Jak wygląda projektowanie wyrobów?

Zapraszamy do lektury naszego artykułu, z którego dowiesz się m.in.:

• Na czym polega projektowanie wyrobów i dlaczego to kluczowy etap w procesie produkcji.
• Dlaczego aż 75% błędów produkcyjnych wynika z nieprawidłowego projektu – i co można z tym zrobić.
• Czym jest zasada 10x i jak pokazuje ona skalę kosztów błędów projektowych na różnych etapach.
• Jak wygląda proces technicznego przygotowania produkcji oraz gdzie dokładnie mieści się w nim projektowanie.
• Jakie etapy obejmuje projektowanie techniczne – od zdefiniowania potrzeby po analizę możliwych rozwiązań.
• Dlaczego projektant nie tylko reaguje na potrzeby, ale też je kształtuje.
• Na czym polega struktura procesu projektowego i jak go planować, by osiągnąć skuteczne efekty.
• Jak formułować dobre zadanie projektowe i dlaczego to aż tak ważne dla końcowego rezultatu.
• Jakie metody wspierają projektowanie – w tym metody heurystyczne, analiza użytkownika, drzewo celów.
• Czym różnią się czynności algorytmiczne i heurystyczne i kiedy niezbędna jest kreatywność projektanta.

Odbudowująca się po zniszczeniach drugiej wojny światowej XX-wieczna gospodarka potrzebowała dużych ilości praktycznie wszystkiego, bo praktycznie wszystkiego brakowało. Tworzywo polimerowe, jako materiał tani, stosunkowo prosty w przetwórstwie i wtryskiwanie – technika wytwarzania pozwalająca na zamknięcie produkcji w jednej operacji technologicznej, idealnie odpowiadały na te potrzeby.

W XXI wieku już jakość, a nie ilość produkowanych dóbr nabrała szczególnego znaczenia. Dlatego na początku XXI wieku przeprowadzono szereg badań, które miały odpowiedzieć na pytanie, skąd biorą się wady w wyrobach produkowanych metodą wtrysku. Analizie poddano cały proces – od pierwszych założeń projektowych aż po etap produkcji. Okazało się, że aż 75% wszystkich wad wynikało z błędów popełnionych już na samym początku: ze złej konstrukcji wyrobu, niesprawdzonych założeń czy niedopracowanego projektu formy wtryskowej.

Co więcej, gdy próbuje się naprawić te błędy już na etapie pierwszych prób produkcyjnych, udaje się usunąć średnio tylko 80% z nich. Oznacza to, że pozostałe 20% nadal wpływa na jakość produkcji – i to właśnie te błędy często decydują o tym, czy dany produkt będzie nadawał się do użytku.

W praktyce prowadzi to do dwóch wyjść: albo trzeba zaakceptować pewien poziom wad, albo zainwestować w kosztowną przebudowę formy, co zwykle wiąże się z opóźnieniami i przestojami w produkcji.

Zasada 10^x

W trakcie badań zauważono też ogólną prawidłowość, że naprawa błędu na etapie projektowania kosztuje 1 markę niemiecką (DEM), ale ten sam błąd wykryty podczas próbnych wtrysków może już kosztować od 100 do 1000 DEM, a jeśli zostanie zauważony dopiero po rozpoczęciu produkcji – nawet od 1000 do 10 000 DEM. Pokazuje to wyraźnie, że dbałość o jakość powinna zaczynać się już na etapie projektowania.

Techniczne przygotowanie produkcji

W praktyce przemysłowej wyróżnia się proces technicznego przygotowania produkcji oraz proces produkcyjny. Projektowanie stanowi część tego pierwszego.

Do zakresu technicznego przygotowania produkcji zalicza się:

• badania i studia (dotyczące analiz konstrukcji, technologii i rynków),
• przygotowanie konstrukcyjne (czyli właśnie projektowanie wariantów konstrukcji wyrobu),
• przygotowanie technologiczne (projektowanie procesów technologicznych obróbki i montażu),
• przygotowanie organizacyjne (opracowanie przebiegu procesu produkcyjnego w zakresie stosowanych metod wykonania, form organizacyjnych, tempa i rytmu pracy, norm czasu pracy itp.),
• uruchomienie produkcji seryjnej,
• przygotowanie eksploatacyjne (obsługi klientów).

Projektowanie

Przygotowaniem konstrukcyjnym, projektowaniem technicznym, a czasami po prostu projektowaniem nazywamy całokształtem działań, zmierzających do obmyślenia sposobu zaspokojenia określonej potrzeby.

