Produktarkitektur Institutionen för innovation och produktutveckling Mälardalen Högskola Produktutveckling med formgivning D KN3060 23 februari 2007 Seminariegrupp 8 Teddy Wallin Johan Roos Mikael Söderkvist
Inledning I kursen Produktutveckling med formgivning, KN3060, fick vi en seminarieuppgift som avser att en grupp om 2-3 personer klarar av att kritiskt reflektera över ett textstycke och även göra en sammanfattning av den. Varje grupp fick möjligheten att välja ett kapitel ur Ulrich och Eppinger bok Product Design and Development. Därefter ska det sammanfattande dokumentet presenteras i seminarieform, för att sedan diskutera befintliga PU-modeller, verktyg och processteg. Detta dokument behandlar kapitel 9 som handlar om produktarkitektur. Produktarkitektur är fördelning av de funktionella elementen hos en produkt till de fysiska byggblock produkten består av. Man kan då tilldela dessa olika byggblock till olika team eller personer. Produktarkitekturen börjar att utvecklas redan i konceptstadiet, detta händer rent informellt, i skisser, funktionsanalyser och tidiga prototyper av ett koncept. Produktarkitektur är ett av de utvecklingsbeslut som har störst påverkan på ett företags förmåga att effektivt leverera ett brett produktsortiment. Två olika typer av produktarkitektur finns, och dessa är de raka motsatserna till varandra, den ena kallas för modulär arkitektur och den andra för integrerad arkitektur. För att skapa en struktur till processen att upprätta en produktarkitektur föreslår Ulrich och Eppinger ett förlopp i fyra steg. Som slutresultat väntas att aktiviteten ger en grov överblick för produktens geometri, en beskrivning av dess väsentliga chunks och en dokumentation över huvudinteraktionerna dem emellan. Stegen lyder i tur och ordning: - Utarbeta ett schematiskt diagram över produkten - Sammanför element i kluster - Skapa en grov överblick för produktens geometri - Identifiera interaktioner mellan chunks I denna text finns det några engelska ord som ej är översatta till svenska. Detta för att det dels inte finns någon riktigt bra svensk översättning men i huvudsak för att det är vedertagna begrepp.
Produktarkitektur 1 Produktarkitektur Produktarkitektur är fördelning av de funktionella elementen hos en produkt till de fysiska byggblock produkten består av. Syftet med produktarkitektur är att definiera de fysiska beståndsdelarna i en produkt med hänsyn till vad de utför och vilken gränssnitt de har till den övriga produkten. Att med produktarkitektur tänkande dela upp produkten i dess byggblock möjliggör att man kan tilldela de olika bitarna till team, individer och eller leverantörer, så att de kan utveckla de olika delarna i produkten parallellt. En produkt kan tänkas i både funktionella som fysiska termer. Här representeras funktionella element som de individuella funktioner som bidrar till helhetsprestandan av en produkt. Funktionella element brukar beskrivas schematiskt i en funktionsanalys. De fysiska elementen av en produkt är dess delar, komponenter och sammansättningar som slutligen uppfyller produktens funktioner. De fysiska elementen är vanligen organiserade till ett flertal större byggblock som Ulrich och Eppinger kallar chunks, en term som blivit accepterad i hos större tillverkningsföretag i USA. Varje chunk består följaktligen av en mängd komponenter som tillhandahåller funktionen av produkten. Så arkitekturen hos en produkt är det schema som de funktionella elementen är arrangerade till fysiska chunks och hur dessa chunks interagerar. Det som är mest typiskt för produktarkitektur är dess modularitet. Det finns två typer av produktarkitektur och dessa är de raka motsatserna till varandra, den ena kallas för modulär arkitektur den andra för integrerad arkitektur. Modulär arkitektur innefattar två principer för det första, chunks äger bara en eller ett fåtal funktionella element i förhållande till sin helhet. Den andra är att interagerandet mellan olika chunks är ytterst definierat och är generellt fundamentala till produktens huvudfunktion. Detta innebär att en förändring kan göras på en chunk utan att funktionaliteten i den övriga produkten påverkas. Integrerad arkitektur är raka motsatsen till modulär arkitektur, här använder sig de funktionella elementen mer än en chunk. En chunk inkluderar många funktionella element. Interaktionen mellan olika chunk är dåligt definierade och kan vara oväsentliga till huvudfunktionen. I en integrerad arkitektur är det svårt att utföra ändringar på en funktion utan att ett flertal chunks påverkas. Typer av modulär arkitektur Modulär arkitektur omfattar tre olika typer av gränssnitt för att sammanfoga bitar/stycken (chunks) på. De tre är slot, bus och sectional architecture. Slot-modular architecture: Var och en av gränsytorna i ett slot-modul-system är av olika art. Chunks i ett sådant system kan på så sätt inte bytas ut mot varandra. Facket eller spåret är unikt för varje chunk. Ett typisk exempel på detta är bilstereon, dess gränssnitt skiljer sig helt från andra gränssnitt i instrumentpanelen som tex. hastighetsmätaren.
