Diseño para manufactura : Ingeniería concurrente

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1 Diseño para manufactura : Ingeniería concurrente Pr. Lionel ROUCOULES Access to IDEFØ

2 Who I am: brief curriculum Professor at the Arts & Métiers Paris Institute of Technology (France) Research at LSIS-IMS laboratory Associate Professor at the University of Technology of Troyes (France) - Sept Sept Head of the ICD-LASMIS research team (jan sept. 2008) Head of Mechanical Systems Master course (jan jan. 2008) Teaching in the Department of Mechanical Systems Engineering Research at LASMIS (Laboratory of Mechanical Systems and Concurrent Engineering) Post Doc position at TU Twente (The Netherlands) - October 1999 August 2000 PhD thesis National Polytechnic Institute of Grenoble and Universidad Polytecnica de Valencia Title: Methods and software for the contribution to the development of a computersupported integrated design environment. MSc in mechanics - National Polytechnic Institute of Grenoble

3 What I am investigating for Research topics: Integrated design, Computer-Aided Design and collaborative software environment. Model Driven Engineering. DFX by least commitment approach (multi-physical modelling, DFM modelling) Industrialisation methods and tools 3

4 ENSAM : Paris Institute of Technology An engineering school ( Grande Ecole ) 8 campus (BSc, MSc and Research) Paris Chalon en Champagne Metz Bordeaux Cluny Lille Aix en Provence (my campus) Angers Lille Paris Ch. en Ch. Angers Cluny Metz 3 Institutes (MSc course) Bastia Chalon sur Sôane Chambery Bordeaux Aix en Pce 4

5 Who are you? What are your expectations in attending this course? Who knows about? Concurrent and integrated engineering design Design for X Virtual prototyping CAD, CAM, CAx and PLM 5

6 Agenda : Diseño, manufactura y innovación Los procesos de diseño como suporte a la razón de diseñar : quien, que, cuando, porque pasamos de funciones hasta tecnologías, geometría y manufactura. Los modelos y sistemas de informaciones actuales para diseñar (CAO, XAO, PLM..) y ensenar las limites des esas soluciones con respecto al ideal de innovación El método de DFX y entonces de DFM al justo necesario para integrar manufactura y diseño Los procesos de industrialización para dominar los cambios con respectos a nuevos productos, nuevo entorno industrial, nuevas tecnologías de maquinas o herramientas Knowledge modeling of Design and manufacturing interface for DFM approach during product development process. Application to foundry process 7

7 Introduction to current practices in «virtual» engineering Issues of design and innovation of complex system

8 Preamble : design, CAD and PLM in current industry? 12

9 Design project and product LifeCycle Product birth Which product (price, public, date)? Design Which functions? Which technologies? Use (components, materials) Manufacturing process and system Recycling Maintenance Marketing Sales Development Industrialisation Production Usage phase Maintaining technology Product dismantling Disassembly technologies Recycling technologies Industrial departments Marketing Design service Manufacturing service Purchase service Maintenance Service 13

10 Design project and milestones Project driving Task management (cf. product lifecycle) Ressources management (Human, material, information) Milestones for: Decision making Reduce feed-backs (Cf. integrated design) Objectives driven project Lancement d un nouveau projet ex-nihilo Début avant projet Début du développement Prototypage Industrialisation Production Vente Fin de projet (Ou du produit) J0 J1 J2 J3 J4 J5 J6 Etude marketing R&D Développement Conception détaillée Industrialisation Maintenance Modification 14

11 Examples 15

12 Industrial development at Loréal Marketing International Formule & Timing Le brief marketing Maquettes/Définition de la Gamme PVIS Cible Quantités estimatives Développement Industriel Industrialisation 16

13 Development process: main phases IDEE AVANT- PROJET PROJET Sélectionner les idées Préparer le projet Développer le produit Produire Développement formule Définir le concept et élaborer le brief Proposer et présélectionner des couples formule/ packaging Affiner la définition du produit & Valider la faisabilité technique du produit Analyser les risques AC primaires et secondaires Communication, média, hors média, RP, événementiel Merchandising et PLV / Echantillonage Préparer la commercialisation pays Fabrication et conditionnement Préparation des pays, prévisions et commandes Validation CDCE Validation CDCD Présentation marché MAD Centrale 17

