ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Ορισμοί Καθώς αρχίζετε να διαβάζετε την παρούσα εισαγωγή παρατηρήστε τα διάφορα αντικείμενα γύρω σας: το μηχανικό μολύβι που χρησιμοποιείτε, το κινητό σας τηλέφωνο, μία κρεμάστρα ρούχων, έναν λαμπτήρα κλπ. Θα αντιληφθείτε ότι όλα αυτά τα αντικείμενα δεν υπάρχουν στη φύση με τη μορφή που βρίσκονται τώρα γύρω σας. Περαιτέρω, θα διαπιστώσετε ότι ορισμένα από αυτά είναι μονοκόμματα και από ένα υλικό (single part) όπως η κρεμάστρα, μία βίδα, ένας μεταλλικός συνδετήρας, ενώ τα περισσότερα αποτελούνται από πολλά διαφορετικά τμήματα διαφόρων υλικών (ηλεκτρικός λαμπτήρας, κινητό τηλέφωνο, αυτοκίνητο κλπ.) που έχουν συναρμολογηθεί στο λειτουργικό σύνολο που εσείς χρησιμοποιείτε. Όλα αυτά τα προϊόντα (products) που αναφέραμε έχουν δημιουργηθεί με ένα σύνολο διεργασιών που ονομάζονται κατεργασίες παραγωγής ή απλούστερα παραγωγή (manufacturing). Με τον όρο παραγωγή (manufacturing/production) ορίζεται (Groover-1987, Hitomi-1996, Kalpakjian & Schmid, 2003) μία διαδικασία μετασχηματισμού που μετατρέπει πρώτες ύλες σε τελικά προϊόντα με προστιθέμενη αξία, που ικανοποιούν συγκεκριμένες απαι-τήσεις/προδιαγραφές. Η διαδικασία μετασχηματισμού, συνήθως, περιλαμβάνει μία ακολουθία βημάτων/σταδίων κάθε ένα από τα οποία «οδηγεί» τα υλικά πλησιέστερα στην επιθυμητή τελική κατάσταση. Τα διακριτά αυτά στάδια ονομάζονται παραγωγικές διαδικασίες (production/manufacturing operations/processes). Κάθε παραγωγική διαδικασία, ανεξαρτήτως τύπου παραγωγής θέμα που δεν συζητείται εδώ, περιλαμβάνει συγκεκριμένες βασικές λειτουργίες (functions ή operations) που πρέπει να υλοποιηθούν ώστε να επιτευχθεί ο μετασχηματισμός των πρώτων υλών σε τελικά προϊόντα. Οι πέντε αυτές λειτουργίες είναι οι ακόλουθες: Κατεργασία (processing), συναρμολόγηση (assembly), μεταφορά και αποθήκευση (handling), επιθεώρηση και δοκιμή (inspection and test) και έλεγχος (control). Οι λειτουργίες αυτές παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Η (μηχανουργική) κατεργασία είναι η κύρια λειτουργία μετασχηματισμού που μετατρέπει το προϊόν από μια μορφή σε μια άλλη πιο ολοκληρωμένη, με την πρόσδοση ενέργειας μέσω κατάλληλου εξοπλισμού (εργαλειομηχανή και εργαλεία/ιδιοσυσκευές), που αλλάζει το σχήμα του αντικειμένου (κατεργασίες διαμόρφωσης) ή αφαιρεί υλικό για την δημιουργία της επιθυμητής μορφής (κατεργασίες κοπής). Η μηχανουργική κατεργασία και η συναρμολόγηση είναι οι λειτουργίες που δημιουργούν προστιθέμενη αξία στο υπό παραγωγή αντικείμενο. Σχήμα 1: Σχηματική παράσταση των λειτουργιών μιας παραγωγικής διαδικασίας. A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-1
Σε βάση την συστημική προσέγγιση (Hitomi, 1996) μια τυπική μηχανουργική κατεργασία απεικονίζεται διαγραμματικά όπως στο Σχήμα 2 που υποδεικνύει επίσης ότι «εισερχόμενα» (inputs) κάθε κατεργασίας είναι, (εκτός από τα υλικά), ο απαιτούμενος εξοπλισμός, η ενέργεια και προφανώς η ανθρώπινη εργασία. Επισημαίνεται ότι το «μοντέλο» αυτό αναφέρεται στην «καρδιά» κάθε παραγωγικής διαδικασίας, δηλαδή στην διακριτή κατεργασία (manufacturing process) και της παραγωγής γενικότερα αλλά δεν αφορά το