Design For Manufacturing 28 februari 2012 Ett PM som reflekterar över och sammanfattar begreppet DFM, Design For Manufacturing. Som underlag för detta arbete har kapitel 13 i Product Design and Development, Karl T. Ulrich, Steven D. Eppinger, Fifth edition 2012 använts. KPP 306 Produktoch processutveckling Kari Haukirauma Mikael Knutsson
Innehåll Inledning... 3 Vad är DFM (Design for Manufacturing)?... 3 Steg 1 Uppskatta tillverkningskostnaderna... 5 Steg 2 Reducera komponentkostnaderna... 7 Steg 3 Reducera monteringskostnaderna... 8 Steg 4 Reducera produktionsstödkostnaderna... 9 Steg 5 Betänk effekterna av DFM-beslut på andra faktorer... 10 Analys... 11 Diskussionsfrågor... 12 2
Inledning I detta PM kommer begreppet DFM (Design For Manufacturing), eller design för tillverkning som det heter på svenska, att behandlas. Som underlag för arbetet har kapitel 13 i Product Design and Development, Karl T. Ulrich, Steven D. Eppinger, Fifth edition 2012 använts. Syftet med PM:et är att ge en överblick över vad DFM är, hur det används inom tillverkningsindustrin samt hur de olika stegen i processen sammanverkar för att möjliggöra reducering av tillverkningskostnader samtidigt som man säkerställer och helst förbättrar produktkvalitet, utvecklingstider och utvecklingskostnader. PM:et kommer att följa kurslitteraturens 5-stegsmodell för att beskriva processen som tillämpas inom DFM -metoden. De fem stegen kommer att behandlas var för sig, där en kortare sammanfattning av det mest relevanta i varje steg ges. En mer personlig och närmare analys av DFM processen kommer att ges i slutet av detta PM. Vad är DFM (Design for Manufacturing)? Varför bör man använda sig av ett verktyg som DFM inom produktutvecklingsprocessen? Man får bättre förståelse för verktyget om man har följande principer i åtanke: Designbeslut på detaljnivå kan ha betydande inverkan på produktkvalitet och kostnader. Utvecklingsteam tvingas ofta handskas med multipla och motstridiga mål. Det är viktigt med mätbara storheter för att kunna jämföra alternativa konstruktioner. Dramatiska förbättringar kräver ofta stora kreativa ansträngningar tidigt i processen. En väl definierad metod är till stor hjälp vid beslutsfattande. Det som först och främst bestämmer en produkts ekonomiska framgång är tillverkningskostnaden, närmare bestämt vinstmarginalen man får på varje såld produkt och antalet produkter man lyckas sälja. Vinstmarginalen är skillnaden mellan försäljningspriset och tillverkningskostnaden för företaget. Antalet enheter man lyckas sälja, samt priset man kan ta för dem är mycket beroende av kvaliteten på produkterna. För att uppnå en design som säkerställer högsta kvalitet till lägsta möjliga pris kan man vidta olika åtgärder. Ett bra sätt för att i produktutvecklingsprocessen uppnå just dessa mål är att använda verktyget DFM. Genom att tidigt i processen använda sig av DFM kan man säkerställa låga tillverkningskostnader utan att tumma på kvaliteten på produkterna. När det gäller användandet av DFM inom prouduktutvecklingsarbetet, kombineras ett flertal olika källor av information och material för att forma upp en komplett helhet, där de olika parametrarna samverkar för att få fram en tillfredställande produkt som uppfyller både låga tillverkningskostnader och hög kvalitet. Sådana informationskällor kan vara: Skisser, ritningar, produktspecifikationer och designalternativ. En detaljerad förståelse för tillverknings-och monteringsprocesser. Uppskattning av tillverkningskostnader och produktionsvolymer. 3
