La modellazione tecnico produttiva: dall approccio modulare al configuratore

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1 M. Germani, M. Mengoni: Corso di Gestione documentale tecnica di prodotto La modellazione tecnico produttiva: dall approccio modulare al configuratore Per poter configurare tecnicamente il prodotto è necessario che ciascuna informazione recuperata nello spazio commerciale, venga tradotta nel numero e tipo di varianti tecniche descritte in termini di componenti e parti di prodotto. Inoltre, la configurazione può essere facilitata da un approccio modulare in fase di progettazione, che già implica la rappresentazione del prodotto per parti la cui combinazione costituisce le diverse varianti del prodotto stesso. Volendo fornire un chiarimento sul concetto di prodotto modulare, è possibile affermare che quest ultimo nasce dalla combinazione di piccole unità, i cosiddetti moduli, ognuna delle quali è in grado di svolgere una determinata funzione propria del prodotto. Per sottolineare l importanza di questa nuova concezione del prodotto è bene ricordare come tale concetto sia diventato un principio cardine su cui numerose aziende di grande livello come Boeing, Chrysler,Ford, Motorola, Swatch, Microsoft e altri ancora, hanno basato la loro strategia aziendale. Per comprendere più a fondo i benefici che il concetto di modularità ha introdotto, occorre fornire una spiegazione più approfondita a appropriata del concetto di modulo. I moduli non sono altro che strutture fisiche, composte da uno o più componenti e, dotate di una corrispondenza biunivoca con la struttura funzionale del prodotto ovvero, ad una funzione del prodotto è assegnato uno e un solo modulo. Per semplificare il concetto, tali moduli possono essere pensati come dei veri e propri blocchi costruttivi aventi interfacce ben definite e, la cui combinazione, determina la realizzazione della funzione finale del prodotto cioè, quella per cui il prodotto è stato concepito. I principali vantaggi connessi con l adozione di una strategia modulare alla progettazione sono: 1. Maggiore varietà del prodotto; 2. Più veloce upgrading tecnologico del prodotto; 3. Minor tempo nello sviluppo di nuovi prodotti; 4. Riduzione dei costi. Per poter individuare la struttura dei moduli che compongono il prodotto, devono essere seguiti una serie di step importanti elaborati da Robert Stone (1999). (vedi figura sotto)