14 Development process: planing Phase idée Phase avant projet (cas d un développement d outillage) Phase projet Concept Formule Études marché exploratoires Choix concept évaluation Formulation Tests marketing et tests labos puis officialisation Approv. MP Fabrication jus Dévelopt Packaging ou Packaging existant Sélection packaging Définition packaging Conception technique AC +Pré spécifications Développement Moule (essai + industriel) + Mise au point + homologations Définition Pack Mise au point + homologations Fabrication AC conditionnement Nom Recherche de noms Choix du nom Publicité.& Communi - cation Sélection choix intentions publicitaires Création visuel Élaboration des éléments de communication & publicité PLV2 Création PLV Conception PLV Appel d offre Fabrication PLV Validation économique Construction Équation Économique cible Construction Équation Économique estimative Construction Équation Économique de lct. Commercialisation Construction potentiel projet Envoi book PV + PLV1 Engagement marché Validation CDCE Validation CDCD Envoi book PLV2 Présentation marché Engagement marché MAD Centrale 18

15 Industrial development actors Jus Flacon Capot Production Décor Ordre des étapes du développement Durée et séquence relatives des tâches PLANNING 19

16 Industrial development actors Fournisseurs Marketing RAD DGT DGA DEVELOPPEMENT TECHNIQUE D.A.F Packaging LAF Usine : Logistique Packaging Qualité Achats Labo Compatibilité Pilote Direction Technique DPL 20

17 Industrial development at Bourjois [Per 05] 21

18 Development process: planing 22

19 Plane development plan Market Opportunities Identified M1 A/C Concept Selected M3 Instruction to Proceed (ITP) M5 Go ahead M7 Begin of Final Assembly M9 First Flight M11 Ready for Entry into Service M13 Observe Business Analyze Market Situation Analyze Market Needs Identify Most Optimize Concept Promizing On A/C A/C Level Concept Consolidate A/C Configu- ration Baseline Finalize A/C Specifi- Cation & Commercial Proposals Assure Industrial Launch Condition Initiate Manufacture of Parts Manufacture of Parts, Assemble & Test Sections Conduct Final Assembly Process Perform Ground Test & Prepare 1st Flight Achieve Type Certification & Validate Standard Spec. Achieve Complete Operation Basic Readi- Development ness M0 Product Idea Established M2 Standards and Requirements Available M4 A/C Configuration Baselined M6 Authorization to Offer (ATO) M8 First Metal Cut M10 Power On M12 Type Validation M14 Feasibility Phase Concept Phase Definition Phase Development Phase 24