σύνολο των (αλληλένδετων) δραστηριοτήτων μιας παραγωγικής μονάδας/ επιχείρησης (manufacturing industry/firm). Εντός της παραγωγικής μονάδας εκτός από την ροή των υλικών (= παραγωγική διαδικασία) πραγματοποιείται ταυτόχρονα και σε οργανική σύνδεση και αλληλοεξάρτηση με τις παραγωγικές διαδικασίες μια επεξεργασία πληροφοριών που αφορούν επιχειρηματικές/οργανωτικές δραστηριότητες. Οι δραστηριότητες αυτές περιλαμβάνουν τις ακόλουθες λειτουργίες: Επιχειρησιακές/εμπορικές λειτουργίες (business functions) όπου συμπεριλαμβάνεται και το marketing, σχεδιασμός προϊόντος(ων) (product design), σχεδιασμός και προγραμματισμός παραγωγής (manufacturing planning) και έλεγχος παραγωγής (manufacturing control). Συμβατικά, οι λειτουργίες αυτές μπορεί να απεικονισθούν ως ένας «δακτύλιος» που περιβάλλει τις λειτουργίες της παραγωγικής διαδικασίας, βλέπε Σχήμα 3 και συγκρίνατε με το Σχήμα 1. Σχήμα 2 : Απλοποιημένη σχηματική παράσταση μιας μηχανουργικής κατεργασίας. Σπεύδω εδώ να επισημάνω ότι στο πλαίσιο του μαθήματος «ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ» δεν αναφερόμαστε στο περιεχόμενο και τον ρόλο όλων των όρων που υπάρχουν στα Σχήματα 1-3. Τα Σχήματα όμως αυτά παρουσιάζουν εποπτικά και με ενάργεια την πολυπλοκότητα και τις επιμέρους αλληλοσυνδεόμενες δραστηριότητες της τυπικής παραγωγής, βλέπε προαιρετικά Groover (1987) για μία σε βάθος ανάλυση των λειτουργιών της παραγωγής. Συνοψίζοντας επισημαίνω ότι η παραγωγή (manufacturing) με την ευρύτερη έννοια είναι το σύνολο των διαδικασιών μετασχηματισμού των πρώτων υλών σε χρήσιμα και λειτουργικά διακριτά προϊόντα. Εμπεριέχει τρεις κύριες δραστηριότητες: (Ι) τον σχεδιασμό του προϊόντος (βλ. την επόμενη ενότητα 2), (ΙΙ) την επιλογή των πρώτων υλών και (ΙΙΙ) τη διαδοχή των κατεργασιών μέσω των οποίων παράγονται τα προϊόντα. A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-2
Σχήμα 3: Ο «δακτύλιος» επιχειρησιακών/οργανωτικών λειτουργιών μιας παραγωγικής μονάδας συναφών με την παραγωγική διαδικασία. Ιστορικά, ο όρος manufacturing προέρχεται από τις λατινικές λέξεις manu factus που σημαίνουν «φτιαγμένο με το χέρι». Ο όρος manufacture πρωτοεμφανίστηκε το 1567 και η λέξη manufacturing το 1683. Η λέξη product με την έννοια «κάτι που παράγεται τεχνητά» όπως και ο όρος production πρωτοεμφανίζονται κατά τη διάρκεια του 15 ου αιώνα. Ένας συνοπτικός πίνακας της ιστορίας της παραγωγής παρουσιάζεται σε παράρτημα στο τέλος της παρούσας εισαγωγής. Στη διεθνή βιβλιογραφία οι όροι production και manufacturing χρησιμοποιούνται εναλλακτικά ως ισοδύναμοι. Η γνωστική περιοχή των τεχνολογιών της παραγωγής αναφέρεται συνήθως στις ΗΠΑ ως manufacturing engeneering ενώ στην Ιαπωνία και στην Ευρώπη συνηθίζεται ο όρος production engeneering. Σημειώνεται επίσης, ότι για τη δημιουργία του τελικού προϊόντος εκτός από τις τεχνολογίες παραγωγής συμβάλλει και ένας άλλος επιστημονικός κλάδος, η οργάνωση παραγωγής, η οποία στα τυπικά πανεπιστημιακά προγράμματα σπουδών αποτελεί διακριτή γνωστική περιοχή. Δύο τυπικά προϊόντα που απεικονίζουν τις δυνατότητες των κατεργασιών παραγωγής σε κλίμακα μεγέθους από το μεγάλο έως το ελάχιστο εικονίζονται στο Σχήμα 4. 