Na przedstawionym schemacie proces projektowania rozpoczyna się od uświadomienia sobie konkretnej potrzeby i decyzji o podjęciu działań w celu jej zaspokojenia. Kończy się natomiast w momencie opracowania szczegółowej i wiarygodnej informacji na temat sposobu realizacji tej potrzeby oraz dostępnych środków, które mogą do tego posłużyć.

Projektowanie to jedno z najważniejszych zadań każdego inżyniera – niezależnie od tego, czy zajmuje się budownictwem, chemią, mechaniką czy elektroniką. Niezależnie też, czy pracuje przy planowaniu technologii, organizacji produkcji, czy w dziale badawczo-rozwojowym. W gruncie rzeczy projektowanie to nic innego jak świadome planowanie i tworzenie sztucznych układów – czyli systemów materialnych, które służą określonym celom technicznym.

Co ciekawe, projektowanie nie jest zarezerwowane tylko dla świata inżynierii. Spotykamy je także w medycynie, administracji, wojsku czy reklamie. To zjawisko powszechne w naszym społeczeństwie – i bardzo istotne, bo w dużej mierze to właśnie projektowanie kształtuje świat, w którym żyjemy.

Projektowanie jako świadoma działalność intelektualna, wyodrębniona z innych etapów zaspokajania ludzkich potrzeb – w szczególności z fazy wytwarzania – pojawiło się na szerszą skalę dopiero w okresie rewolucji przemysłowej.

We wcześniejszych epokach proces tworzenia przedmiotów był nierozerwalnie związany z ich wykonaniem. Najczęściej jedna osoba – rzemieślnik, budowniczy, płatnerz, szewc czy kołodziej – samodzielnie opracowywała koncepcję i następnie ją realizowała. Charakterystyczne dla tego podejścia było oparcie się na znanych, sprawdzonych wzorcach konstrukcyjnych, które ewentualnie modyfikowano na podstawie długoletnich obserwacji użytkowania podobnych obiektów.

Taki sposób działania często określa się jako metodę prób i błędów (ang. trial and error method), choć w świetle współczesnych definicji trudno uznać go za prawdziwą metodę projektowania. Mimo to, ta stopniowa, ewolucyjna ścieżka rozwoju doprowadziła do powstania wielu wybitnych osiągnięć technicznych, takich jak gotyckie katedry, żaglowce, zegary, łuki czy narzędzia rolnicze – na przykład pług lub maszyna tkacka.

Jednak ten tradycyjny sposób postępowania jest społecznie nieefektywny – osiągnięcie dobrego rozwiązania wymagało często wielu pokoleń oraz znacznych nakładów, a w międzyczasie powstawało wiele obiektów o niskiej jakości, które mimo to były używane.

Współczesny projektant, zgodnie z oczekiwaniami społecznymi, dąży do stworzenia rozwiązania, które od samego początku będzie dobre – czyli odpowiednio dostosowane do warunków produkcji i eksploatacji, a jednocześnie możliwie bliskie rozwiązaniu optymalnemu.

Struktura procesu projektowania

Projektowanie wiąże się z dużym nakładem pracy twórczej, dlatego przez długi czas uważano je za działalność niemożliwą do ujęcia w ramy badań naukowych ani poddania algorytmizacji. Z czasem jednak dostrzeżono pewne prawidłowości w procesie projektowym, niezależne zarówno od jego przedmiotu („co jest projektowane”), jak i podmiotu („kto projektuje”).

Proces projektowania ma charakter dyskretny. Choć zazwyczaj przebiega sekwencyjnie, niektóre działania mogą być realizowane równolegle. Ze względu na częste powtarzanie poszczególnych czynności, można go również uznać za proces iteracyjny. W jego przebiegu można wyróżnić charakterystyczne działania, takie jak ocenianie, które pojawiają się wielokrotnie na różnych etapach. Wszystko to wskazuje, że analizowanie struktury procesu projektowania jest nie tylko możliwe, ale i uzasadnione.

Konieczność strukturalizacji procesu projektowania wynika z jego złożoności – obejmuje on bowiem różnorodne działania, do których stosuje się odmienne metody. Racjonalne jest zatem takie podejście, w którym każdy etap kończy się w pełni przed rozpoczęciem kolejnego, np. generowanie rozwiązań powinno poprzedzać ich ocenę. Ponadto zadania projektowe zazwyczaj zawierają zbyt wiele zmiennych o różnej wadze, by można je było ująć w jednym, nieskładnym procesie – uzasadnia to konieczność ich podziału. Współczesne zadania projektowe są na tyle złożone, że ich skuteczna realizacja wymaga planowego i kontrolowanego działania zespołowego – nie mogą być wykonywane przez jedną osobę w sposób spontaniczny i nieskoordynowany.