20 Reactor development plan 25

21 Reactor development plan and «vritual» engineering 26

22 Development plan at Johnson Controls Aéronautique, automobile, téléphonie, multimédia, etc. 27

23 Development plan at Johnson Controls 1 Proposal 2 Product Feasibility 3 Design & Tooling 4 Production Validation 5 Launch Production Program Product & Product Pull Ahead Production Final Representative Production Customer Start of Program Award Theme Definition Feasibility Tool Release Product Release Part Approval Production Milestones PLUS Reviews CE&M Review Phase Sourcing Product & Theme CE&M Phase Tooling CE&M Phase CE&M DV CE&M Phase Phase Exit Requirements Definition Reviews & PSDR Exit Requirements Review Exit Planned Completion Review Exit Exit Review (Internal/Customer) PV Planned Completion PREPARATION Targeted Business Plan Program Business Plan SOW (Quote) CAR & TA Submission ELABORATION CAR & TA Approval SOW (Revised) SOW (Revised) REALIZATION MANUFACTURING MAINT- ENANCE Define the Overall scope of the Project Revision: October 2005 QBOM Define preliminary Architecture Plan Next Phases SDP SQAP Plan Review SSOWs Written Award Letter SSOWs Signed DV Tool Orders Development ebom Refine the definition of the product, Parts Matrix Define and baseline an 2D Theme Rendering Set 3D Theme Surface Models 3D Class A Surface ARCHITECTURE, CAD Models / Layouts and Develop a more precise Product Specifications FEA / Engineering Analysis DFMEA (Actions & Dates Identified) plan for its development and deployment. PFMEA (Actions & Dates Identified) Design Review Process Flow Diagram / DFM&A Quality Objectives & Roadmap / Supplier AQP Report SW Development SRS Plan SAD SIP SVP Product Launch System CAD Models (Class A Surface Incorporated) EDP&R Build & Testing DFMEA (Actions Implemented) PFMEA (Actions Implemented) CAD Detail Drawings DV Control Plan / MSA Tool, Gage & Fixture Design Account Financial Management Order DV Parts Pull Ahead Production/Prototype Assy Critical Tooling, Gages & Fixtures DVP&R DV Manufacturing Plant Layout / Equipment Design Equipment Construction SW Quality Assurance Plan SW Architecture Design Key: Product is built, up to the point where it can be put in the hands of its endusers Qualification DV Build Review Inspection Program Management Purchasing PV Tool Orders DV Customer Shipments Complete DVP&R Testing Industrial Design Order PV Parts Product is transitioned to manufacturing, and delivering, Production Control Plan Complete Production Tooling SW Requirements Specification SIR SW Integration Version Sheet Report Complete Manufacturing SVR SW Post Validation Mortem Analysis Equipment Report Plant Launch Glide Path SW Integration Plan MRS SW Validation Plan SEM Manufacturing PV Build Customer Inspection Review Shipments Supplier Part Approval Assy PVP&R Testing Engineering Quality Manufacturing Suppliers Customer Part Approval Customer Shipments SVS SVS PMA Manufacturing Requirements Specification SW Eeprom Mapping Product is modified on customer requests 28

24 System engineering examples 30

25 V development cycle and system engineering AFIS : System engineering concerns a se of acitivities and actors that are processed for product or system development. Spécifications Techniques de besoin Spécifications Techniques de Générales Spécifications Techniques de Détaillées Spécifications Techniques de réalisation Besoins Clients Réponses solutions physiques Définition Organes Définition composants organes Plan de tests Plan de tests Plan de tests Concrétisation des organes Test définition organes Test validation composants Validation besoins Validation physique Dossiers de validation Dossiers de validation Dossiers de validation Dossiers de validation 31

26 Analysis models and V development cycle L Analyse Fonctionnelle Quality Functional Deployment Simulations de comportements Calcul Cotation Fonctionnelle Simulation de Procédés Spécifications Techniques de besoin Spécifications Techniques de Générales Spécifications Techniques de Détaillées Spécifications Techniques de réalisation Besoins Clients Réponses solutions physiques Gammes de Fabrication d Assemblage Définition Organes Définition composants organes Plan de tests Plan de tests Plan de tests Concrétisation des organes Simulation de production Test définition organes Test validation composants Validation besoins Validation physique Dossiers de validation Dossiers de validation Dossiers de validation Dossiers de validation Simulation des flux et stocks L Analyse Modes de Défaillances de leurs Effets et leur Criticité Essais Physiques Plans d Expériences Taguchi Six Sigma Simulation des contrôles commandes machines 32

27 V development cycle and plane breakdown (3 levels) 33

28 Support Industrialization Aircraft V development cycle and virtual engineering software M3 M5 M7 M13 Feasibility Concept Definition Development Series Systems Architecture Master Geometry Design Principles Space Allocation Stress Design Reference Base Frontier Models Tooling Master Geometry Tooling Principles Definition Model Definition Dossier Tooling Space Allocation Manufacturing Plan Tooling Frontier Models Support Specification Numerical Command Support Objectives Supportability Analysis Assembly Instructions Supportability Discrepancies 34

29 V development cycle for reactors Expression du besoin Nouveau projet avionneur Maintenance Spécification du propulseur Test en vol (Autonomie, Consommation, Intégration à l avion ) Conception générale (Positionnement des modules, Concepts de montage/configurations, Allocations d espace de conception 3D ) Test au sol Bancs d essais Conception détaillée Intégration des modules Intégration des éléments Simulations mécaniques, maintenance «Design» Industrialisation Machines d essais, série 35