2. Ανάπτυξη και σχεδιασμός προϊόντος Αρχικά, αναφερόμαστε στη σχέση και οριοθέτηση των όρων ανάπτυξη προϊόντος και σχεδιασμός προϊόντος. Γενικά, οι δύο όροι είναι ιδιαίτερα συναφείς και η σύγχρονη βιβλιογραφία τείνει στη «ενιαία» παρουσίαση τους με τον τίτλο «ανάπτυξη και σχεδιασμός προϊόντος», βλέπε ενδεικτικά Ulrich-Eppinger (2004), Hitomi (1996). Το γεγονός ότι ο αγγλικός όρος «design» που αποδίδει και τον ελληνικό όρο «σχεδιασμός» έχει ευρύτατο περιεχόμενο και πολλές σημασίες καθιστά την σαφή οριοθέτηση των δύο εννοιών δυσχερή. A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-3
(α) (β) Σχήμα 4: Προϊόντα κατεργασιών από το τεράστιο έως το μικροσκοπικό: (α) μεταφορικό αεροσκάφος C-5 της Lockheed Martin με μήκος 76 m, ύψος 20 m, εμπέτασμα πτερύγων 68 m και δυνατότητα απογείωσης με μικτό βάρος 380 tons, (β) μικροσκοπικός οδοντωτός τροχός με διάμετρο περί τα 100 μm. Στη συνέχεια, ακολουθώντας την «λογική» των Groover (1987), Farag, (1989) και Ulrich- Eppinger (2004) με τον όρο ανάπτυξη προϊόντος αναφερόμαστε στο σύνολο των διατμηματικών δραστηριοτήτων (interdisciplinary activities) μιας παραγωγικής επιχείρησης για την δημιουργία προϊόντος(ων) που ανταποκρίνονται στις ανάγκες των πελατών. Οι δραστηριότητες αυτές μπορούν να ενταχθούν σε διακριτά στάδια τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια. Για την επιτυχή ανάπτυξη ενός προϊόντος τρεις κύριες λειτουργίες (τμήματα) της επιχείρησης είναι ιδιαίτερα σημαντικά: marketing, σχεδιασμός (design) και παραγωγή (manufacturing). Το marketing ως λειτουργία διαχειρίζεται τις σχέσεις/αλληλεπιδράσεις μεταξύ της επιχείρησης και των πελατών της. Αναγνωρίζει τις ανάγκες των πελατών, προσδιορίζει τo τμήμα της αγοράς το οποίο στοχεύει το (νέο) προϊόν, επιβλέπει την εισαγωγή του προϊόντος στην αγορά και την προώθηση/διαφήμιση του. Ο σχεδιασμός καθορίζει την φυσική μορφή του προϊόντος ώστε αυτό να ικανοποιεί με τον άριστο τρόπο τις ανάγκες των πελατών. Με αυτό το (ευρύ) περιεχόμενο η λειτουργία του σχεδιασμού καλύπτει τόσο τον τεχνικό σχεδιασμό (engineering design) που περιλαμβάνει ως υποσύνολα την μηχανολογική σχεδίαση, την ηλεκτρολογική σχεδίαση, τη σχεδίαση software κ.λπ, όσο και την λεγόμενη βιομηχανική σχεδίαση (industrial design) που αναφέρεται στην εργονομία και την αισθητική. Η παραγωγή, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως είναι το σύνολο των διαδικασιών που μετασχηματίζουν τις πρώτες ύλες στο επιθυμητό τελικό προϊόν. Η εισαγωγή ενός νέου προϊόντος ή η τροποποίηση ενός υπάρχοντος προϋποθέτει διαδικασίες όπως η μελέτη σκοπιμότητας, ο σχεδιασμός του, η λήψη οικονομικών αποφάσεων, η επιλογή υλικών και κατεργασιών, η ανάπτυξη της αγοράς στην οποία απευθύνεται, η πώληση του και η υποστήριξη/συντήρησή του. Όλες αυτές οι δραστηριότητες είναι αλληλένδετες και πρέπει να A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-4