Produktarkitektur 2 Bus-modular architecture I ett bus-modul system finns en gemensam port (bus) som olika chunks ansluts till via samma gränssnitt. Bitarna i ett sådant system kan således byta plats sinsemellan. Ett typisk exempel på ett bus-modul system är porten för expansionskorten (PCI-port) i en dator eller USB-porten Sectional-modular architecture Ett section-modul system bygger på att all chunks har samma typ av gränsyta, det finns ingen plattform för dessa chunks fäst vid. Chunksen sammansätts genom att de fästs till varandra med identiska gränsytor. Som sektions-modul system finns till exempel sektionssoffor, vissa rörsystem och kontorsmoduler. När är en produktarkitektur definierad? Redan i konceptstadiet börjar produktarkitekturen att utvecklas, detta händer rent informellt, i skisser, funktionsanalyser och tidiga prototyper av ett koncept. Generellt kan man säga att basproduktens teknologi bestämmer om produktarkitekturen är fullt definierad under konceptutvecklandet eller under systemkonstruktion. Med basproduktens teknologi menas om det är ett helt nytt koncept eller är det en redesign av ett existerande koncept. Vid en inkrementell förbättring finns ramar redan för produktarkitektur men vid utvecklingen av en helt ny produkt läggs fokus på produktarkitektur först på systemutvecklingsnivå. Produktarkitektur är ett av de utvecklingsbeslut som har störst påverkan på ett företags förmåga att effektivt leverera ett brett produktsortiment. Innebörden av arkitekturen Besluten om hur man ska dela upp produkten i chunks, om hur mycket modularitet som ska läggas på arkitekturen är nära besläktat med ett flertal frågor av vikt för hela företagsverksamheten: produktförändring, produktvariation, komponentstandardisering, produktprestanda, tillverkningsförmåga och produktutvecklingshanteringen. Arkitekturen av en produkt är därför starkt kopplad till beslut om marknadsstrategi, tillverkningsförmåga och produktutformningshantering. Produktförändring Chunks är de fysiska byggblocken i en produkt, men arkitekturen definierar hur dessa block är relaterade till produktens funktion. Arkitekturen definierar således hur produkten kan förändras. Det är viktigt att planera för framtida produktförändringar med arkitekturen som strategi. På detta sätt kan man genomföra funktionella förändringar med minimala fysiska förändringar. Motiv att ta med i planeringen är, uppgraderingar, tillbyggnader, anpassningsbarhet, slitage, förbrukningsmaterial, flexibilitet vid bruk och återanvändning. Produktvariation Variation handlar om hur bred produktvariation ett företag kan producera inom en viss tid för att möta marknadens efterfrågan. En väl planerad modulär produktarkitektur gör det enkelt att skapa variationer utan att skapa onödigt komplicerade tillverkningssystem.