30 CAD-FEA simulation feedbacks Boucle simulation Design Validation générale de la conception/ Contexte maquette numérique Définition générale du produit Référentiel/Spécificati on de simulation Analyse/Validation des résultats Conception détaillée Analyse contextuelle Maillage des éléments «Conception»pour la simulation Validation du modèle/simulation Objet Virtuel Modèle élément finis intégré 36

31 Travail en itération (dans chaque phase) et incrémentation (d une phase à l autre) 1 ou plusieurs cycles en V sont appliqués dans chaque phase Chaque phase/cycle génère un prototype Specification Validation ITERATION MILESTONE PREPARATION ELABORATION REALIZATION MANUFACTURING Pre. Design Det. Design Unit. Tests Integration Define the Overall scope of the Project Define preliminary Architecture Plan Next Phases PR Refine the definition of the product, Define and baseline an ARCHITECTURE, and Develop a more precise plan for its development and deployment. SR Product is built, up to the point where it can be put in the hands of its end-users Product is transitioned to manufacturing, and delivering, Phase Exit: Assess if Defined Objectives have been met, Deliverables completed, Models updated. DR M R + Maintenance Phase Code 37

32 Cycle en V d un logiciel embarqué phase réalisation et outils/acteurs StateMate Requirements Rapid / VAPS Requirements Specification SA/RT Select Yourdon Specification Customer Interactive Q/A Standard 3 Layers Architecture Software Architecture Architecture Design Design Visio UML Artisan / Rose MS-Project Project Folder SCEPTRE Project Leader Software Auditor PVCS PVCS Promotion Promotion Validation Validation Test Test Integration Integration Test Test Delivery Form E-CAR R-CAR SVL E-CAR Graph Coverage Graph Debug GraphDesigner J.I.L. Une équipe dédiée à un seul projet Software Lead Engineer Detailed Detailed Design Design Software Product Integrator Software Coordinator Sw Requirements Coding Coding Engineer Visual C & Cross compiler Software Validation QAC Misra Compliance Module Expert Programming Rules Team Leader Unitary Unitary Test Test Sw Validation Team Leader TestU Environment C-Cover Cover Coverage Component CheckList Software Implementers Validators 38

33 Key issue: design process modelling and rationale Industrial context Costs Quality, norm Customer requirements Design process Product models for VP development Physical and digital mock-up Human Ressources Material ressources Ress. Software What have been the main design methods? Which product models? How to improve software? 41

34 Design methods «Concepts, ideas, philosophies to change design reasoning and organisation toward product innovation» 42

35 Industrial organisation evolution for design process Information transfer and prescription Over the wall approach What have been the main design methods? Which product models? How to improve software? Information exchange and collaboration (1990 th ) Concurrent engineering Integrated design 43

36 Design method «Systematic design» Reference : Pahl & Beitz (D), Wallace et al. (GB), Ullman (USA), Roozenburg (NL) Method Systematic design process Clarifying requirements Objectives: To go to industrial approach of the design 47

37 Outils TRIZ Design method «TRIZ» Reference : Altshuler (Russia) Method Patent analysis Creative theory proposal Modèle 4 Modèle 3 Concepts généraux Objective: Find innovative solution Modèle 2 Modèle 1 Problème défini Barrières Solutions applicables 1-Documenter, rassembler les éléments, 2-Modéliser le problème sous une forme de la méthode 3-Utiliser les outils TRIZ ==> solutions génériques 4-Interpréter les solutions génériques 5-Evaluer, décider 49

38 Design method «C-K theory» Reference: Hatchuel (F) Method Creative theory based on Concept and Knowledge analysis Objective: Find innovative theory based on product line improvement Concept space Knowledge space 50

39 Design method «Axiomatic» Reference : Suh (Corea),Yoshikawa & Tomiyama (Japan) Method Domain space modelling Matrix-based relationship Objective Axiomatic approach of the design to tackle complexity Comparison Independency axiom DP &FR must be independant. Information axiom Less parameters for less complexity. Funcitonal space Solution space 51