2 STEP 1: RACCOLTA DELLE NECESSITA DEL CLIENTE - INTERVISTE - INTERPRETAZIONI - CLASSIFICAZIONE DELLE NECESSITA STEP 2: COSTRUZIONE DEL MODELLO FUNZIONALE - GENERAZIONE DEL MODELLO BLACK-BOX - CREAZIONE DI CATENE DI FUNZIONI SERIALI/PARALLELE - AGGREGAZIONE DELLE CATENE NEL MODELLO FUNZIONALE STEP 3: IDENTIFICAZIONE DELL ARCHITETTURA DEL PRODOTTO -APPLICARE I METODI EURISTICI PER RICONOSCERE I MODULI - FLUSSO DOMINANTE - FLUSSO RAMIFICATO - CONVERSIONE/TRASMISSIONE -SCEGLIERE I MODULI DA SVILUPPARE Prima di addentrarci nella spiegazione della metodologia proposta da Stone per il riconoscimento dei moduli e la definizione dell architettura del prodotto che costituisce il modello tecnico-produttivo, diamo alcune definizioni: La funzione di un prodotto è una chiara, riproducibile relazione tra i disponibili inputs e i desiderabili outputs del prodotto, indipendentemente da qualsiasi forma particolare. È la più semplice rappresentazione del prodotto (di solito un nome e un verbo attivo, per esempio: bloccare pezzo ; levigare pezzo ). Basati su queste funzioni complessive, si ha poi bisogno di scomporle in sottofunzioni, che, quando sono tutte completate, soddisfano la funzione iniziale. Questo processo è l idea alla base della scomposizione funzionale. La sottofunzione è una componente di una funzione del prodotto. Una funzione complessiva può, e spesso deve, essere divisa in identificabili sottofunzioni che corrispondono ai sottolavori. La relazione tra qualche sottofunzione e la funzione complessiva è spesso governata da un vincolo o da relazioni di input-output. L astrazione è il processo che ignora ciò che è particolare o incidentale ed enfatizza ciò che è generale e essenziale in quanto ogni generalizzazione conduce al nodo del problema. Le funzioni rappresentano cosa il prodotto fa per soddisfare il cliente. Esistono alcuni bisogni del cliente che sono soddisfatti non da che cosa il prodotto fa ma piuttosto da come il prodotto è realizzato (ad esempio la richiesta della leggerezza degli aerei non può essere considerata come una funzione, ma è una proprietà intrinseca di un aeroplano). Un vincolo è un'indicazione di un chiaro criterio che deve essere soddisfatto da un prodotto e richiede la determinazione dell intero prodotto per determinare il valore di tale criterio. Esempi tipici possono essere: criteri di costo, compattezza e peso. Questi dipendono fortemente dal contesto, possono essere considerati vincoli in un prodotto e funzioni in altri. Dipende completamente da come i criteri vengono soddisfatti dal prodotto. La metodologia per la costruzione del modello tecnico produttivo Il primo passo consiste nell andare ad individuare quelli che sono i bisogni dei consumatori tramite, ad esempio, semplici interviste. (raccolta delle necessità del cliente) Una volta individuati tali bisogni, occorre tradurre quest ultimi in specifiche di progettazione, e vedere come tali richieste si rapportino con la funzione principale del prodotto. Durante la fase di progettazione concettuale, occorre quindi un grande sforzo nella modellazione del prodotto e differenti idee sono analizzate e valutate. Ad esempio, la QFD (Quality Function Deployment) è una tecnica che collega le richieste del consumatore con le richieste funzionali del prodotto.

3 E importante che tale fase avvenga sempre tenendo ben presente la strategia che il marchio aziendale intende seguire poiché in base a quest ultima vengono prese tutte le decisioni. Durante questa seconda fase le necessità del cliente vengono tradotte in input e output rispetto alla funzione principale che il prodotto deve svolgere. Gli input e gli output sono rappresentati da flussi di energia, informazione e materia. La modellazione funzionale inizia quindi con la costruzione della black box, in cui la forma del prodotto è sconosciuta. Si può allora pensare al prodotto come ciò che fa qualcosa (la funzione) ricevendo degli inputs e, modificandoli, creando degli outputs. Ogni black box può essere ampliata in più sottoboxes interfacciate, proprio come le funzioni possono essere scomposte in sottofunzioni. La fase successiva consiste nell andare a scomporre la funzione principale del prodotto in sottofunzioni più piccole facendo sempre attenzione a raggiungere una completa indipendenza tra le sottofunzioni in modo da ridurre al minimo le interazioni tra i moduli. Il prodotto viene quindi modellato come una serie di scatole nere con tre tipi di input e output: energia, materia e informazione. (creazione di catene di funzioni e successiva aggregazione) Le sottofunzioni così individuate, verranno accorpate tra loro seguendo delle tecniche di tipo euristico in modo che ciascun gruppo costituisca un modulo in grado di realizzare una sola specifica funzione del prodotto. (individuazione dei moduli) Il metodo euristico si avvale di tre principali strategie per il riconoscimento dei moduli: 1) Metodo del flusso dominante: un modulo definito come flusso dominante è una serie di sottofunzioni attraverso le quali il flusso passa, dall entrata del flusso fino all uscita dal sistema o alla conversione del flusso stesso all interno del sistema. Materia Modulo da flusso dominante Energia Interazione Interfaccia 2) Metodo del flusso ramificato: catene di funzioni parallele associate ad un flusso che ramifica costituiscono moduli.

