva kalkylmetoden". Med denna metod för kostnadsuppskattningar kan precisionen i kostnadskalkyleringen successivt ökas allteftersom utvecklingsarbetet framskrider. Kalkylen kan därför påbörjas på konceptstadiet och sedan efterhand förfinas under arbetets gång. Metoden indikerar också vilka komponenter eller processer som är primära kostnadsdrivare och var osäkerheten är störst.

Utgångspunkten har alltså varit produktorienterad med konstruktörens informationsbehov i centrum. Avsikten är att handboken skall göra det möjligt att söka och utvärdera lösningar på basis av specificerade produktegenskaper. Läsaren skall på ett konkret sätt kunna se hur valda material och tillverkningsmetoder resulterar i karakteristiska egenskaper hos produkten och ge stöd för kostnadsuppskattningar.

Integrerad produktutveckling

Har man tillräckligt ont om tid för ett utvecklingsprojekt tvingas man till ett parallellt arbetssätt vare sig man vill eller inte. Parallelliteten kan då innebära att man tar stora risker: Materialet måste beställas innan hållfasthetsberäkningarna genomförts, formverktyg beställs innan geometrin är helt klar, detaljtillverkning kontrakteras innan prototypproven avslutats osv. En hård prioritering av ledtider innebär kalkylerade risker och ofta en pressad och frustrerande arbetssituation för konstruktören. För den som har denna typ av erfarenheter av parallellt arbete blir termer som "concurrent" eller "simultaneous engineering" ofta fula ord.

Här vill vi dock lägga en annan innebörd i begreppet, som då inte primärt är tids-, utan snarare kunskapsrelaterad. Med integrerad produktutveckling vill vi här mena ett arbetssätt där alla för utvecklingsprojektet vitala aspekter, oavsett teknisk disciplin, behandlas ungefär samtidigt och med samma kunskapsdjup så att beslut fattas på förutsättningar som är väl avvägda tvärs över teknik- och organisationsgränser.

I en välstrukturerad arbetsgång betar man av beslut i prioritetsordning, där de mest kritiska och styrande frågorna först får sin lösning oavsett till vilken teknisk disciplin de hör. Kan man hålla på den linjen undviker man överraskningar sent i projektet, då vad som ursprungligen betraktats som detaljfrågor, plötsligt kan växa till mycket bekymmersamma problem. De tidiga besluten, som berör nyckelproblemen, brukar hänföras till konceptkonstruktionsfasen och det är mot denna fas handboken primärt riktar sig.

Konstruktörens arbetsuppgifter berör många kompetensområden, vars betydelse för resultatet varierar från fall till fall.

Handboken behandlar integration av teknikområdena mekanikkonstruktion/materiallära/tillverkningsteknik. En tänkt arbetsgång, där handboken är avsedd ge stöd för olika arbetsmoment, illustreras här.

  • Krav- och egenskapsspecifikation upprättas för produkten med utgångspunkt från marknadsinformation, produktplanläggning, företagsstrategi osv. Denna specifikation kan ha varierande grad av konkretion, men utgör primärt en tolkning av kundens syn på produkten.
  • Teknisk specifikation upprättas med utgångspunkt från ovanstående. Denna skall utgöra en översättning eller projektion av kundparametrar till tekniska parametrar. Om kunden säger "hjulupphängningen skall tåla 25 000 mil på gropig grusväg", kan detta steg för steg reduceras till detaljerade krav på t ex utmattningshållfasthet, bärförmåga, korrosionsskydd, vibrationsisolering, smörjning osv. De olika material- och processberoende parametrar som definierar tekniska egenskaper kan ibland vara komplicerade att relatera till produktegenskaper. I kapitlet tre i handboken diskuteras utförligt dessa samband. Allteftersom den tekniska specifikationen börjar ta form, kanske motstridiga eller uppenbart orimliga krav uppenbaras. Man tvingas då gå tillbaka till egenskapsbeskrivningen och jämka vissa önskemål i en eller flera iterationsloopar.
  • Genomförbarhetsstudien skall utgå från den tekniska specifikationen och innebär att inventera vilka möjligheter som finns att tillfredsställa de uppställda kraven. Det handlar då om att identifiera kombinationer av materialval och sekvenser av tillverkningsprocesser (primär-, sekundär- och tertiärprocess så här) samt bedöma resulterande egenskaper. För detta arbete kan kapitel tre utnyttjas med stöd av mer detaljerad processrelaterad information från kapitel två med appendix.
  • Analys av konceptalternativ. Om förutsättningarna varit realistiska resulterar genomförbarhetsstudien i ett antal konceptförslag som samtliga bedöms som tekniskt möjliga. Dessa skall därefter analyseras och utvärderas och något (eller möjligen några) alternativ identifieras som mest lovande. Metodik för konceptvärdering beskrivs i här.