40 Design method «Concurrent and integrated design» Reference : Andreasen (Danemark) Method Design expert collaborative requirements based Objective To take into account multiple-points of view during the design process Déterminer les besoins commerciaux Enquêter auprès des utilisateurs Etudier le marché Préparer la vente Vendre BESOINS Caractériser le type de produit Définir les principes de solutions Définir le produit Modifier pour la fabrication Adapter le produit Considérer les types de fabrication Déterminer les modes de production Déterminer les principes de production Préparer à la production Produire 53

41 Design method «Concurrent and integrated design» Reference : Boothroyd (USA), O'Grady, Ashby (GB) Method Design for X based on product assesment and guidelines Objective To take into account multiple-points of view during the design process Design concept Design for assembly Suggestion for simplication of product structure Best design concept Design for manufacture Detail design for minimum manufacturing cost Prototype 54

42 ajustement serré Design method «Concurrent and integrated design» Conceptual design technologue mécanicien... Embodiment design... Fonction Principe physique Technologie surfaces fonctionnelles d usage B Ra A Transmettre un couple B B A Contact solide / solide A Ra assemblag : surfaces non définies Reference : Tichkiewitch (France) Structure complète A B Method Design expert collaborative requirements based calcul de structure Objective To take into account multiple-points of view during the design process To add rationale in the design chain Detailed design 55

43 Information modelling «To set formal data structure and relationships that trace and model specific phenomenon» 57

44 3 levels of information modelling for design rationale Product modelling (what?) Functional representation Product breakdown Design process modelling (Who, When, how?) Tasks representation Industrial organisation modelling Performances driving. What have been the main design methods? Which product models? How to improve software? Industrial context Cost Norm Customer requirements Design process Product models Product assesments Human resources Software Material resources 58

45 What have been the main design methods? Which product models? How to improve software? and software for digital design chain «Computer support for information modelling and behaviours simulations» 59

46 Enterprise modelling for performances driving Expertise GRAI-R&D GRAI-R&D Liaison IPPOP Créer Niveau Détruire Niveau Créer Fonction Détruire Fonction Sauver Structure GRAI R&D Nouvelle Structure GRAI R&D Plan Objet Plan Action Infos Internes Gérer la Connais. Produit Processus Organiser la capitalisation Concevoir Définir les activités de conception Gérer les Besoins Définir les besoins des utilisateurs Infos Externes Niveau Stratégique H : x ans P : y mois Infos Externes Gérer les Infos Projets Gérer les flux d information et déployer les procédures Planifier Planifier les projets Gérer les Ressources Définir les RH et la stratégie / technologies Infos Internes Superviser les activités de capitalisation Définir les activités élémentaires Vérifier l adéquation spécifications -solutions Niveau Tactique H : x mois P : y semaines Synthétiser l avancement des projets Planifier les activités et organiser les projets Affecter les RH et ajuster les investissements Capitaliser l information technique Suivre l exécution des activités individuelles Planifier les relations avec le client Niveau Opérationnel H : x semaines P : y jours Planifier les activités individuelles Créer Centre de Décision Détruire Centre de Décision Créer Cadre de Décision Détruire Cadre de Décision Créer Lien Informationnel Détruire Lien Informationnel 60

47 Design process modelling: IDEFØ or SADT actigram Control Input Output Mechanisms Manufacture A-0 Supply stocks 1 2 Milling 3 Assembly 4 Milling Part clamping Operation 2 A0 Operation 1 A2 61

48 Product modelling Requirements specification Function Forets C5 Fp1 Système multibroch es Perceuse Fp2 C4 Pièce C3 Milieu extérieur Opérateur Conceptual design Technology 15 1 Palier avant PA Chambre tournante X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 13 2 Rondelle de réglage 12 1 Chapeau X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 11 2 Butée à billes 10 1 Bec de dosage X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 9 3 Joint torique 91,4 x 5,3 Silicone 8 2 Joint torique 69,2 x 5,3 Silicone 7 1 Piston Téflon 6 1 Bride Ertalon 5 7 Ecrou moleté M10 Norelem 4 1 Pignon récepteur ( Z=35, m=6 ) Ertalon 3 1 Manivelle X 8 Cr 17 (Z 8 C 17) 2 1 Pignon moteur ( Z=35, m=6 ) C 35 (XC 35) Nickelé 1 1 Bâti Rep. Nbre Désignation Matière Obs. POMPE DOSEUSE Nomenclature partielle Embodiment design Form features Detail design Behaviours 62

