ABC Projektowania

Projektowanie nowego wyrobu - założenia, dokumentacja, prototypy

Prace konstrukcyjno-doświadczalne są pierwszym etapem właściwego konstrukcyjnego przygotowania produkcji nowych i modernizowanych wyrobów. Ostatecznym celem tych prac jest opracowanie kompletnej dokumentacji konstrukcyjnej prototypu. Z racji nacisków na szybkość oraz silnego wzajemnego wpływu, dokumentacja konstrukcyjna często powstaje równolegle z prototypem. Prototyp jest ostatecznym weryfikatorem założeń techniczno-ekonomicznych wyrobu i odzwierciedleniem jego dokumentacji konstrukcyjnej.

Jak pisze Kazimierz Szatkowski w swojej książce „Przygotowanie produkcji” (Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008), w skład prac konstrukcyjno-doświadczalnych wchodzą następujące czynności:

  • opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej prototypu – założeń techniczno-ekonomicznych, projektu technicznego wstępnego, projektu technicznego roboczego;
  • wykonanie prototypu;
  • badania i odbiór prototypu.

Założenia techniczno-ekonomiczne (ZTE)

Jednym z istotnych zagadnień prac konstrukcyjno-doświadczalnych jest opracowanie założeń techniczno-ekonomicznych ZTE. Głównym celem tych założeń jest określenie wymagań techniczno-eksploatacyjnych wyrobu. ZTE nowych bądź zmodernizowanych wyrobów zatwierdza zarząd przedsiębiorstwa, kierując przez to wyrób do produkcji seryjnej.

Założenia techniczno-ekonomiczne wyrobu dla uruchomienia produkcji seryjnej powinny zawierać:

1)  dokumentację techniczną wyrobu podstawowego i wyrobów pochodnych, które przedsiębiorstwo ma produkować w przyszłości,

2)  rysunki części i zespołów oraz rysunki zestawieniowe wyrobu podstawowego i wyrobów pochodnych,

3)  niezbędne obliczenia funkcjonalne i wytrzymałościowe,

4)  warunki techniczne wykonania, odbioru jakości i warunki eksploatacji wyrobu,

5)  analizę i ocenę parametrów techniczno-eksploatacyjnych wyrobu przez porównanie ich z parametrami techniczno-eksploatacyjnymi wyrobów firm konkurencyjnych,

6)  niezbędny zakres badań prototypu lub partii doświadczalnej,

7)  analizę możliwości produkcyjnych oraz metodykę przygotowania bazy produkcyjnej,

8)  opracowanie zakresu niezbędnych inwestycji, zmian organizacji produkcji

9)  i kontroli jakości, a także przygotowanie odpowiednich kadr,

10)   ustalenie terminów i wielkości produkcji,

11)   pomoc przy opracowywaniu działań marketingowych — głównie treści reklamowe przekazywane przez środki masowego przekazu,

12)   dostosowanie konstrukcji wyrobu do obowiązujących przepisów krajowych (do norm PN) w celu uzyskania świadectwa dopuszczenia do eksploatacji (homologacji),

13)   analizę efektywności ekonomicznej całego przedsięwzięcia związanego z przygotowaniem, uruchomieniem i rozwojem produkcji,

14)   określenie przewidywanej ceny, kosztów produkcji, kosztów własnych wyrobu itp.,

15)   harmonogram prac dotyczących pełnego cyklu przygotowania i uruchomienia produkcji.

Na podstawie zatwierdzonych ZTE uruchomionej produkcji opracowuje się projekt techniczny wstępny i roboczy (w zależności od stopnia skomplikowania danego wyrobu).

Projekt techniczny wstępny

W tym projekcie następuje dalsze uściślenie obliczeń i proponowanych rozwiązań konstrukcyjnych oraz wybór najlepszego wariantu konstrukcji wyrobu, a także określenie wyrobu tj. opis techniczny, wstępne rysunki zestawieniowe oraz ważniejszych zespołów, podstawowe obliczenia, parametry techniczne, schematy kinematyczne, założenia do unifikacji zespołów i części.