υλοποιηθούν συντονισμένα στο πλαίσιο της επιχείρησης/οργανισμού. Είναι γενικά παραδεκτό ότι ένα βιομηχανικό προϊόν πρέπει να ικανοποιεί δεδομένες απαιτήσεις/ανάγκες και να παρέχει ικανοποίηση στον χρήστη. Το προϊόν ξεκινά συνήθως ως «σύλληψη»/ιδέα που ικανοποιεί (εκπεφρασμένες ή μη) ανάγκες, η οποία εφόσον είναι πραγματοποιήσιμη αναπτύσσεται σε «σχέδιο»(concept) και εν συνεχεία σε ολοκληρωμένο προϊόν. Κάθε προϊόν διαθέτει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και τρόπο ανάπτυξης ωστόσο, γενικά, υπάρχει μια τυπική ακολουθία διαδικασιών (στάδια) που απαρτίζουν την ανάπτυξη ενός (νέου) προϊόντος. Τα στάδια αυτά απεικονίζονται διαγραμματικά στο Σχήμα 5. Θα πρέπει εδώ να αναφέρω ότι το περιεχόμενο (και ο αριθμός) των σταδίων δεν είναι απολύτως διακριτά και καθορισμένα. Το Σχήμα 5 παρουσιάζει το (τυπικό) γενικό πλαίσιο και δεν αναφέρεται σε ειδικές περιπτώσεις. Σχήμα 5: Στάδια της διαδικασίας ανάπτυξης (νέου) προϊόντος. Στο σημείο αυτό απαιτούνται δύο κύριες επισημάνσεις: (α) Η διαδικασία σχεδιασμού και ανάπτυξης καταλήγει στην κατασκευή και δοκιμή πρωτοτύπων είτε με δοκιμές πεδίου (in-field testing) είτε μέσω προσομοίωσης (FEM, rapid prototyping). (β) Τα κατασκευαστικά προβλήματα πολύ σπάνια επιδέχονται μια και μοναδική σωστή λύση. Για το ίδιο πρόβλημα ή για την ίδια ανάγκη διάφοροι μελετητές καταλήγουν σε διαφορετικές λύσεις καλές, κακές, ισοδύναμες, φθηνές, ακριβές, σύντομες, χρονοβόρες κ.λ.π. Από την άλλη πλευρά σπάνια επίσης μια λύση βασίζεται μόνο σε θεμελιώδεις αρχές και γνώσεις. Ένα καλά θεμελιωμένο επιστημονικό A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-5
υπόβαθρο είναι οπωσδήποτε η προϋπόθεση για τον επιτυχημένο (τεχνικό) σχεδιασμό. Σπάνια όμως είναι και από μόνο του επαρκές. Σχεδόν πάντοτε χρειάζεται να συνδυασθεί με «εμπειρικές» γνώσεις και πληροφορίες και, σε κάθε περίπτωση, με μια κατάλληλα αναπτυγμένη «κρίση μηχανικού». Για την εφαρμογή του μηχανολογικού σχεδιασμού σημαντική είναι η συνεισφορά της «υπολογιστικής μηχανικής» (μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων -FEM) σε συνδυασμό με τα συστήματα αυτόματης σχεδίασης (CAD/CAM). Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (finite element method - FEM) είναι επέκταση της εφαρμοσμένης μηχανικής και αντοχής την υλικών με την βοήθεια υπολογιστών. Σύμφωνα με την μέθοδο αυτή κάθε κατασκευή (συνεχές μέσο) αντιπροσωπεύεται από ένα δίκτυο στοιχειωδών απλών γεωμετρικών στοιχείων όπως τρίγωνο, τετράγωνο κ.λπ (mesh of elements) που έχουν μεταξύ τους κοινές κορυφές, τους κόμβους (nodes). Η γεωμετρική θέση των κόμβων συνδυάζεται με τις ελαστικές ιδιότητες του υλικού και δημιουργούν την λεγόμενη μήτρα ακαμψίας. Η μήτρα ακαμψίας σε συνδυασμό με την εξωτερική φόρτιση του αντικειμένου καθορίζει τις παραμορφώσεις στους κόμβους άρα και την τασική κατάσταση εντός του αντικειμένου. Οι υπολογισμοί αυτοί απαιτούν την ταυτόχρονη επίλυση χιλιάδων γραμμικών εξισώσεων γεγονός που επιτυγχάνεται μόνο με την χρήση υπολογιστή. Σήμερα διατίθενται έτοιμα προγράμματα FEM (Dyna-3D, Nastran, Algor, Abaqus) που επιτρέπουν τον υπολογισμό των τάσεων σε αντικείμενα πολύπλοκης γεωμετρίας και με κάθε δυνατό συνδυασμό εξωτερικών φορτίσεων. Το πρακτικό πλεονέκτημα της εφαρμογής FEM κατά τη σχεδίαση είναι η ακρίβεια των υπολογισμών και η υποκατάσταση της κατασκευής πρωτοτύπων και της πειραματικής δοκιμής τους από τον αριθμητικό υπολογισμό των φορτίων και την βελτιστοποίηση της γεωμετρίας της κατασκευής μέσω της μοντελοποίησης στον Η/Υ. Το κόστος ενός προϊόντος τυπικά, επιμερίζεται σε 15% κόστος σχεδιασμού και 85 % κόστος παραγωγής. Όμως, κατά την φάση του σχεδιασμού ουσιαστικά, καθορίζεται το 90 % του συνολικού κόστους, λόγω της επιλογής ( άμεσα ή έμμεσα) των κατεργασιών και των υλικών. 