49 Product modelling «functions»: «La bête a corne» Who will use the product? Manufacturers On what the product is actuating? Parts System What is the customer need? To increase the production rate 63

50 Product modelling «functions»: Interactions Graph* Drill Tools Driller Fp2 C5 System C6 Part Fp1 C3 environment C4 Operator Configuration : drilling Fp1 : To drill 3 holes in a raw Fp2 : To transmit the power C3 : To resist to environment C4 : To protect the operator C5 : To clamp the cutting tools C6 : To clamp the driller * APTE (APplication aux Techniques d' Entreprise) or «Pieuvre» 64

51 Product modelling «functions»: FAST* When? Which objective? Function When? BRAS UTILISATEUR How? * Functional Analysis System Technique F1 TRANSMETTRE MVT DE ROTATION BRAS/BATI PERMETTRE F2 UTIL. D EXTRAIRE SYSTEME/MILIEU ASSURER F21 LIAISONS DEMONTABLES F22 RESPECTER L ENVIRONMENT ASSURER LA F11 LIAISON COMPLETE AVEC LE BRAS F12 ASSURER LA LIAISON COMPLETE AVEC LE BATI GUIDER EN F13 ROTATION LE BRAS/BATI UTILISER F14 ENERGIE HYDRAULIQUE EVACUER HUILE F221 ISOLER F222 ALIMENTATION HYDRAULIQUE BRAS BATI ALIMENTATION HYDRAULIQUE BRAS BATI HUILE BRAS BATI HUILE ALIMENTATION HYDRAULIQUE 65

52 Product modelling «functions»: functionnal breakdown Function 1 Function 11 Function 12 Function 13 Function 111 Function 112 Function 121 Function

53 Software for functional modelling and technology selection Functional modelling APTE Avt et APTE Fonc BDF CdCF et CdCF 2 TAF Innovation and technology selection Invention WorkBench (http://www.ideationtriz.com) QFD Capture QFD Designer TechOptimizer (http://www.invention-machine.com) TRIZZ Explorer (http://www.insytec.com) 67

54 Product modelling «breakdown» : Structural tree Product S/s-ens. A S/s-ens. B S/s-ens. C Module A1 Module A2 Part A1A Part A1B 68

55 Product modelling «breakdown»: BOM (Bill Of Material) 15 1 Palier avant PA Chambre tournante X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 13 2 Rondelle de réglage 12 1 Chapeau X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 11 2 Butée à billes 10 1 Bec de dosage X 2 CrNi (Z 2 CN 18-10) 9 3 Joint torique 91,4 x 5,3 Silicone 8 2 Joint torique 69,2 x 5,3 Silicone 7 1 Piston Téflon 6 1 Bride Ertalon 5 7 Ecrou moleté M10 Norelem 4 1 Pignon récepteur ( Z=35, m=6 ) Ertalon 3 1 Manivelle X 8 Cr 17 (Z 8 C 17) 2 1 Pignon moteur ( Z=35, m=6 ) C 35 (XC 35) Nickelé 1 1 Bâti Rep. Nbre Désignation Matière Obs. POMPE DOSEUSE Nomenclature partielle 69

56 Product modelling : functional Blocdiagramme E1 E2 Componant 1 Componant 2 FP1 Componant 2 E3 70

57 F 1 F 11 F 12 F 13 F 111 F 121 Product modelling : function-structure Matrix System S/s-ens. A S/s-ens. B M B1 M B2 P B1A P B1B Surface 1 Surface 2 Surface 3 71

58 Product modelling : «Form modelling» : CAD B-Rep Modelling (Boundary Representation) Point/Ligne/Surface/Volume Représentation B-Rep de la géométrie CSG Modelling (Constructive Solide Geometry) Boolean operations based on primitives Fusion CSG tree of a part Cylindre 1 Cylindre 2 Remark: Usually, both models are coupled (cf. OCC). 72