Projekt wstępny zawiera rozwiązania konstrukcyjne, które dają ogólny pogląd na budowę i zasadę działania wyrobu, a także dane określające przeznaczenie, podstawowe parametry i wymiary gabarytowe wyrobu. W praktyce dla wyrobów złożonych o wysokim koszcie jednostkowym etap ten powiązany jest z budową fizycznego modelu wyrobu w skali 1:1. Celem budowy takiego modelu jest zweryfikowanie założeń techniczno-ekonomicznych odnośnie do wymiarów zewnętrznych wyrobu, słuszności zastosowanego wzornictwa przemysłowego i kolorystyki. Model taki w wykonaniu tradycyjnym sporządzony jest z łatwo dostępnych i tanich materiałów, tj. tektury, sklejki, styropianu, gipsu itp. Wykonanie fizycznego modelu jest także bardzo ważne z punktu widzenia planowania przyszłych prac w dziale marketingu. Dział ten może bowiem wykonane opisy, szkice i zdjęcia wyrobu wykorzystać do projektowania kampanii promocyjnej, zanim jeszcze wyrób ukaże się na rynku. Wejście na rynek nowego wyrobu, poprzedzone intensywną kampanią promocyjną, jest coraz częściej stosowaną strategią działalności przedsiębiorstwa.

Częścią projektu wstępnego jest analiza ekonomiczna z punktu widzenia efektywności ekonomicznej wdrożenia wyrobu do produkcji. Analiza ekonomiczna prowadzona na tym etapie ma postać przybliżoną. Jest ona jednak niezbędna do podjęcia decyzji co do kontynuowania prac, gdyż sama techniczno-organizacyjna wykonalność nowego wyrobu w warunkach gospodarki rynkowej nie przesądza o wprowadzeniu wyrobu na rynek. Do przeprowadzenia analizy opłacalności produkcji potrzebne są następujące dane:

  • ogólna pracochłonność prac związanych z przygotowaniem kompletnej dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej,
  • wielkość nakładów inwestycyjnych (maszyny, urządzenia, procesy technologiczne) niezbędnych do uruchomienia produkcji,
  • orientacyjny koszt jednostkowy wyrobu, w rozbiciu na jednostkowe koszty stałe i jednostkowe koszty zmienne,
  • planowana wielkość produkcji, wynikająca z dysponowanego przez przedsiębiorstwo potencjału produkcyjnego,
  • orientacyjna wielkość sprzedaży wynikająca z przeprowadzonych badań rynku.

Stosując metodę progu rentowności (Break Even Point, BEP) oraz uwzględniając niezbędne nakłady inwestycyjne, można orientacyjnie obliczyć czy uruchomienie produkcji przy planowanej wielkości będzie opłacalne dla przedsiębiorstwa.

Projekt techniczny roboczy

Projekt techniczny roboczy opracowuje się jako dalsze uściślenie i uszczegółowienie projektu technicznego wstępnego. Zawiera on wszystkie dane niezbędne do wykonania wzorca przemysłowego nowego wyrobu w warunkach konkretnej produkcji, a także wstępne warunki techniczne jego wykonania. Podczas wykonywania projektu roboczego określa się kształt, wymiary i materiały wszystkich części, z których składa się wyrób. Określa się charakter obróbki, tolerancje konstrukcyjne, dane materiałów oraz metody badań. Wykonuje się rysunki, całą dodatkową dokumentację, zgodnie z normami polskimi i międzynarodowymi, jeżeli planowana jest sprzedaż wyrobu na rynki trzecie. Projektując nowy wyrób, konstruktorzy powinni w maksymalnym stopniu czerpać z dorobku wiedzy i własnego doświadczenia w zakresie normalizacji części i podzespołów wyrobu, a szczególnie stosowania metod unifikacji i typizacji. Stosowanie metod unifikacji i typizacji przyczynia się w znacznym stopniu do skrócenia ogólnego cyklu przygotowania produkcji i zmniejszenia kosztów produkcji.