3. Εξελίξεις στο σχεδιασμό και την παραγωγή Η απαίτηση για αύξηση της παραγωγικότητας και της ποιότητας των προϊόντων στις σύγχρονες κοινωνίες και ο ανταγωνισμός στα πλαίσια της παγκοσμιοποιημένης αγοράς όχι μόνο έστρεψε τους παραγωγικούς φορείς στην υιοθέτηση μεθόδων σχεδιασμού και παραγωγής με την χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών αλλά οδήγησε και σε μια ριζική αναθεώρηση της μεθοδολογίας της ανάπτυξης και του σχεδιασμού προϊόντων και των παραγωγικών διαδικασιών. Η χρήση υπολογιστών στον σχεδιασμό και την παραγωγή συνοψίζεται με τους όρους CAD/CAM/CIM, ενώ η «νέα» φιλοσοφία σχεδιασμού περιγράφεται με τον όρο ταυτόχρονη ανάπτυξη (concurrent engineering). Oι όροι αυτοί παρουσιάζονται συνοπτικά στη συνέχεια. Ταυτόχρονη ανάπτυξη A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-6
Ένας τυπικός και «επίσημος» ορισμός της ταυτόχρονης ανάπτυξης είναι ο ακόλουθος (περιέχεται σε μελέτη του Υπ. Αμύνης των ΗΠΑ και αναφέρεται στην Βιβλ. Παραπομπή Βαξεβανίδης - 2003): «Η ταυτόχρονη ανάπτυξη είναι μια συστηματική προσέγγιση στην ολοκληρωμένη και ταυτόχρονη σχεδίαση των προϊόντων και των σχετικών διεργασιών συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και της τεχνικής υποστήριξης. Στόχος της πρωτοβουλίας αυτής είναι να υποχρεώσει τους κατασκευαστές, από τα πρώτα στάδια, να λαμβάνουν υπόψη τους όλα τα στοιχεία χρήσης του προϊόντος, από την σύλληψη της αρχικής ιδέας μέχρι την «καταστροφή» του, συμπεριλαμβανομένων των απαιτήσεων για ποιότητα, κόστος, χρόνο παράδοσης και χρήση». Ο κύριος στόχος της «ταυτόχρονης ανάπτυξης» είναι οι διακριτές φάσεις σχεδιασμού προϊόντος και παραγωγής να υλοποιούνται όσο το δυνατόν παράλληλα και όχι διαδοχικά. Η «λογική» της «ταυτόχρονης ανάπτυξης» όπως αυτή «αντιπαρατίθεται» στην συμβατική διαδικασία σχεδιασμού απεικονίζεται στο Σχήμα 6. Σχήμα 6: Διαδικασίες της «ταυτόχρονης ανάπτυξης». Η χρήση πληροφορικών συστημάτων και υπολογιστικής τεχνολογίας είναι προαπαίτηση για την επιτυχή εφαρμογή της ταυτόχρονης ανάπτυξης. Ένας μεγάλος όγκος πληροφοριών και δεδομένων διακινείται μεταξύ των εμπλεκομένων ομάδων και η χρήση μοντέλων (product process and factory models) και προσομοίωσης είναι απαραίτητη. Η «ταυτόχρονη ανάπτυξη» (concurrent engineering) όπως και ο «σχεδιασμός με στόχο Χ» (design for X ή DfX) αποτελούν ουσιαστικά μια «ομπρέλα» που συμπερι-λαμβάνει μεθόδους και τεχνικές με στόχο την πλέον οικονομική και «ποιοτική» κατασκευή/προϊόν, με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του χρόνου ανάπτυξης, βλέπε ενδεικτικά Ulrich-Eppinger, (2004). Κοινή βάση και αφετηρία όλων αυτών των μεθοδολογιών απετέλεσε ο λεγόμενος «σχεδιασμός για συναρμολόγηση» (design for assembly ή DfA) που παρουσιάσθηκε συστηματοποιημένα από τον Boothroyd και τους A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-7