För att täcka behovet av all den varierande informationen som DFM kräver, använder sig många företag av tvärfunktionella team, samt expertis utifrån. Teamen består väldigt ofta av, förutom produktdesigners förstås, ingenjörer specialiserade på tillverkning, ekonomer och produktionspersonal. Tanken är att se möjligheterna och problemen inom produktutvecklingen ur många olika infallsvinklar. DFM används genom hela produktutvecklingsprocessen. Redan under konceptutvecklingsfasen då funktioner och produktspecifikationer bestäms har man börjat tillämpa DFM-verktyget. Då konceptval genomförs, har man oftast kostnader som den viktigaste beslutsgrunden. Detta trots att alla kostnadsuppskattningar i den fasen är högst subjektiva och ungefärliga. När produktspecifikationerna är klara, tvingas teamen ofta kompromissa mellan de prestandan man vill ha fram. Som ett exempel kan nämnas att minskad vikt kan leda till ökade tillverkningskostnader. Vid den här tidpunkten har PU-teamet en BOM lista dvs. en lista med delar, med uppskattade kostnader för dem. Under system-level design fasen bestämmer sig teamet om hur de skall dela upp produkten i komponenter, baserat på implikationer om kostnader och komplexitet angående tillverkning. Mer exakta kostnadsuppskattningar kan göras under design på detaljnivåfasen av utvecklingen, då flertalet beslut styrs av tillverkningsaspekter. Bilden visar DFM-metoden. De fem stegen, sambanden mellan dem och upprepningen som sker i processen. 4
Steg 1 Uppskatta tillverkningskostnaderna Hur uppskattas/beräknas tillverkningskostnaderna? Man kan beskriva tillverkningen som ett system med indata och utdata. Indata består av råmaterial, inköpta komponenter, anställdas kraftansträngningar, energi och utrustning, medan utdata består av färdiga varor och spill/avfall. Tillverkningskostnaden är summan av de samlade utgifterna för all indata i systemet och bortskaffande av avfall producerat av systemet. Det är vanligt förekommande att företag använder sig av kostnad per tillverkad enhet när de skall räkna ut tillverkningskostnaderna. h = ö (.. å ) Denna förenklade modell kan skapa problem i den mer komplicerade verkligheten som vi trots allt lever i. Varför är det mer invecklat att få rättvisa beräkningar av tillverkningskostnaderna? Här följer några exempel på varför: Vilka begränsningar har tillverkningssystemet? Skall fältarbeten (service, installation, reparation) ingå i tillverkningskostnaderna? Hur ska man behandla produktutvecklingsaktiviteter? Hur är kostnaderna fördelade på system där man använder sig av flera produktionslinjer? Kategorisering av kostnaderna per tillverkad enhet för en produkt Komponentkostnader Innefattar standardkomponenter som motorer, strömbrytare, elektroniska chip, skruvar mm. Andra komponenter är specialtillverkade delar, tillverkade från råmaterial enligt tillverkarens design. Det kan handla om t.ex. stålplåt, plastkulor eller aluminiumstänger. Specialtillverkade komponenter kan tillverkas både internt på den egna anläggningen, eller specialbeställas från en extern leverantör. Monteringskostnader Produkterna är oftast hopmonterade av flertalet komponenter. I monteringskostnaderna brukar ingå kostnaden för arbetskraft men även kostnaden för utrustning och verktyg. Overheadkostnader Kan beskrivas som alla andra kostnaderna för tillverkning. Det finns två olika typer av overheadkostnader. Stödkostnader, som förknippas med materialhantering, kvalitetssäkring, inköp, frakt, lokalkostnader mm. De stödsystemen är viktiga för tillverkningen och kostnaderna för dess hänger ihop med produktdesignen. Indirekta tilldelningskostnader, som förknippas med kostnader som inte kan kopplas till någon specifik produkt men som måste betalas för att kunna bedriva sin verksamhet, t.ex. underhåll av byggnad som delas av många produkter. Indirekta kostnader är ej relevanta för DFM, för att de inte är specifikt ihopkopplade med designen av en produkt. 5
Fasta eller rörliga kostnader Man kan dela in tillverkningskostnaderna i fasta eller rörliga kostnader. Fasta kostnaderna är de som är förutbestämda och fasta dvs. inte beroende av antalet produkter man tillverkar, t.ex. installation av en produktionslina. Trots detta är ju inga kostnader helt fasta, till exempel kan en ökad produktionsvolym tvinga fram en investering i en till produktionslina. Det underlättar att bestämma de fasta kostnaderna genom att i förhand fastställa produktionsvolym och tidsåtgång. Därigenom kan man planera produktionen med de linor och maskiner som behövs köpas in. Rörliga kostnader