4 Materia Interfaccia Modulo da flusso ramificato 1 Modulo da flusso ramificato 2 Modulo da flusso ramificato 3 3) Metodo conversione-trasmissione: una sottofunzione di conversione o una coppia conversione-trasmissione o una catena costituiscono un modulo. Modulo di conversione Converti flusso A in flusso B Coppia conversione-trasmissione Converti flusso A in flusso B Trasmetti il flusso B Converti flusso A in flusso B Catena di conversione-trasmissione Funzione sul flusso B Trasmetti il Flusso B Una volta individuati tali moduli è possibile creare l architettura del prodotto la quale, quindi, è costituita da un insieme di moduli aventi la capacità di interagire tra loro attraverso una serie di regole ben definite. La scomposizione funzionale di un prodotto ha quindi un enorme importanza poiché da essa dipende la creazione dell architettura modulare del prodotto che è l espressione più alta e concreta del concetto di modularità. Per tale motivo, nel momento in cui si attua la fase di scomposizione funzionale, si deve avere come obiettivo l individuazione di quelle funzionalità che possano costituire una significativa sorgente di differenziazione agli occhi dell utilizzatore e per tale scopo devono essere realizzate o da un singolo componente o da un sottoinsieme di componenti, o in breve, da un modulo. L individuazione di tali funzionalità di base, permette poi di creare varianti del prodotto semplicemente operandone una differente combinazione. Una volta realizzata l architettura del prodotto, è necessario costruire il modello tecnico-produttivo che può essere impiegato per configurare le diverse varianti della famiglia del prodotto. E in questa fase che l architettura si concretizza attraverso l esplicitazione di tutte quelle relazioni che legano i diversi moduli: relazioni di interconnessione di tipo tecnologico e costruttivo, di compatibilità tra le interfacce, di funzione, ecc. Sono proprio tali relazioni e vincoli a garantire che al cambiare di un valore di un parametro (ex: dimensioni di un componente) l archittettura si riconfigura e si ottiene un nuovo modello tecnico. La costruzione di un modello tecnico avviene grazie all uso di CAD parametrici che a partire da un layout semplificato consentono di costruire l albero dei componenti in modo da mantenere la coerenza delle scelte. Come sottolineato in precedenza, un azienda in grado di operare una mass customization oltre a dover offrire sia prodotti che servizi customizzati, lo deve poter fare facendo leva su processi di produzione flessibili basati su alti volumi di produzione e a prezzi ragionevolmente bassi. Il grande vantaggio che un azienda ricava nell andare ad applicare il concetto di visione modulare del prodotto nelle sue linee, risiede proprio nel fatto di poter garantire una produzione customizzata senza gravare eccessivamente, a livello economico, sulla fase di gestione e realizzazione di un sistema di