συνεργάτες του, βλέπε ενδεικτικά Boothroyd-Dewhurst, (1989) και Boothroyd-Dewhurst-Knight, (1994). Η βάση του «σχεδιασμού για συναρμολόγηση» είναι η ανάλυση του μηχανολογικού σχεδιασμού και η ενδεχόμενη τροποποίηση των σχεδίων (του γενικού συνόλου και των επιμέρους εξαρτημάτων) με στόχο την εύκολη και λειτουργική συναρμολόγηση. Σήμερα διατίθεται εξειδικευμένο λογισμικό που επιτρέπει την ανάλυση σύνθετων κατασκευών σε ελάχιστο χρόνο και με χρήση βάσεων δεδομένων και εμπείρων συστημάτων (expert systems) υποδεικνύει την βέλτιστη (ως προς την συναρμολόγηση) σχεδίαση των εξαρτημάτων. Η εφαρμογή του «σχεδιασμού για συναρμολόγηση» γίνεται, πιστεύω κατανοητή και σαφής με τα παραδείγματα του Σχήματος 7. Το παράδειγμα του σχήματος αυτού μας βοηθά στη σύνοψη των αρχών του «σχεδιασμού για συναρμολόγηση»: επιλογή/πρόβλεψη του μικρότερου δυνατού αριθμού στοιχείων, μερών και υποσυνόλων που πρέπει να συναρμολογηθούν σε σύνολο. εξασφαλισμένη εναλλαξιμότητα με χρησιμοποίηση τυποποιημένων στοιχείων. αποφυγή πολλαπλών συνδέσεων υποσυνόλου με «αυστηρές» ανοχές. περιορισμός ποικιλίας των απαιτούμενων εργαλείων συναρμολόγησης και διευκόλυνση της αυτοματοποίησης της εργασίας συναρμολόγησης. πρόβλεψη για εύκολη αποσυναρμολόγηση με χρήση απλών εργαλείων. Σήμερα η μεθοδολογία του «σχεδιασμού για την συναρμολόγηση» αποτελεί τμήμα του λεγόμενου «design for manufacture/design for manufacture & assembly» ή DfM/ DfMA». Ο όρος αυτός περιλαμβάνει εκτός από το DfA τις αυτοματοποιημένες μεθόδους παραγωγής, βλέπε Dieter, (1991) και μας «εισάγει» στο περιεχόμενο των τεχνικών CAD/CAM/CIM που παρουσιάζω στη συνέχεια. Σχήμα 7: Εφαρμογή του σχεδιασμού για συναρμολόγηση, αριστερά: αρχικός σχεδιασμός εξαρτήματος με τέσσερα κύρια τμήματα και πολλά συνδετικά στοιχεία (κοχλίες, ροδέλες, περικόχλια), δεξιά: βελτιωμένος σχεδιασμός με δύο μόνο τμήματα που συνδέονται εύκολα (με το χέρι ή αυτόματα) χωρίς συνδετικά στοιχεία. CAD/CAM/CIM A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-8
Με τα ακρωνύμια αυτά, γενικά, αναφερόμαστε σε μια ευρύτατη περιοχή σχεδιαστικών και παραγωγικών διαδικασιών που χαρακτηρίζονται από την ολοένα αυξανόμενη, ενεργή χρήση της τεχνολογίας των υπολογιστών. Δεν είναι τυχαίο ότι στα ακρωνύμια της επικεφαλίδας, αλλά και σε παρόμοιες συντομογραφίες (π.χ. CAE, CAPP) τα δύο πρώτα αρχικά είναι, κατά κανόνα, κοινά: CA: computer aided. Κατά συνέπεια: CAD = computer-aided design = Σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή. CAM = computer-aided manufacturing = Παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή. CIM = computer integrated manufacturing = ολοκληρωμένη (ενοποιημένη) παραγωγή με χρήση υπολογιστή. Συνοπτικά, η τεχνολογία CAD/CAM τείνει να συνδυάσει δύο δραστηριότητες, παραδοσιακά διακριτές, τον σχεδιασμό και την παραγωγή σ ένα ενιαίο σύνολο με προοπτική την ολοκληρωμένη αυτοματοποίηση των διαδικασιών παραγωγής (= CIM) στις βιομηχανίες του εγγύς μέλλοντος Συστήματα CAD Τα υπολογιστικά συστήματα CAD απαρτίζονται από το υλικό (hardware) και το λογισμικό (software), που είναι απαραίτητες