59 Product modelling: «Behaviours assesment» FEA analysis model Limit conditions. Loading. Material behaviour. Kinematics model Kinematic data. Dynamic data (masse). Motion laws (input). Manufacturing model Manufacturing plan Cutting tool and trajectory. Material and cutting parameters NC machine and post-processor «X» models (processes simulation) 73

60 Overview of «virtual» engineering comercial software and main functionalities Limits of the digital design chain 84

61 Overview of commercial software and main functions: product information CAD-CAM: product breakdown (part or assembly) and construction history management 85

62 Overview of commercial software and main functions: product information CAD-CAM : relations and expert rules integration 86

63 Overview of commercial software and main functions: product information CAD-CAM : management of large assemblies with huge part diversity (heterogeneous software) 87

64 Overview of commercial software and main functions: product information CAD-CAM : integration of expert modules FEA, CAM, Ergonomic senses, etc. 88

65 Overview of commercial software and main functions: product information CAD-CAM : digital mockup, augmented reality, animation 89

66 Overview of commercial software and main functions: product information Independant expert software: FEA, kinematics and dynamic analysis, tolerancing, CAM, etc. 90

67 Overview of commercial software and main functions: design process information Project planning management: Ms/Project, PSN, Planner Tasks planning Milestones definition Ressources management 91

68 Overview of commercial software and main functions: product and design process information PLM system: product breakdown and list of articles (objects) Management of objects related documents 93

69 Overview of commercial software and main functions: product and design process information PLM Systems: documents management CAD, MS Office 94

70 Overview of commercial software and main functions: product and design process information PLM Systems: management of product configurations 95

71 Overview of commercial software and main functions: product and design process information PLM Systems: workflow for documents lifecycle management 96

72 Overview of commercial software and main functions: product and design process information PLM system: digital mock-up light visualisation 97

73 Overview of commercial software and main functions: organisation and design process information PLM System: task notfication with related documents via 98

74 Overview of commercial software and main functions: organisation and design process information PLM System: team resources management (access rights, roles ) 99

75 Overview of commercial software and main functions: collaboration CSCW software : Lotusnotes, Sametime, Exchange, Quickplace, Mayeticvillage , video-conferencing Document sharing Workflow Application sharing Collaborative portals Workflows management Communication tools Workflow BD «spéciale» Vidéo Conferencing Aide à la décision Bulletins Communication Web Editeurs coopératifs Gestion de réunions Collaborative spaces CSCW [Godart, 2000] Coordination Collaboration 100

76 Synthesis current limits 101

77 Synthesis: (models software) vs. methodological concepts Function modelling are not so far linked to structural parameters How to drive performance and re-design Structural breakdown gives the final state of the product What about who and when? CAD (i.e. form) modelling only treats nominal topology information and is used as the starting point of product assessment What about design rationale and product lifecycle? Behaviours assessments are not linked among each others and not always linked to the geometry What about integrated design (rationale) and innovation (least commitments)? 102

78 Synthesis: models vs. methodological concepts Design is a multi-actors activities centred on: CAD modelling PLM systems There is a huge lack of experts (actors) information synthesis: This information are mainly used in a reactive and analysis way CAD model is not representative of experts' design intents Every product analysis are not linked (model and software interoperability) 103

79 What is the target complex system engineering To propose method and model to support an expert centric design process To set a proactive position of experts to generate alternatives and select solutions To manage information of the whole product lifecycle (what, who, when, why) To develop software demonstrators to valid the concepts Expert analysis software Specific use of CAD and PLM solutions To develop scenario and examples? Product creation based on expert information synthesis Solution du produit (choix final) Données métier +? 113

80 Introduction to integration concepts (some solutions ) - Information related to product development (PPO and PPR) - Different experts: concepts of «Design For» and «Design to»: DFM, DFA, DFR, LCA - Different disciplines involved in multi-physical product development (mechatronic systems)