5 produzione adeguato a tale scopo. Uno degli esempi più evidenti, ci viene fornito dalla Swatch la quale, è in grado di produrre centinaia di differenti modelli di orologio a costi relativamente bassi proprio andando ad assemblare le varianti sfruttando differenti combinazioni di moduli standardizzati. Inoltre, il fatto che queste parti o moduli siano standardizzate, oltre a rispondere in pieno alle esigenze del mercato grazie ad un elevata varietà, permette di raggiungere una buona qualità del prodotto proprio grazie al fatto che ogni linea di produzione si specializza nella produzione ripetitiva di uno stesso modulo. Il walkman della sony rappresenta un primo esempio di come l utilizzo della piattaforma di prodotto ha permesso alla Sony, nel 1980, di introdurre nel mercato americano circa 250 differenti modelli basandosi esclusivamente solo su tre differenti piattaforme. Dal punto di vista economico, sfruttando la possibilità del design re-use che una strategia di progettazione di tipo modulare è in grado di offrire, si ha anche la possibilità di ridurre i costi e i tempi di progettazione perché i moduli di un prodotto possono anche essere riutilizzati per creare altri prodotti simili. Un altro grande vantaggio della modularità è quello di permettere che lo sviluppo dei moduli, essendo ognuno di questi composti da un particolare gruppo di componenti, possa essere portato avanti parallelamente all interno di un azienda grazie alla creazione di gruppi di lavoro e determinando quindi, una riduzione dell intero tempo di sviluppo e della richiesta di risorse. Tale riduzione del tempo di progettazione permette all azienda di presentarsi sul mercato in anticipo rispetto alla concorrenza, cioè di avere un time to market più basso. Tutto ciò si traduce non solo nella possibilità di avere una maggiore possibilità di incontrare i bisogni del mercato, ma anche in un incremento del reddito dovuto ad una maggiore possibilità di penetrazione del mercato. E importante evidenziare come, una chiara definizione dei componenti in fase di progetto di un prodotto possa, ad esempio, rendere capace l azienda di definire le attrezzature di produzione già nei primi stadi della fase di sviluppo del prodotto rendendo quindi possibile individuare quelle che sono le capacità del processo di sviluppo nel produrre nuovi prodotti, prima che l intero progetto del prodotto sia terminato. Il mercato globale è caratterizzato da un crescente aumento di prodotti differenti, customizzati con un ciclo di vita sempre più breve in modo da facilitare l inserimetno di nuovi prodotti nel breve termine. Per sopravvivere a questa situazione, le aziende hanno dovuto sviluppare l efficienza del processo di progettazione dei loro prodotti e tagliarne i tempi di sviluppo. Consecutivamente al concetto di modularità si è sviluppato, quindi, un nuovo modo di gestire la fase di progettazione ovvero, il progettista non parte più da un foglio bianco ma sfrutta quella che viene definita la Engineering Change Management ovvero il processo di generazione delle modifiche e delle alternative, in qualsiasi momento del ciclo di vita del prodotto, in parti, software o progetti che sono già stati realizzati. L approccio modulare e di conseguenza la gestione rapida delle modifiche e delle varianti in funzione di un rapido cambiamento delle esigenze del mercato rientrano a pieno nell insieme di quelle metodologie e strumenti che favoriscono l Agile Product Development. La fase più critica in un processo di cambiamento, è la valutazione dei possibili impatti prodotti dal cambiamento in analisi. Uno dei fattori chiave che influenza il modo in cui si sprigiona un cambiamento, è l architettura del prodotto. Proprio in tale ottica i prodotti concepiti secondo un architettura modulare hanno il vantaggio di poter essere adattati molto più facilmente rispetto a quelli altamente integrati ma solamente se le interfacce tra i moduli rimangono inalterate. Nella innovazione modulare,infatti, i cambiamenti sono introdotti solo all interno dei moduli di un prodotto mentre nell innovazione ad architettura, il modo in cui i moduli interagiscono, ad esempio le interfacce, cambiano. Nell adattamento di famiglie modulari di prodotto, si va a trattare con le innovazioni dei moduli in modo da mantenere invariate le interfacce fino a quando questo non diventa superato e quindi nasce l esigenza di andare a creare un nuovo prodotto. Esempio di approccio modulare ad una lavatrice: Tramite la fase di scomposizione funzionale che si è sviluppata a partire dallo scopo che il prodotto scelto deve assolvere, è cioè quello di lavare gli indumenti, sono state individuate delle sottofunzioni di base il cui raggruppamento ha portato alla formazione di 15 moduli: temperatura, detergenti, acqua, segnale-calore, livello acqua, apertura-chiusura, indumenti, programma, memoria, sicurezza,segnale,forze, velocità, energia, mobile. Ognuno di questi moduli svolge una specifica funzione ad esempio, il modulo livello acqua si occupa di rilevare il livello dell acqua che è contenuta all interno della vasca mentre il modulo detergenti ha invece il compito di contenere i detergenti che serviranno per il lavaggio e così proseguendo. La fase successiva consiste nell andare ad associare ad ogni modulo i rispettivi componenti che permettono di realizzare quella