är de kostnader som är direkt beroende av hur många enheter av en produkt som skall tillverkas. Till exempel är mängden inköpt råmaterial direkt beroende av antalet enheter som skall tillverkas. BOM(Bill of Materials) Kanske det viktigaste stödet när man skall göra en beräkning av tillverkningskostnaderna. Den hjälper att organisera samt ge en bild över vilka delar som ingår i produkten och hur kostnaderna är fördelade på komponentnivå. Både fasta och rörliga kostnader finns med. Rörliga kostnader kan vara material, maskintid och arbetskraft. Fasta kostnader innefattar verktyg och andra ickeupprepande utgifter såsom specialutrustning. Uppskattning av kostnader för standardkomponenter Uppskattning av kostnader för standardkomponenter kan ske på två sätt: Jämför varje del med en liknande del som företaget redan tillverkar eller köper in i jämförbara mängder. Fungerar bäst när det gäller små komponenter som skruvar och bultar. Fråga om prisuppgifter hos en återförsäljare. Gäller främst vid kostnader för större komponenter. Kostnaderna beror mycket på vilka volymer man kommer att tillverka. En leverantör kan tänka sig att göra en speciallösning till en standardkomponent, om produktionsvolymen är tillräckligt hög. Samtidigt kan specialkomponenter tillföra komplexitet och högre kostnader för produktionssystemet och installation/service som gör att stödkostnaderna höjs. Uppskattning av kostnader för specialkomponenter Specialkomponenter är delar som är speciellt framtagna för en produkt och som görs av tillverkaren eller leverantören. De tillverkas för det mesta enligt samma processer som standardkomponenter, men de är framtagna för att enbart användas till en specifik tillverkares produkter. När en specialkomponent är en enda del, kan man uppskatta kostnaden genom att sammanställa kostnaderna för råmaterial, tillverkningsprocess och bearbetning. I de fall då specialkomponenten är en sammanmonterad enhet av flera olika delar, då anses den vara en egen produkt och för att få fram kostnaden beräknas kostnaden för varje delkomponent och sedan adderas kostnaden för montering och overheadkostnader. 6
Uppskattning av kostnader för montering Så fort en produkt har fler delar än en krävs det montering. Monteringen sker nästan alltid manuellt, såvida produktionen inte överstiger flera hundra tusen exemplar per år. Undantaget montering av elektroniska kretskort, som numera monteras maskinellt även vid låga volymer. Manuell monteringskostnad kan beräknas genom att addera tiden för varje monteringsprocess och multiplicera med en arbetstidskostnad. Monteringstiden varierar beroende på storleken på delarna, svårighetsgraden och produktionsvolymen. Vid stora volymer kan arbetarna specialisera sig på vissa procedurer och speciella verktyg och fixturer kan assistera vid montering. Steg 2 Reducera komponentkostnaderna För att kunna reducera komponentkostnaderna, måste man förstå vilka processbegränsningar och kostnadsdrivare man har. Till exempel kan en designer vilja konstruera en liten radie på en del som skulle innebära att en komplicerad och dyr maskinoperation krävs för att fysiskt kunna framställa den. Det kan även handla om för snäva toleranser som skulle innebära stora svårigheter att framställa sådan noggrannhet i produktionen. Många gånger är dessa saker inte nödvändiga för produktens funktion, utan de tillför enbart onödiga kostnader till den. Tvärtom är det ofta väldigt enkelt att designa om produkten så att man undviker kostsamma tillverkningsprocedurer. Detta kräver dock att designern har kunskap om vilka processer som är komplicerade för tillverkningen och vad som driver kostnaderna. I vissa fall kan man förenkla arbetet för designers, och undvika kostsamma procedurer genom att i förväg ge bestämda krav och restriktioner på hur produkten skall se ut(dimensioner), materialval, tillverkningssätt osv. I de fall då tillverkningsprocesser är svåra att fastställa kapacitet och kostnader för, måste man lita på de människor som jobbar med de processer som har med tillverkning