Szukając różnych możliwości zwiększenia ogólnej efektywności produkcji, przedsiębiorstwo nie powinno ograniczać się do projektowania wyrobu tylko w jednej wersji np. w wersji podstawowej. Wyrób bazowy powinien być podstawą opracowania dokumentacji technicznej całej rodziny wyrobów w różnych odmianach konstrukcyjnych. Opracowanie dokumentacji w wersji rozszerzonej, co prawda, zwiększa ogólną pracochłonność prac, ale w zamian przedsiębiorstwo może na rynku zaoferować bogatszy asortyment wyrobów.

Całą dokumentację konstrukcyjną, wchodzącą w skład projektu technicznego roboczego, można podzielić na dokumentację konstrukcyjną podstawową i dokumentację konstrukcyjną towarzyszącą.

Dokumentacja konstrukcyjna podstawowa powinna zawierać:

  • rysunek zestawieniowy wyrobu,
  • rysunki zestawieniowe zespołów,
  • rysunki wykonawcze ważnych części i części o długim cyklu wykonania (odlewy, odkuwki itp.),
  • specyfikację zespołów i części,
  • schematy podstawowe układów,
  • warunki techniczne odbioru materiałów, wykonanie odbioru części, zespołów i całego prototypu.

Do dokumentacji konstrukcyjnej towarzyszącej można zaliczyć:

  • skrócony opis techniczny,
  • wstępną instrukcję obsługi,
  • arkusz czystości patentowej,
  • obliczenia konstrukcyjne wyrobu i jego elementów,
  • niezbędny zakres badań prototypu,
  • normy i projekty norm stosowanych w konstrukcji wyrobu,
  • opracowaną z większą dokładnością dokumentację wchodzącą w skład ZTE.

Wykonanie prototypu

Praktyka przemysłowa nie formułuje precyzyjnych zasad dotyczących wykonania prototypu (wzorca przemysłowego) wyrobu ani też liczby wykonanych prototypów. Każde przedsiębiorstwo wykorzystuje w tym zakresie własne doświadczenia i wykonuje prototypy w zależności od konkretnej potrzeby.

W tradycyjnym ujęciu prac z zakresu przygotowania produkcji wykonanie prototypu jest bardzo zalecane, bez względu na planowaną wielkość produkcji. Można nawet powiedzieć, że wykonanie prototypu jest momentem przełomowym z punktu widzenia całości prowadzonych prac z przygotowania produkcji. W zasadzie im większa jest planowana produkcja wyrobu, tym wykonanie prototypu jest bardziej potrzebne. Ogranicza ono bowiem ryzyko przemysłowego uruchomienia produkcji wyrobu „niedojrzałego”, z wadami technicznymi lub funkcjonalnymi, co mogłoby narazić przedsiębiorstwo na poważne straty finansowe. Prototyp jest zatem ostatecznym konstrukcyjnym weryfikatorem poprawności opracowań teoretycznych konstrukcji, prowadzonych na etapie projektu technicznego wstępnego i roboczego.