Produktarkitektur 3 Komponentstandardisering Komponentstandardisering är att använda samma komponent eller chunk i flera produkter. Om en chunk används i en eller ett flertal funktionella element så kan en chunk standardiseras och kan användas i flera olika produkter. Standardisering tillåter ett företag att producera chunks i större volymer än vad som annars hade varit möjligt. Större volymer leder oftast till lägre kostnader och ökad kvalitet. Produktprestanda Ulrich och Eppinger definierar på produktprestanda är hur väl en produkt uppnår de tänkta funktionerna. Typiska mått på prestanda är hastighet, effektivitet, livslängd, noggrannhet och ljud. En integrerad arkitektur underlättar för optimering av prestanda för produkter vars utveckling drivs av storlek, form och massa. Drivande faktorer i detta avseende kan vara acceleration, energiförbrukning, oljud och utseende. Vid optimering kan man låta en chunk ta över ett flertal funktionella element detta kan kallas funktionsdelning. Denna typ av funktionsdelning reducerar mängden material och reducerar eventuellt kostnaderna för tillverkning. Tillverkningsförmåga Design-for-manufacturing (DFM), verktyget används för att få ner antalet delar i en produkt genom integrering vilket bidrar till att minska tillverkningskostnaden. För att kunna bibehålla en tänkt arkitektur kan integrering bara göras inom en chunk. Integrering av komponenter mellan olika chunks är svårt om inte omöjligt och skulle ändra arkitekturen dramatiskt. DFM som verktyg bör således användas tidigt i systemutvecklingsfasen när layouten av chunks fortfarande är under utveckling. Produktutvecklingshantering Valet av modul- eller integrerad arkitektur ställer olika krav på produktutvecklingshantering. Modularkitektur kräver en noggrann planering under systemnivåkonstruktionsfasen, medan en integrerad arkitektur kräver mindre planering och specifikation under samma fas, men istället kräver betydligt mer integrering och koordination under detaljkonstruktionsfasen.
Produktarkitektur 4 Upprättande av en produktarkitektur i fyra steg För att skapa en struktur till processen att upprätta en produktarkitektur föreslår Ulrich och Eppinger ett förlopp i fyra steg. Som slutresultat väntas att aktiviteten ger en grov överblick för produktens geometri, en beskrivning av dess väsentliga chunks och en dokumentation över huvudinteraktionerna dem emellan. Stegen lyder i tur och ordning: - Utarbeta ett schematiskt diagram över produkten - Sammanför element i kluster - Skapa en grov överblick för produktens geometri - Identifiera interaktioner mellan chunks 1. Utarbeta ett schematiskt diagram över produkten Det schematiska diagrammet representerar den samlade förståelsen över en produkts olika element. Elementen kan beskrivas som fysiska eller funktionsmässiga koncept. Skillnaden i beskrivningen ligger i att de element som nämns vara fysiska kan betraktas som en färdig lösning medan de funktionsmässiga koncepten ännu inte är definierade, d.v.s. de lämnar utrymme för mer utredning och är just bara koncept. Diagrammet som ska växa fram blir till en sorts karta över produkten där elementen ritas upp i form av lådor med tillhörande beskrivningar i. Förhållandet mellan elementen illustreras med olika linjer beroende på vilket flöde som sker mellan dem. Heldragen fet linje kraft- eller energiflöde Heldragen linje materialflöde Streckad linje signal- eller dataflöde För att hålla någon sorts form av överblickbarhet till ett skapat diagram ger Ulrich och Eppinger rekommendationen att hålla ner antalet element till under 30 stycken. Det är därmed inte läge för att gräva ner sig i detaljer i detta skede. Detaljarbetet kan göras senare för varje element som i sin tur kan få växa till egna kartor. Som en parentes kan också nämnas att Ulrich och Eppinger menar att de element som blivit nedbrutna till fysiska koncept eller komponenter vanligtvis är de mest centrala delarna i det framarbetade produktkonceptet medan de mer ospecificerade icke-fysiska elementen ofta har en underordnad betydelse för produkten. 2. Sammanför element i kluster I detta steg ligger fokus på att dela in elementen i det schematiska diagrammet till lämpliga chunks. Uppdelningen kan exempelvis göras efter två extremer, dvs. att varje element kan utgöra en chunk för sig eller så kan alla element placeras tillsammans i en enda chunk. Möjligheterna att skapa varianter däremellan är många och kan ställa till med en hel del