För det valda alternativet vidtar därefter en optimerings- och detaljeringsprocess som slutligen resulterar i det kompletta tillverkningsunderlaget innefattande såväl produktkonstruktionen (ritningar eller CAD-geometri, komponentstruktur, tekniska specifikationer) som processpecifikationen (operations- och processbeskrivning, specifikationer, verktyg, fixturer). Denna fas kräver normalt mer djupgående information än vad som varit möjligt att inkludera i handboken. Typiskt tar man i detta skede upp diskussioner med externa leverantörer för att därigenom få aktuell och relevant information, t ex vad avser priser och tillgänglighet. En aldrig så lämplig tillverkningsprincip kan ju bli ointressant om ingen lämplig tillverkningsresurs finns att tillgå.

Systematisk arbetsgång vid integrerad produktutveckling.

Klicka för att förstora!

Produktframtagningsprocessen. Klicka på bilden för att få en förstoring!

Klarläggande av konstruktionsuppgiften

Arbetsgången innefattande momenten marknadsanalys, produktplanering, specifikation, konstruktion, beredning och tillverkning, ungefär så som visas här, förefaller enkel och naturlig – närmast självklar. Ändå är det långt ifrån alltid så det går till i verkligheten. I något fall kanske gången är den omvända _ någon har utvecklat en ny tillverkningsmetod och ser sig om efter produkter och marknader för denna. I ett annat fall kanske upprinnelsen till ett utvecklingsprojekt är en innovation som tillför en befintlig produkt nya värden och där det handlar om att övertyga marknaden om dessa. I ett tredje fall tvingas man av konkurrensskäl revidera en befintlig, väl fungerande produkt för att pressa kostnaderna.

Upprinnelsen till ett produktutvecklingsprojekt kan alltså komma från en rad olika håll inom och utanför företaget och marknadsanalysen spelar ofta inte den initierande roll som man kanske föreställer sig. Efter att ha gjort dessa reservationer måste man dock trycka på nödvändigheten av att låta den tilltänkta kundens krav och förväntningar genomsyra utvecklingsarbetet. Man vill gärna se att utvecklingsprocessen utgår från övergripande, kund- och omvärldsrelaterade mål, som successivt bryts ned i mer detaljerade och mer tekniskt orienterade beskrivningar ("top-down" process).

Informationsflödet kan aldrig bli enkelriktat nedströms processen ("syntes"-pilarna), utan för varje moment sker en iterativ process ("analys"-pilarna). Således kan krav- och egenskapsspecifikationen aldrig vara ett från början fastställt dokument, utan allteftersom de praktiska konsekvenserna av specificerade mål klarläggs (t ex kostnader för att uppfylla prestandakrav) måste en jämkning och avvägning ske mellan olika önskemål. Kravspecifikationen är alltså ett levande dokument som ofta inte får sin slutliga form förrän sent i processen. Denna bild är avsedd att illustrera hur marknadens krav och företagets förmåga efterhand jämkas samman så att en tillverkningsbar och säljbar produkt erhålls.

Klicka för att få en förstoring!

Sammanjämkning av företagets förmåga med marknadens krav. [Nordström,97]

Kanske är det just specifikationens föränderliga karaktär och svårigheten att från början fastslå vad som skall gälla som är förklaringen till att så många företag förbigår eller hastar över specifikationsarbetet. Faktum är att detta arbetsmoment, som har en så fundamental betydelse för det fortsatta arbetet, ofta behandlas ytterst styvmoderligt även i respektabla företag. Försummar man att utarbeta en ordentlig specifikation skall man dock komma ihåg att hela utvecklingsarbetet blir något av en "happening" - systematisk målstyrning blir omöjlig.

Naturligtvis kan specifikationen rent praktiskt ofta utformas som en förteckning av något slag. Under senare år har emellertid en något mer sofistikerad metod, kallad QFD-matrisen (Quality Function Deployment), blivit populär. Med denna matris kan man bl a specificera kundkrav, deras inbördes samband och sambanden till de tekniska specifikationerna. Matrisen kan upprättas på olika nivåer, för hela produkten, för delsystem och för komponenter. Metoden beskrivs mer utförligt i [Ottosson, 93]. Den mest logiska utgångspunkten för en teknisk kravspecifikation är en utförlig kartläggning av den

planerade produktens funktionskrav. Man kan för att bättre klargöra funktionskraven upprätta en s k funktionsstruktur, vilken utgörs av ett träd där produktens huvudfunktion successivt bryts ned i delfunktioner på allt mer detaljerad nivå. Funktionsanalysen avbryts då detaljnivån på delfunktionerna är tillräckligt låg för att man skall kunna definiera relevanta specifikationer för var och en delfunktionerna. Funktionsanalys diskuteras mer utförligt i [Sunnersjö, 94].

Utvärderingsmetoder

Denna bild innehåller bl a en tabell för konceptutvärdering. Detta är erfarenhetsmässigt en besvärlig process baserad på en blandning av tro, vetande, förutfattade meningar och ganska mycket känslor. Vad man därför försöker göra är att bryta ned utvärderingen i delmål som kan bedömas var för sig. Tanken är då att det är bättre att ta ställning till många, enklare frågeställningar och summera resultaten snarare än att direkt ta ställning till en komplicerad frågeställning. Ofta ställer man då upp någon slags valmatris med kriteria på en axel och konceptförslag på den andra. Mest rättframt är att ställa upp kriterierna som rader och koncepten som kolumner i matrisen och sedan försöka poängsätta koncepten mot varje kriterium. Poängsummorna utgör sedan den relativa värderingen.