συνιστώσες στην εφαρμογή μεθόδων CAD/CAM. Το υλικό περιλαμβάνει τον υπολογιστή, μια ή περισσότερες τερματικές οθόνες γραφικών, πληκτρολόγια και άλλες ειδικές συσκευές. Το λογισμικό απαρτίζεται από τα προγράμματα γραφικών του υπολογιστή και τα προγράμματα εφαρμογών, (συνήθως προγράμματα FEM) που διευκολύνουν τον χρήστη στην εφαρμογή αριθμητικών υπολογιστικών μεθόδων για την μελέτη αντοχής, της δυναμικής συμπεριφοράς συστημάτων, υπολογισμούς σε φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας, αριθμητικό έλεγχο κ.α. Τα συστήματα CAD εξελίσσονται ταχύτατα στις μέρες μας ακολουθώντας την πρόοδο των τεχνολογιών πληροφορικής και οποιαδήποτε γραπτή αναφορά καθίσταται σύντομα «απαρχαιωμένη». Μια γενική παρουσίαση των συστημάτων CAD και των υποσυστημάτων, εξοπλισμού, προγραμμάτων κ.λπ που τα απαρτίζουν υπάρχει στη βιβλιογραφική παραπομπή Groover (1987). Συστήματα CAM Ο όρος CAM αναφέρεται στη χρήση υπολογιστικών συστημάτων για τον προγραμματισμό της παραγωγής (manufacturing planning) ή/και τον έλεγχο της παραγωγής (manufacturing control). Στην πρώτη περίπτωση (προγραμματισμός παραγωγής) εφαρμόζονται συνήθως μέθοδοι έμμεσης σύνδεσης (off-line), που αφορούν στον προσδιορισμό του κόστους (cost estimating) των νέων προϊόντων, τον προγραμματισμό της παραγωγικής διαδικασίας (CAPP - Computer-Aided Process Planning), τον προγραμματισμό των μηχανών (computerized machinability data systems) και τον έλεγχο των εργαλειομηχανών (computer-assisted NC part programming), τη δημιουργία προτύπων εργασίας (development of work standards) για τον προσδιορισμό του χρόνου εργασίας των εργαζομένων σε κάθε φάση της παραγωγής, τη διευθέτηση της γραμμής παραγωγής (computer-aided line balancing), τον A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-9
προγραμματισμό προμηθειών (inventory planning) για την αριστοποίηση της ροής πρώτων υλών και τη διατήρηση αποθεμάτων στα οικονομικότερα επίπεδα. Στη δεύτερη περίπτωση (έλεγχος παραγωγής) ανήκουν μέθοδοι, κυρίως άμεσης σύνδεσης (online), που αναφέρονται στα πεδία του ελέγχου διαδικασιών (process control) του ποιοτικού ελέγχου (quality control), της συλλογής δεδομένων (shop floor control) κ.α. Στο πεδίο του ελέγχου διαδικασιών περιλαμβάνονται επίσης τα θέματα βέλτιστου σχεδιασμού των γραμμών παραγωγής (transfer lines), των συστημάτων συναρμολόγησης (assembly systems), του αριθμητικού ελέγχου (NC-DNC-CNC), των robots, του χειρισμού των υλικών (material handling) και των ευέλικτων συστημάτων βιομηχανικής παραγωγής (FMS - Flexible Manufacturing System). Συστήματα CΙM Η ολοκλήρωση / συνδυασμός των μεθόδων CAD/CAM οδηγεί σε σύστημα CIM ( = Computer Integrated Manufacturing) Επισημαίνεται εδώ ότι παρά το γεγονός ότι οι όροι CAD/CAM και CIM πολλές φορές χρησιμοποιούνται ως «εναλλακτικοί», ο όρος CIM είναι ευρύτερος ως προς το περιεχόμενο του όρου CAD/CAM δεδομένου ότι σ αυτόν περιέχονται όχι μόνο οι τεχνικές/τεχνολογικές λειτουργίες/δράσεις των CAD/CAM αλλά και οι επιχειρηματικές/οικονομικές λειτουργίες της επιχείρησης. Η υποβοηθούμενη από υπολογιστές αλληλεπίδραση των λειτουργιών μιας επιχείρησης (με στόχο προφανώς την αύξηση της παραγωγικότητας), δηλαδή η ένταξη ενός συστήματος CAD/CAM στο πλαίσια ενός ολοκληρωμένου συστήματος CIM παρουσιάζεται στο Σχήμα 8. Σχήμα 8: Σχηματική απεικόνιση υποσυστημάτων ενός συστήματος CIM (προσαρμογή από Groover, 1987). A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-10