av delar att göra och som har en djupare kunskap om dessa. De människor kan bidra med ovärderlig kunskap om hur man kan designa om komponenter för att reducera produktionskostnader. Omkonstruktion för att eliminera processteg Man kan skära ner på tillverkningstid och kostnader genom att ta bort vissa onödiga steg inom tillverkningsprocessen. Detta sker med hjälp av omkonstruering, en slags effektivisering av den tidigare designen som kanske inte helt o hållet uppfyllde de ekonomiska och tillverkningsmässiga kraven. Vissa steg kan vara helt onödiga, t.ex. behöver aluminiumdetaljer inte målas om de inte är synliga för användaren. I andra fall kan man nästan uppnå den slutgiltiga produktens geometri i en enda tillverkningsprocess (genom t.ex. gjutning), och bara en liten del efterbearbetning krävs för att produkten skall anses färdig. Då man kan eliminera onödiga processteg, kan man tjäna pengar. Standardisera komponenter och processer Kostnaden per enhet sjunker i takt med att produktionsvolymen av en komponent ökar. I takt med ökad volym höjs även kvaliteten och prestandan, genom att producenten av produkten kan investera i utbildning av personal och förbättring och utveckling av komponentens design och dess produktionsprocess. För att uppnå fördelarna med ökad produktionsvolym kan man använda sig av standardkomponenter. De är komponenter som delas av flera produkter. 7
Black Box strategi En strategi för reducering av komponentkostnader som används flitigt av bilindustrin i Japan. Underleverantören får endast information om vad produkten skall klara av, inte hur det skall uppnås. Då finns det möjlighet för leverantören att själv designa och plocka ihop komponenter till minsta möjliga pris. Denna modell avlastar det egna teamets ansvar när det gäller konstruktion av komponenten. För en lyckas Black Box strategi krävs dock tydliga och noggranna definitioner av funktioner, interface och samverkan mellan varje komponent. Steg 3 Reducera monteringskostnaderna DFA- Design For Assembly kan översättas till monteringsdesign. För att kunna reducera kostnaderna för montering är det viktigt att fastställa vad monteringen i sig innebär. Denna kostnad är bara en liten del av den totalen, men även här är det av vikt att hålla kostnaderna nere. Det finns dock andra vinster som kan göras om produkten tillverkas mer monteringsvänlig. Produktionstakten kan öka då monteringstiden kortas. För att kunna beräkna monteringskostnaderna har Boothroyd och Dewhurst tagit fram ett såkallat DFA-index. Detta index visar hur lång tid monteringen tar jämfört med den teoretiska tillgängliga monteringstiden. = ( ) (3 ) För att kunna bestämma det teoretiska minsta antalet detaljer ska, enligt Boothroyd och Dewhurst, följande tre frågor ställas angående varje detalj i monteringen: 1. Måste detaljen röra sig i förhållande till resten av produkten? Små rörelser från exempelvis elastiska gångjärn eller fjädrar räknas inte 2. Är det nödvändigt för funktionen att detaljen är tillverkad av ett annat material än resten av produkten? 3. Måste detaljen demonteras för att kunna montera vissa andra detaljer, byta ut detaljer eller utföra underhåll på produkten? Om svaret blir ja på en eller fler av dessa frågor måste detaljen i teorin vara separat. Om alla ovanstående frågor besvaras med nej kan detaljen integreras med andra detaljer. Detta sparar tid och kostnader då monteringen eliminerats. Om huvuddetaljen tillverkas via pressning eller gjutning tillkommer knappt några extra kostnader för den integrerade detaljen alls. Det finns fler fördelar med att integrera detaljer. Komplicerade gränssnitt mellan detaljerna elimineras och styrningar mellan detaljerna sköts maskinellt. 8