Denna metod har dock i praktiken stora nackdelar. Till att börja med är det inte så lätt att sätta rättvisande poäng på ett stort antal kriteria och koncept – arbetsinsatsen blir betydande. Speciellt om man i senare skeden för in nya koncept i matrisen blir det svårt att stämma av poängsättningen mot tidigare så att den upplevs som väl avvägd. Vidare får kanske den första utvärderingsomgången karaktär av grovsållning, medan senare utvärderingar kanske gäller mindre variationer av samma grundkoncept. Man har därför behov av att öka upplösningen efterhand, vilket inte låter sig göras lika enkelt med en absolut betygsättning.

  
Viktfaktor
A0
A1
A3
A3
A2.1
A2.2
A4
Hållfasthet
9
-
S
-
S
S
Vibration, buller
1
-
-
S
S
S
Korrosion, nötning
3
S
S
+
+
S
Underhåll/inspektion
1
-
-
+
+
S
Bussningsstorlek
3
S
S
+
S
S
Redundans
1
+
+
S
S
-
Utseende
3
-
-
-
-
+
Kostnad/st.
9
+
+
S
-
+
Vikt
3
-
-
S
S
+

 

  
10 +
17 -
10 +
8 -
7 +
12 -
4 +
12 -
15 +
1 -

Pugh´s konceptvalsmatris applicerad på hjulupphängningsdetalj. Från [Nordström, 93].

Det finns en likartad, men ur dessa synpunkter bättre, metod, som kallas Pugh´s konceptvalsmatris [Pugh, 91]. Tillvägagångssättet förklaras bäst med ett exempel, se denna bild. Egenskaperna som skall bedömas listas tillsammans med viktfaktorer i matrisens rader. Något konstruktionskoncept, t ex en befintlig konkurrentlösning, väljes som referens (A0). Koncepten A1 och A3 jämförs punkt för punkt med referensen och bedöms vara bättre, sämre eller samma (alltså en relativ, ingen absolut värdering). Antalet plus och minus adderas efter multiplikation med viktsfaktorerna. Det bästa konceptet väljs som ny referens och värderas mot nya koncept (A2.1, A2.2, A4) osv. Det finns två fördelar med metoden: Dels nöjer man sig med att konstatera om ett koncept är bättre eller sämre än en referens, vilket är enklare än att genom poängsättning bedöma hur mycket bättre det är (vilket egentligen är ointressant – vi vill ju bara finna den bästa lösningen). Dels innebär metoden att man efterhand kan välja nya referenser, vilket gör det möjligt att successivt öka upplösningen på bedömningen allteftersom man kommer närmare en optimal konstruktiv lösning. Konceptvärderingen skall givetvis inkludera tillverkningsbarheten. Kostnad är ett uppenbart kriterium för tillverkningsvänlighet, men måste kompletteras med ett antal faktorer. I en omfattande undersökning [Olesen, 92] baserad på nordisk industri har man identifierat sju faktorer som bör bedömas när tillverkningsbarhet skall utvärderas. Dessa är:

  • Produktionskostnad. Den kan delas i två delar:
    a) Direkt kostnad för material, utrustning och personal
    b) Overhead-kostnader.
    Notera att för många moderna, komplexa produkter med stort teknikinnehåll utgör overhead-kostnader den dominerande kostnadsdelen.
  • Kvalitet. Här skall bedömas möjligheterna att tillverka produkten med god och konstant kvalitet. Detta innebär att innehålla givna specifikationer med korta takttider, i långa serier med bibehållen kvalitet utan stora kostnader för kontroll, kassation och justering
  • Flexibilitet. En framgångsrik produkt som lever under många år kommer att genomgå åtskilliga ändringar. Det valda konceptet för utformning och tillverkning måste tillåta att förändringar kan införas med måttliga insatser.
  • Riskbedömning. Graden av osäkerheter vid tillverkningen måste utvärderas. Eventuellt görs en s k produktions-FMEA.
  • Ledtid. Kort tid tills produkten kan släppas på marknaden har ofta stort värde. Det är kanske inte så meningsfullt att komma med en kostnadsoptimal lösning när marknaden redan mättats av konkurrenterna.
  • Resurssnålhet. Lösningar med lågt utnyttjande av mänskliga resurser, krav på investeringar, material- och energiåtgång har försprång.
  • Miljömässiga konsekvenser. De flesta företag i dag har en hög ambitionsnivå när det gäller att undvika miljöbelastningar av verksamheten.

Förteckningen ovan är avsedd som en checklista av rubriker vid bedömning av tillverkningsbarhet. Givetvis måste man ner på en annan detaljnivå när specifika koncept skall bedömas.

© Copyright © 2002 IVF Industriforskning och utveckling AB
Till startsidan