4. Διασφάλιση ποιότητας Όλοι έχουμε χρησιμοποιήσει τους όρους υψηλή ποιότητα ή κακή ποιότητα για να περιγράψουμε τη λειτουργικότητα ενός προϊόντος ή τα προϊόντα μιας συγκεκριμένης εταιρίας. Τεχνικά η ποιότητα μπορεί να ορισθεί: (Ι) η καταλληλότητα ενός προϊόντος για χρήση και (ΙΙ) ένα σύνολο χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων που συνοψίζουν τη δυνατότητα του προϊόντος να ικανοποιεί δεδομένες ανάγκες. Πρόσφατα έχουν αναγνωριστεί οι λεγόμενες διαστάσεις της ποιότητας που αναφέρονται σε χαρακτηριστικά όπως η απόδοση του προϊόντος, η συμμόρφωση, η αξιοπιστία, η δυνατότητα προς συντήρηση, η αισθητική και η προσλαμβανόμενη ποιότητα, βλ. ενδεικτικά Στεφανάτος, 1999. Α) Συγγράμματα-Δημοσιεύσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βαξεβανίδης, Ν.Μ., Μηχανολογική Σχεδίαση, Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο (Ε.Α.Π.), Πάτρα, 2003. Σκιττίδης, Φ., Οργάνωση και Διοίκηση Παραγωγής, Σύγχρονη Εκπαιδευτική, Αθήνα. 2000. Στεφανάτος, Σ., Ολική Ποιότητα, Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο (Ε.Α.Π.), Πάτρα, 1999. Dieter, G.E., Engineering Design - A Materials and Processing Approach, McGraw-Hill, N.York, 1991. Hitomi, K., Manufacturing Systems Engineering, Taylor & Francis, 2 nd ed., London, 1996. Groover, M.P., Automation, Production Systems, and CIM, Prentice-Hall, London, 1987. Kalpakjian, S., Schmid, S.R., Manufacturing Processes for Engineering Materials, Prentice Hall, 4 th ed., New Jersey, 2003. Kalpakjian, S., Schmid, S.R., Manufacturing Engineering and Technology, Prentice Hall, 4 th ed., London, 2000. Schey, J.A., Introduction to Manufacturing Processes, Mc-Graw Hill, 3 rd ed., Boston, 2000. Ulrich, K.T., Eppinger, S.D., Product Design and Development, Irwin McGraw-Hill, 3 rd ed., Boston and N. York, 2004. Προτεινόμενη (προαιρετική) βιβλιογραφία εμβάθυνσης Boothroyd, G., Dewhurst, P., Product Design for Assembly», Boothroyd Dewhurst Inc.,RI. 1989 Boothroyd, G., Dewhurst, P., Knight, W.A., Product Design for Manufacturing, Marcel Dekker, N.Y., 1994. Chang, T.-C., Wysk, R.A., Wang, H-S., Computer Aided Manufacturing, Prentice-Hall, 2 nd ed., N.York, 1998. Dieter, G.E., Engineering Design - A Materials and Processing Approach, McGraw-Hill, N.York, 1991. Lee, Kunwoo, Principles of CAD/CAM/CAE, Prentice-Hall, N. York, 1999. Kalpakjian, S., Schmid, S.R., Manufacturing Processes for Engineering Materials, Prentice Hall, 4 th ed., New Jersey, 2003. A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-11
Παράρτημα: Συνοπτικός πίνακας της ιστορίας των κατεργασιών παραγωγής A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-12
A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-13
Προέλευση: Kalpakjian and Schmid, 2003. A.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολογίας 2 η Έκδοση 04/2007 Σελ. Ε-14