Tre sekunders konstanten i DFA-indexet motsvarar den teoretiska tiden det tar att hantera och montera en för detta perfekt avsedd detalj. På två olika produkter med samma antal detaljer kan monteringstiden skilja avsevärt. Beroende på detaljens geometri, handhavande och placering i huvuddetaljen får en tidsfaktor på två eller tre multipliceras med totala tiden. Boothroyd och Dewhurst menar att det finns ett antal punkter i en montering som om dessa följs gör den optimal. Montering av detalj ska ske uppifrån Passning av detalj sker genom fysisk styrning Detaljorientering ska ej vara nödvändig Enhandsmontering av detalj Verktygslös montering Detalj monteras med endast en linjär rörelse Låsning av detalj sker i monteringsögonblicket. I vissa fall, om det medger enklare transport eller fördelaktig lagring av produkten, kan kunden själv få utföra enklare monteringar. Det gäller då att detaljerna ska vara lätta att förstå och det ska inte krävas någon speciell kompetens Steg 4 Reducera produktionsstödkostnaderna Efter att ha arbetat med de fyra tidigare stegen i DFM kan ännu en besparing uppstå. Produktionsstödskostnaderna kan minskas då antalet lagerförda detaljer minskar. Då behovet av antalet anställda minskar, sänks också kostnaderna för personalavdelning och arbetsledning. Om det dessutom används standardiserade detaljer minskar behovet av kvalitetskontroller och tekniskt understöd. För att minska den systemiska komplexiteten i en tillverkningsprocess skulle det kunna hårddras till en enda detalj som kommer färdigprocessad direkt ur en enda maskin. Dessvärre är det få system som ser ut så. Komplexiteten ökar med antalet variationer i processen. I många tillverkningssystem finns ofta hundratals leverantörer med hundratals människor som tillhandahåller tusentals olika detaljer. Dessutom kan det röra sig om dussintal av olika processer och produkter. Alla dessa delar av kedjan behöver kontrolleras, övervakas, inventeras och inspekteras. Detta bidrar till enorma kostnader för företaget. Dessa kostnader kan kapas med hjälp av smart och effektiv tillverkningsdesign. Ett sätt att mäta resultatet av designen är att föra ett resultatschema där olika faktorer värderas på en skala (exempelvis 1-10). Där kan resultaten från design 1 jämföras med resultaten från den nya förenklade/förbättrade designen. 9
Felsäkring är också en viktig aspekt inom DFM. Här kan en metod som kallas Error Proofing användas. Det innebär att man tidigt i processen förebygger och eliminerar felorsaker. Exempel på en sådan felorsak kan vara att det används två typer av skruvar som är väldigt lika varandra eller två till storleken likadana, men med olika gängor. En lösning då kan vara färgkodning. Steg 5 Betänk effekterna av DFM-beslut på andra faktorer Målet med att använda sig av DFM är inte enbart att sänka tillverkningskostnaderna. Andra viktiga aspekter på en produkts ekonomiska succé är också beroende av kvalitet, utvecklingskostnad och produktens lanseringstid. I slutändan är det ändå företagets totala ekonomi som står i centrum. Detta kan medföra att enskilda produkters och projekts ekonomiska framgång inte prioriteras. Innan DFM-beslut fattas måste de alltid utvärderas för att se hur de påverkar den värdefulla utvecklingstiden. I stora projekt kan det röra sig om hundratusentals dollar per dag. Det uppstår en komplicerad situation i förhållandet mellan DFM och utvecklingstid. Vid tillämpning av vissa DFA-punkter kan vissa detaljer bli så komplexa att tillverkningstiden ökar vilket gör att projektets varaktighet förlängs. Då har vinningen av att applicera DFM försvunnit. Det går att se utvecklingskostnaden som en sorts avspegling av utvecklingstiden. Detta gör att samma försiktighet som vid detaljers komplexitet relaterat till utvecklingstiden måste tas. Generellt sett kan ett företag som kraftigt anammar låga tillverkningskostnader i utvecklingsprocessen utveckla produkter till samma kostnader och samma tidpunkter som de företag som inte lägger samma vikt på utvecklingskostnaderna. Detta kan bero på korrelationen mellan noggranna DFM-metoder och väl genomförd projektledning. Produktkvaliteten får dock ej försummas i jakten på god DFM. I optimala förhållanden ökar produktkvaliteten i takt med att tillverkningskostnaderna minskar. DFM som primärt inriktas på lägre tillverkningskostnader kan även resultera i enklare demontering för