Produktarkitektur 5 besvär. Men för att ha någonstans att börja råder Ulrich och Eppinger att man börjar i likhet med det första extremfallet och därefter sammanför elementen i kluster där det visar sig fördelaktigt. Som en ytterligare hjälp på traven ger de båda författarna några faktorer som är värda att fundera över när klustreringen av elementen görs. Dessa är: - Geometriaspekter Om element behöver ha exakt position eller vara fysiskt nära varandra. - Delar funktioner Om en fysisk komponent kan inrymma flera funktionella element hos en produkt. - Leverantör/återförsäljares kunskaper För att dra nytta av att en leverantör/återförsäljare har speciella kunskaper inom vissa element är det en idé att sätta dessa tillsammans. - Likhet i design eller produktionsteknologi Om element implementeras i produkten på ett likartat vis genom design eller produktionsteknologi kan det ge ekonomiska fördelar att gruppera dessa tillsammans. Detta är vanligt när det gäller elektroniska komponenter. - Delar som kan behöva förändras Förutspås det att flera ändringar kommer att göras i något element så isolera den i en separat modul. - Differentierings-/variationsmöjligheter För att skapa en produkt med varierbar prestanda (olika produktvarianter) bör element som är inblandade i differentieringen placeras efter detta ändamål. - Standardiseringar Om en uppsättning av element är aktuella även för andra produkter bör dessa placeras ihop. - Portabilitet i gränssnitt Kan element enkelt sköta interaktionen över större avstånd eller ej? Exempelvis kan elektroniska interaktioner enklare skötas över längre avstånd än mekaniska. 3. Skapa en grov överblick för produktens geometri Att börja fundera över en produkts geometriska aspekter gör att man måste ta itu med hur olika chunks fysiskt ska sättas samman så att den slutgiltiga produkten tar form. Problem som kan uppdagas gör att någon del kanske måste omorganiseras för att göra produkten möjlig och kanske måste en kompromiss göras mellan två alternativ. Illustreringen av geometrin kan göras i 2D eller i 3D; exempelvis som rena ritningar, datorgenererade eller fysiska modeller. Tips som Ulrich och Eppinger ger i denna del är att påpeka fördelen med att generera flertalet varianter av layouter för att sedan välja ut den bästa. Vidare säger de också att en industridesigner bör konsulteras i frågorna kring estetik och ergonomi.
Produktarkitektur 6 4. Identifiera interaktioner mellan chunks Interaktionen mellan chunks kan ske efter två huvudsakliga sätt, antingen ett förutsett eller ett oförutsett. Ulrich och Eppinger benämner dessa två olika interaktioner som fundamentala respektive oavsiktliga. De fundamentala interaktionerna är de interaktioner som framkommit ur det schematiska diagrammet i steg 1, dvs. de som illustreras av linjer mellan chunks. Dessa interaktioner är planerade och bör förstås väl eftersom det är grunden för produktens system. De oavsiktliga interaktionerna uppkommer som en biprodukt av den fysiska inverkan som produktens element har på varandra eller utav det geometriska upplägget mellan olika chunks. Detta kan exempelvis vara vibrationer eller värme. För att ha någon som helst koll på vilka interaktioner som är kända, respektive kan uppkomma måste det naturligtvis dokumenteras på något sätt. Ulrich och Eppinger föreslår att det schematiska diagrammet (där de fundamentala interaktionerna åskådliggörs) kompletteras med en graf eller matris innehållande de oavsiktliga interaktionerna. Vidare påpekar de att arbetet med att förstå interaktionerna, oberoende dess form, är något som utvecklas allt eftersom designstadierna fortlöper. Senarelagd differentiering För företag som erbjuder flera olika varianter/modeller av en produkt, kan göra stora effektiviseringar i leverantörskedjan. Ulrich och Eppinger skriver att leverantörskedjan består av tre basaktiviteter: Montering, transportering och paketering. Tänk att en produkt finns i tre olika modeller där det är en liten detalj som skiljer dem åt. Var någonstans i leverantörskedjan kommer produkterna att bli en egen unik produkt av dessa tre modeller? Som illustreras nedan i två olika scenarion kan man se var och när i leverantörskedjan som produkterna monteras, transporteras och när man monterar dit den/de detaljer som skiljer modellerna åt. I Scenario A blir de tre olika modellerna en egen produkt redan under montering där man då monterar dit de detaljer som skiljer dem åt, därefter transporteras de till olika platser för att bli paketerade. I scenario B har man delat upp monteringen i två olika steg, det mesta monteras i ett tidigt skede medan man väntar att montera dit de detaljer som skiljer modellerna åt till efter transporteringen, för att därefter paketera produkterna.