6 specifica funzione. Nel caso del modulo livello acqua si ha il pressostato, mentre nel caso dei detergenti si ha l assieme Dispenser, costituito dal cassetto dei detersivi. Una volta individuati i moduli e i rispettivi componenti, è possibile grazie alla loro combinazione ottenere diverse architetture di prodotto ovvero, diverse tipologie di lavatrici ad esempio, quelle a carica dall alto o a carica frontale, sempre però utilizzando gli stessi moduli. L analisi modulare e la scomposizione del prodotto lavatrice in moduli in grado di riconfigurarsi per generare tutti i diversi prodotti della famiglia, implica dapprima l individuazione di tutte le funzioni della lavatrice, la scomposizione funzionale e la definizione dei moduli a mezzo di metodi euristici, poi la definizione di tutte le correlazioni e i vincoli che esistono tra i componenti della lavatrice che esplicano le funzioni raggruppate in ciascun modulo. Appare quindi ben evidente la differenza tra la fase di analisi funzionale e quella di analisi dei collegamenti(link Analysis). Quest ultima esamina le connessioni tra i componenti e gli assembly, mentre l analisi funzionale identifica le funzionalità tra i componenti individuali. Inoltre, l analisi dei collegamenti guarda al prodotto in una prospettiva di cambiamento andando ad occuparsi anche di aspetti negativi come le vibrazioni, la dissipazione del calore, le interferenze elettro-magnetiche ecc ecc... e può includere sia l estetica sia gli aspetti funzionali. Definizione della black-box: Modellazione funzionale (scomposizione in catene di finzioni):

7 Individuazione dei moduli con i metodi euristici: esempio di flusso dominante Costruzione del layout con un sistema CAD dell architettura della famiglia di prodotti con l inserimento delle relazioni tra moduli:

8 Per riassumere l intera costruzione del modello-tecnico attraverso l approccio modulare alla progettazione possiamo dire che il prodotto viene pensato a livelli differenti: 1) modello funzionale caratterizzato da catene di funzioni; 2) modello che riflette l architettura della famiglia di prodotto costituito dai moduli identificati con metodi euristici; 3) modello che rappresenta una specifica architettura di prodotto ottenuto a partire da quello modulare con l aggiunta dei legami interconnessioni- tra i moduli che realizzano una particolare soluzione tecnico-costruttiva; 4) modello di layout dove le funzioni vengono tradotte in caratteristiche morfologiche, dimensionali e geometriche attraverso la definizione di volumi di ingombro e parametri che gestiscono le variabilità e i legami vengono tradotti in vincoli di interfaccia, vincoli dimensionali, vincoli di compatibilità tra materiali, ecc; 5) modello tecnico-produttivo dove il layout si specifica ulteriormente e diventa l assembly dei particolari che realizzano il prodotto. In questa fase il prodotto è rappresentato attraverso un albero padre-figlio; Tutti questi livelli mantengono delle relazioni, definite nell architettura della famiglia di prodotto, che garantiscono la coerenza delle scelte e delle modifiche. Sia concettualmente che operativamente si può pensare alla famiglia di prodotti come un albero attraverso il quale navigare per definire in maniera compiuta il modello tecnico di prodotto. Questo albero è molto simile a quello del modello commerciale, infatti tutti i possibili bisogni del cliente vengono inglobati nella definizione del modello funzionale e poi di quello modulare (rappresentazione orientata alle prestazioni del prodotto). La specificazione delle preferenze del cliente sono tradotte in requisiti tecnico-costruttivi che conducono alla definizione di una particolare architettura di prodotto (rappresentazione orientata alle funzioni). La scelta di componenti particolari (scelta guidata dai componenti fisici) conduce alla definizione di un prodotto specifico a livello più basso.

9 La progettazione tecnica che segue questo approccio è orientata alla configurazione automatica del prodotto. Si pensi ad esempio che il cliente esprima l esigenza di inserire una particolare funzionalità nel prodotto già configurato. La catena di funzioni in parte si modifica con l aggiunta di un ulteriore funzione, il modello dei moduli si aggiorna e in funzione della preferenza del consumatore si determina quale architettura specifica realizza a livello tecnologico e costruttivo il bisogno espresso. Il modello geometrico finale risulta automaticamente. Attraverso il configuratore si ha la produzione automatica di tutta quella documentazione necessaria all ordine di produrre.