Tworzenie modelu struktury procesu projektowania napotyka jednak wiele trudności. Przede wszystkim każdy przypadek projektowania to unikalna i niepowtarzalna sieć działań – i tak właśnie powinno być. Czy w takiej sytuacji można w ogóle mówić o istnieniu normatywnej struktury?

W literaturze poświęconej metodologii działań twórczych, w tym również projektowania, wyróżnia się cztery podstawowe typy aktywności w procesie twórczym: analizę zadania, syntezę rozwiązań, wybór oraz podejmowanie decyzji. Zaznacza się, że czynności te występują cyklicznie, tworząc fundamentalną pętlę iteracyjną.

Gdyby w procesie projektowania nie podejmowano decyzji, to wraz z przechodzeniem do coraz bardziej szczegółowych etapów projektowania, projektant musiałby brać pod uwagę coraz większą liczbę możliwych rozwiązań – rosnącą mniej więcej wykładniczo. Dlatego już od samego początku procesu konieczne jest podejmowanie decyzji, które stopniowo zawężają ten zbiór. Dzieje się to m.in. podczas formułowania zadania projektowego czy określania możliwych wariantów założeń techniczno-ekonomicznych. W skrajnych – choć często spotykanych, lecz nieprawidłowych – przypadkach projektowanie przebiega od początku w oparciu o jeden, z góry przyjęty wariant. Takie podejście znacząco zmniejsza szansę na uzyskanie rozwiązania globalnie optymalnego.

Zadanie projektowe

Pierwszym, a zarazem niezwykle istotnym etapem pracy projektanta jest właściwe sformułowanie problemu, który ma zostać rozwiązany. Od tego, jak zostanie określone zadanie, w dużej mierze zależy jakość i trafność opracowanego rozwiązania. Nietrafny wybór lub błędne zdefiniowanie problemu prowadzi bowiem do nieefektywnych poszukiwań i chybionych koncepcji. Mimo to znaczenie tego etapu jest często niedoceniane – projektanci zazwyczaj oczekują, że otrzymają gotowe, sprecyzowane zadanie od innych, co w praktyce rzeczywiście często ma miejsce.

Należy jednak pamiętać, że projektant (konstruktor) ponosi pełną odpowiedzialność za skutki swojej pracy – nie tylko wobec przełożonych, lecz przede wszystkim wobec społeczeństwa. Dlatego, nawet jeśli zadanie zostało mu przekazane w gotowej formie, ma obowiązek je przeanalizować, ewentualnie skorygować i ponownie przedstawić do zatwierdzenia w nowej, bardziej trafnej formule.

Społeczna odpowiedzialność projektanta ma również szerszy wymiar: jego rolą nie jest wyłącznie odpowiadanie na istniejące potrzeby, ale również ich kształtowanie. Powinien on inspirować powstawanie nowych, społecznie pożądanych potrzeb oraz wpływać na zmianę lub eliminację tych, które są niekorzystne.

Określanie wymagań to proces zarówno złożony, jak i kluczowy dla powodzenia projektu. Z tego powodu od dłuższego czasu poszukuje się metod, które mogłyby go usprawnić  -poprzez ograniczenie zależności od kwalifikacji projektanta oraz zmniejszenie nakładu pracy.

Proces ten można podzielić na dwie główne fazy:

1. Zidentyfikowanie wielkości, dla których należy ustalić ograniczenia,
2. Określenie dopuszczalnych zakresów wartości dla tych wielkości.

Wśród metod wspomagających jedną lub obie fazy znajdują się:

• metoda przestrzeni zdarzeń i sprzężeń,
• metoda drzewa celów,
• analiza użytkownika i procesu użytkowania.

W celu doprecyzowania i uszczegółowienia wymagań sformułowanych w sposób ogólny lub niejasny, pomocna jest metoda drzewa celów. Polega ona na tworzeniu hierarchicznej struktury, w której kolejne poziomy charakteryzują się rosnącym stopniem szczegółowości i jednoznaczności. Podczas konstruowania tej struktury, na każdym etapie warto zadawać pytania: „Co to oznacza?”, „Po co to jest potrzebne?” lub „Jak można to osiągnąć?”. Proces budowania drzewa kończy się w momencie, gdy osiągniemy poziom zmiennych jasno zdefiniowanych, mierzalnych oraz posiadających określone granice dopuszczalne.

Na podstawie tych zmiennych możemy zbudować funkcję celu, na przykład w postaci sumy iloczynów zmiennych i przypisanych im wag. Wartość tej funkcji dla poszczególnych wariantów konstrukcyjnych pozwala ocenić, jak blisko znajdujemy się rozwiązania optymalnego – czyli jak dobry jest nasz projekt. Jak trafnie ujął to Peter Drucker: „Nie można zarządzać tym, czego nie można zmierzyć”.