Produktarkitektur 7 En stor fördel med att senarelägga differentieringen i leverantörskedjan är att företag kan göra märkbara sänkningar för kostnader i leverantörskedjan, det mesta gäller då minskningen av behovet för inventarier. När det gäller t.ex. innovativa produkter kan efterfrågan för varje modell av en produkt vara väldigt oförutsägbar, det gäller om efterfrågan varierar slumpvis från en tidsperiod till en annan. För att alltid kunna erbjuda det kunden vill ha så fort som möjligt, behöver man ha produkterna så nära slutet som möjligt i leveranskedjan. För att kunna tillämpa senarelagd differentiering krävs det att man tillämpar två krav: De differentierande elementen måste vara samlade i en eller några få chunks.
Produktarkitektur 8 För att kunna skilja på produkten genom en eller några få steg, måste uppdelningen av attributen på produkten bli definierad av en eller några komponenter av produkten. Produkten och produktionsprocessen måste vara gjord så att differentierande chunks kan läggas till produkten i slutskeendet av leveranskedjan: För att detta sätt ska kunna användas är det viktigt att den detalj som skiljer modellerna åt monteras i ett sent skede i leverantörskedjan. Måste detaljen monteras väldigt tidigt kommer det inte att fungera. Plattformsplanering Vid plattformsplanering är det viktigt att tänka på hur produktarkitekturen är uppbyggd, genom att bara ändra en eller några få chunks kan man få en ny typ av modell som är anpassad för en helt annan marknad, än vad den ursprungliga modellen var avsedd för. Baskomponenterna (plattformen) är det som ska utgöra grunden för produkten, det är några byggstenar som ingår i alla modeller. Man vill kunna anpassa produkten till så många olika typer av kunder som möjlig, alltså kunna erbjuda så många olika modeller det bara går av en och samma produkt och det kan man göra genom att byta ut en eller flera chunks. Men man strävar efter att kunna tillverka alla modeller med så få antal komponenter som möjligt. Differentieringsstrategi Differentieringsstrategi är till för att se hur alla modeller av en produkt tolkas av kunden och marknaden. Planen ska visa på vad det är för egenskaper som kunden anser vara viktigt. Vad är det som karakteriserar just denna produkt? Det kan t.ex. vara så att man har olika skal på produkten beroende på vem som ska använda den, eller så kan det vara så att en av kunderna behöver en extra funktion som andra kunder inte har behov av. Gemensamhetsstrategi För att kunna jämföra produktens ingående chunks kan man göra en gemensamhetsstrategi. Nu undersöker man modellernas ingående chunks, t.ex. kan en modell ha en högteknologisk anordning för att kunna lösa en viss uppgift, medan om man undersöker standard och budgetvarianten sitter det en teknologi som inte är lika avancerad, men den teknologi som finns i dessa kan duga alldeles utmärkt för de kunder som använder de billigare modellerna. Direktiv för hantering av avvägningen Ulrich och Eppinger nämner i detta kapitel tre direktiv som man bör tänka på när man arbetar med att få ner antalet komponenter gentemot vad kunden är ute efter. 1. Man bör göra en uppskattning över hur mycket det kommer att kosta att göra en specifik modell. Kommer det att kosta mer att utveckla och tillverka en viss typ av modell, än vad värdet på marknaden kommer att vara så finns det ingen anledning för företaget att arbeta vidare med den modellen. 2. Ulrich och Eppinger skriver att deras erfarenhet säger att team kommer till bättre beslut när de försöker att nå fram till målmarknaden om man fattar många beslut på begränsad information istället för att försöka lösa allting på en och samma gång.