service, bättre funktion och göra produkten lättare att återvinna. I andra fall kan icke noggrant utförd DFM leda till att produkternas kvalitet sänks. Det är alltså viktigt att alla aspekter av kvalitet anammas. DFM-beslut kan leda till att effekterna av dessa förs vidare till andra ansvarsområden utanför utvecklingsteamet. Dessa effekter kan i ekonomiska ordalag ses som externa. Två av effekterna är livscykelkostnader och återanvändning av komponenter. Vissa produkter kan under sin livscykel dra på sig kostnader som inte visas i tillverkningskostnaden. Det kan exempelvis vara samhälleliga kostnader som återvinning av miljöfarliga avfall eller servicekostnader. När det kommer till återanvändning av komponenter kan ett designteams resultat hjälpa andra team i sitt jobb med DFM. Dessa komponenter kan passas in i andra produkter utan att belasta projektets utvecklingskostnad. 10
Analys För att kunna använda sig av DFM i en produktutvecklingsprocess krävs att man gör ett antal uppskattningar av tid och kostnader. Om man tack vare lång erfarenhet av produktutvecklingsarbete är duktig på att göra realistiska uppskattningar får man ett bra underlag till sin DFM. Som konstruktör gäller det att ha bra koll på tillverkningsprocessen. Det är väldigt lätt att man vill göra snygga CADmodeller med fina radier och kanske snäva toleranser osv. Det man då inte har räknat med är att dessa designelement oftast är väldigt komplicerade att tillverka, och kräver eventuellt dyra specialmaskiner och tillverkningssätt. Samtidigt har man mycket att vinna redan i designprocessen om man har goda kunskaper inom materiallära och tillverkningsprocesser. Förenklingar av modeller, som innehåller färre komponenter medför att man kan tillverka produkten i en process med ingen eller mycket lite efterbearbetning, vilket leder till reducerade tillverkningskostnader och monteringskostnader för företaget. Monteringskostnaden är i sig en ganska liten del av totalkostnaden men kan vara med och bidra indirekt till att andra kostnader minskar. Värt att notera är att man inte skall tumma på kvalitet och säkerhet även om minskade kostnader är huvudmålet hos många företag. En annan stor besparing som kan göras är att i omfattande utsträckning använda sig av standardkomponenter. Detta gör att behovet av egen tillverkning och beställningstillverkning av specialkomponenter minskar. Designteamets sammansättning gör också att möjligheter upptäcks och problem elimineras vid tillverkningen. Ett väl sammansatt designteam kan enligt Ulrich och Eppinger bestå av ingenjörer specialiserade på tillverkning, designers, ekonomer, produktionspersonal samt experter utifrån. Här tycker vi att en grupp som borde finnas med i ett komplett designteam är ergonomer. Ergonomi ökar produktens användarvänlighet, vilket i högsta grad är viktigt för kundtillfredsställelse och produktens värde. När det handlar om att uppskatta kostnaderna enligt formeln ö (.. å ) ( h = ) är det viktigt att vara träffsäker i sina uppskattningar. Små fel kan fort få stora konsekvenser när de läggs samman. Vi håller fullständigt med författarna i att det är mycket svårt att veta vad som ingår i tillverkningskostnaden samt hur de är fördelade på de olika produkterna som tillverkas. Hur ska man hantera kostnaderna för produktutvecklingsaktiviteterna, service på produkterna, installation av produkter hos kund? Om det fördelas olika mellan olika projekt blir det än mer komplicerat att göra fullständiga beräkningar. 11
Diskussionsfrågor Vad kan följderna av att inte ha ett komplett designteam bli? Hur långt ska man dra kostnadsbesparingarna? Hur mäter man resultatet av att DFA:n har varit lönsam? (Ex. Har produktens design gjort att dyrare tillverkningsmetoder måste användas?) Hur kan konstruktören påverka produktens tillverkningskostnader? Kan det vara värt att i vissa fall lägga in fördyrande element i en produkt för att vinna förtroende och goodwill trots att förtjänsten blir något lägre? Kan det finnas nackdelar med för styrt DFM-tänk i designprocessen? 12