Rozwiązania zadania projektowego

Zazwyczaj obliczenia niezbędne do pełnej optymalizacji konstrukcji są bardzo kosztowne i trudne do całkowitej automatyzacji (a często po prostu nieopłacalne). W związku z tym nie jesteśmy w stanie przeprowadzić pełnego przeglądu wszystkich możliwych rozwiązań, a uzyskany wynik ma charakter suboptymalny, a nie globalnie optymalny. Dlatego też zadowalamy się nie rozwiązaniem najlepszym, lecz wystarczająco dobrym, przybliżonym za pomocą metod heurystycznych.

Metody te mają charakter niesformalizowany i nie poddają się pełnej formalizacji. Służą jako narzędzia wspomagające proces twórczego poszukiwania nowych rozwiązań określonego problemu – zarówno tych obiektywnie nowych, jak i wcześniej nieznanych samemu projektantowi. Ich podstawowym celem nie jest zastąpienie twórczej pracy projektanta, lecz jej wsparcie, uporządkowanie oraz wzmocnienie. Nie są to metody algorytmiczne – dopuszczają pewną swobodę w stosowaniu, mogą być ze sobą łączone lub wykorzystywane jedynie częściowo.

Przykładami takich metod są techniki ekoprojektowania opisanie tutaj.

Wszystkie czynności projektowe dzielimy na algorytmiczne i heurystyczne. Dla tych pierwszych możliwe jest stworzenie odpowiedniego oprogramowania, które pozwala na ich realizację za pomocą komputera (komputerowe wspomaganie – CAE). Natomiast czynności heurystyczne – na szczęście – wciąż wymagają udziału człowieka, czyli projektanta.

Podsumowanie

1. Większość wad wyrobów wtryskiwanych wynika z błędów projektowych, powstałych na etapie technicznego przygotowania produkcji, których późniejsze usunięcie jest kosztowne i często niepełne. 
2. Projektowanie stanowi kluczowy etap technicznego przygotowania produkcji i wymaga strukturalnego, zespołowego podejścia. 
3. Skuteczne projektowanie opiera się na właściwym sformułowaniu zadania, określeniu wymagań oraz wykorzystaniu metod heurystycznych (twórczych wysiłków człowieka) i algorytmicznych (wspomagania komputerowego).

Najczęściej zadawane pytania (Q&A):

Dlaczego aż tyle błędów w produkcji bierze się z projektowania?

Bo to właśnie na etapie projektowania zapadają kluczowe decyzje – dotyczące kształtu, materiału, funkcji czy formy wtryskowej. Błędy w tych obszarach są trudne (i kosztowne) do naprawienia później.

Czym jest zasada 10x?

To zasada mówiąca, że im później wykryjesz błąd projektowy, tym więcej zapłacisz za jego naprawę – nawet 10, 100, a czasem 1000 razy więcej.

Czy projektowanie to tylko rysunki i modele 3D?

Nie. Projektowanie to przede wszystkim proces myślowy – analiza potrzeb, tworzenie koncepcji, wybór najlepszych rozwiązań. Modele i rysunki to tylko efekt końcowy.

Na czym polega metoda drzewa celów?

To sposób na doprecyzowanie wymagań: zaczynamy od ogólnego celu i zadajemy pytania „po co?”, „jak?”, aż dojdziemy do konkretnych, mierzalnych wartości.

Czym różni się projektowanie współczesne od tego sprzed wieków?

Dawniej projektant i wykonawca to była ta sama osoba. Dziś projektowanie to odrębna, zespołowa i intelektualna praca, która wymaga planowania, wiedzy i narzędzi wspomagających.

Czy wszystkie etapy projektowania można zautomatyzować?

Nie. Część czynności, zwłaszcza algorytmiczne, można wspomóc komputerowo (CAE), ale te kluczowe – heurystyczne – wymagają kreatywności człowieka.

Dlaczego tak ważne jest prawidłowe zdefiniowanie zadania projektowego?

Bo źle postawiony problem prowadzi do złych rozwiązań. Dobre zadanie to fundament skutecznego projektu.

Bibliografia

1. Zawistowski H., Frenkler D.: Formy wtryskowe. Dokumentacja obiegowa przy zamawianiu i odbiorze, Plastech, Warszawa 2007
2. Kawecka-Endler A.: Organizacja technicznego przygotowania produkcji prac rozwojowych, WPP, Poznań 2004
3. Tarnowski W.: Podstawy projektowania technicznego, WNT, Warszawa 1997

Zapraszamy do kontaktu:
email.: projekty@canexpol.pl
tel.: +48 517 889 139

Produkcja Twojego pomysłu pod okiem ekspertów.

Autor: dr inż. Przemysław Narowski – Politechnika Warszawska