Produktarkitektur 9 3. Det är bra om produktarkitekturen är modulär om man vill att produkten sak kunna differentieras. Är det hög modularitet kommer det att var enklare att byta ut komponenter mot andra komponenter och på så vis få en modell med andra egenskaper. Har man en produkt som man inte kan differentiera bör man titta närmre på dess arkitekt för att se om ändringar kan göras där för att kunna få en produkt som är mer differentierbar. Sekundär systemutveckling Efter att man har bestämt hur huvudsystemet ska fungera går man in i ett ny stadium där det är dags att bestämma sig för hur det sekundära systemet ska fungera. En sak att tänka på här är om man ska ha ett speciellt team som ansvarar för det sekundära systemet eller om man ska göra så att de team som skapar olika chunks ska få ha kontrollen över sin egen del av det sekundära systemet. Ett schema kan göras över varje chunk för att få en bra bild över alla komponenters koppling till varandra. Diskussion Som helhet ser vi att produktarkitekturen, som Ulrich och Eppinger presenterar den, är högst relevant. Vi uppfattar produktarkitekturen som ett gott stöd i arbetet med att ta fram en genomtänkt produkt. Ett gott stöd i den mening att det både är ett systematiskt arbetssätt samtidigt som det bygger in en högre grad av tillförlitlighet hos produkten. Att produktarkitekturen även är ett hett ämne när det diskuteras produktdifferentiering är något som vi ser som intressant. Dock finns det mycket att ta ställning till kring detta med tanke på att de beslut om hur man ska dela upp produkten i chunks, valet mellan modularitet kontra integrering, också hänger samman med frågor som har betydelse för hela företagsverksamheten. Marknadsstrategin påverkas efter hur produkten kan varieras (exempelvis riktas mot företag och/eller privatpersoner) men konsekvensen kan bli kostsam genom att ta ut svängarna så pass mycket att tillverkningsförmågan blir lidande. Ulrich och Eppingers fyra steg för att ta fram en produktarkitektur känns bekanta och vi tycks se paralleller med den produktutvecklingsprocess som vi känner igen genom vår utbildning. Exempelvis så påminner de schematiska diagram som de använder för att visualisera produktens arkitektur om resterna av en funktionsanalys. Produktens olika funktioner har spånats fram och till viss del översatts till fysiska komponenter och senare grupperats i chunks. Därefter kan vi härleda klustreringen av element tillsammans med skapandet av den geometriska layouten till den vi känner igen som SCAMPER, dvs. placera en produkts olika delar på en mängd sätt för att hitta en bra lösning. Vidare så har interaktionerna mellan produktens chunks kartlagts och såväl planerade som oavsiktliga interaktioner har identifierats. Denna interaktionskartläggning menar vi liknar en FMEA-analys där åtgärder sätts upp för att minska risken för potentiella fel. De potentiella felen i vårt sammanhang handlar om de oavsiktliga interaktionerna och vad de kan leda till.
Produktarkitektur 10 Frågor - Vad innebär en god produktarkitektur för en produkt? Vad har ett företag att tjäna på den respektive den slutgiltiga kunden? - Vilka fördelar respektive nackdelar kan finnas för modulär kontra integrerad produktarkitektur? - Hur långt ska man gå för att ha hög modularitet i en produkt, är det värt att sikta på en helt modulär arkitektur? - Vilka kunskaper kan det krävas för att upprätta en produktarkitektur? - Hur lång tid kan det ta att upprätta en produktarkitektur? Hur detaljerat bör arbetet göras? - Vad kan en bristfällig produktarkitektur leda till?