Wykonanie prototypu jest przedsięwzięciem trudnym i pracochłonnym. Trudność polega na wykonaniu wyrobu, który nie ma jeszcze swojego odpowiednika przemysłowego i dla którego dokumentacja techniczna nie jest całkowicie opracowana. Dokumentacja techniczna powstaje bowiem równolegle z techniczną realizacją prototypu. Dlatego do wykonania prototypu powinni być wybrani najlepsi pracownicy przedsiębiorstwa. Powinni oni posiadać nie tylko ponadprzeciętne uzdolnienia manualne, lecz także umiejętność myślenia koncepcyjnego. Zdarza się bowiem często, że podczas realizacji prototypu to właśnie ci pracownicy podpowiadają konstruktorom i technologom niektóre rozwiązania konstrukcyjne, poprawiające walory użytkowe wyrobu lub ułatwiające montaż wyrobu. Bez względu na to, kto jest pomysłodawcą rozwiązań konstrukcyjnych, konieczne jest, aby w ostatecznym efekcie dokumentacja techniczna w sposób jednoznaczny odzwierciedlała rozwiązania techniczne zastosowane w prototypie. Wszystkie zmiany i korekty wynikające z montażu bądź twórczości racjonalizatorskiej mogą być dokonywane jedynie za zgodą konstruktora prowadzącego, który nanosi te poprawki w dokumentacji. Również montaż zespołów i całego prototypu powinien być przeprowadzony ściśle według dokumentacji konstrukcyjnej.

Współcześnie z uwagi na coraz szersze zastosowanie technik komputerowych w projektowaniu wyrobów nie przywiązuje się tak dużego znaczenia do fizycznego wykonania prototypu przed uruchomieniem produkcji przemysłowej wyrobu. Zastosowanie systemów wspomagania projektowania (CAD), umożliwiających projektowanie wyrobu w układzie trójwymiarowym (3D), oraz dodatkowe zastosowanie technik symulacyjnych wyrobu pozwala zobaczyć na ekranie komputera to wszystko, co moglibyśmy zaobserwować, wykonując obiekt fizyczny. Drugim powodem odchodzenia od wykonywania prototypów jest szerokie stosowanie w krajach wysoko rozwiniętych tzw. technik szybkiego prototypowania. W metodzie tej nie uzyskuje się prototypu w znaczeniu tradycyjnym czyli pierwowzoru wyrobu, lecz tylko model wyrobu. Model ten wykonywany jest z różną szczegółowością tj. od modeli niezawierających żadnych rozwiązań konstrukcyjnych do modeli zawierających wybrane rozwiązania funkcjonalne wyrobu np. tylko układ chłodzący w nowo projektowanej lodówce. Jednak cały prototyp wykonuje się dość rzadko.

Badanie prototypu

Badanie prototypu wyrobu oraz jego elementów składowych przeprowadza się w warunkach maksymalnie zbliżonych do warunków eksploatacyjnych. Zakres badań prototypu ustala się na etapie formułowania założeń techniczno-ekonomicznych. Przebieg tych badań musi być jednak zgodny z badaniami sprecyzowanymi w normach krajowych lub zagranicznych dla danego rodzaju maszyn lub urządzeń technicznych, a wyniki tych badań nie mogą być gorsze od tych, które są sprecyzowane w normach.

W praktyce przemysłowej często przeprowadza się badania prototypu lub partii prototypów według zaostrzonych wymagań, do badań niszczących włącznie. Prowadzenie badań według zaostrzonych wymagań ma za zadanie skrócenie cyklu badań oraz stwierdzenie poziomu zapasu analizowanych parametrów technicznych w nowo wykonanym wyrobie. Prowadzenie badań w normalnych warunkach eksploatacyjnych mogłoby bowiem trwać bardzo długo. Natomiast poddanie wyrobu badaniom niszczącym ma na celu określenie krytycznych warunków, jakim mogą być poddane wyroby. Typowym badaniem niszczącym wyrobu w przemyśle motoryzacyjnym jest np. test zderzeniowy (crash-test).

Przy pozytywnej ocenie wyników prób i badań prototypu, co jest równoznaczne z uzyskaniem przez prototyp pozytywnej oceny, przedsiębiorstwo może (o ile jest to uzasadnione) przystąpić do wykonywania serii informacyjnej wyrobu. Wynikiem badań prototypu jest protokół zawierający wnioski, w jakim stopniu konstrukcja wyrobu spełnia założenia techniczno-eksploatacyjne postawione na etapie założeń techniczno-ekonomicznych.