81 «Expert» integration: «Design For» and «Design to» DFM, DFA, DFR, LCA 126

82 What is the target complex system engineering To propose method and model to support an expert centric design process To set a proactive position of experts to generate alternatives and select solutions To manage information of the whole product lifecycle (what, who, when, why) To develop software demonstrators to valid the concepts Expert analysis software Specific use of CAD and PLM solutions? Product creation based on expert information synthesis Design final solution? To develop scenario and examples LC information + 127

83 Design project and product LifeCycle Product birth Which product (price, public, date)? Design Which functions? Which technologies? Use (components, materials) Manufacturing process and system Recycling Maintenance Marketing Sales Development Industrialisation Production Usage phase Maintaining technology Product dismantling Disassembly technologies Recycling technologies Industrial departments Marketing Design service Manufacturing service Purchase service Maintenance Service 128

84 V development cycle for reactors Expression du besoin Nouveau projet avionneur Maintenance Spécification du propulseur Test en vol (Autonomie, Consommation, Intégration à l avion ) Conception générale (Positionnement des modules, Concepts de montage/configurations, Allocations d espace de conception 3D ) Test au sol Bancs d essais Conception détaillée Intégration des modules Intégration des éléments Simulations mécaniques, maintenance «Design» Industrialisation Machines d essais, série 129

85 DFX concepts: Design for «ease» one other activity Design For Manufacture (DfM) (overview research) Product-Process Identification Analytic, Numeric, Experimental Product-Process Integration To select manufacturing processes as soon as possible: manufacturability assesment. Definition of product parameters Processes Processes list Parameters list Parameters range of values Product Topology (form, dim) Tolerancing (dim, form, Ra) Gradients Design For Assembly (DfA) Design For Recycling (DfR) Design For Maintainability (DfMa) Database (P-P et hypothesis) Analytic Experimental Numéric PPd (i) = ID(ij)*PPf (j) 130

86 DTX concepts: design to «reach» one objective Objectives Asses the impact of every phase of the product lifecycle on the objective Development Industrialisation Assess the global objective on the whole LC Identify relations for impacting the technologies selection Examples Design To Cost Green Design Marketing Marché Faisabilité Développement Recyclage industrialisation SAV Production Commercialisation 131

87 Some examples To develop scenario and examples «LC information integration» 147

88 DFM: Product-Process integration Process selection and integration in product design Process planning modelling Rational CAD modelling issued from process planning Manufacturability analysis during product design Product-Process identification 0,02 Abscisse (mm) 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0-0,02-0,04-0,06-0,08 Simulation - Longitudinal Simulation - Transversal Expérimentation - Extrapolé du rayon Longitudinal Expérimentation - Extrapolé du rayon Transversal -0,10 Flèche (mm) 148

89 LCA: Life Cycle Analysis and integration in product design Product Life Cycle Analysis Modelling and impact assessment Analysis of technological changes Function Manufacturing Materials Alternatives comparison and decision making process 149

90 DFMa: safety, maintaining plan and product design Safety analysis Maintainability planing and optimisation for reducing cost (DTC) and impacting product design (DFMa) Disponibility with respect to maintainability Joint modelling of maintainabiliy and disponibility plans (with respect to product missions) Reliability control on life cycle Component quality Overloads External stresses Life profile Integrator field of actions Syste m Protection from the overloads Reduction of the stress System design Robustnes s to the stress Design Equipment Componant Intrinsi c Qualit y Supplier Design, Production, Integration Certification Tests Specification to the supplier Process Integrator Specification, Integratioin Means to reduce the overloads Integrator process Customer Operating conditions Customer Utilizatio n Manual 150

91 Advances for information modelling multi-expert and multidisciplinar of the entire product life cycle - Multi-level modelling of product information: a «by least commitments» approach - Design and manufacturing process modelling (Product-process integration) - Resources modelling and integration PPRO Remark : overview of the approaches (references can be read for further details)

92 Synthesis: (models software) vs. methodological concepts Function modelling are not so far linked to structural parameters How to drive performance and re-design Structural breakdown gives the final state of the product What about who and when? CAD (i.e. form) modelling only treats nominal topology information and is used as the starting point of product assessment What about design rationale and product lifecycle? Behaviours assessments are not linked among each others and not always linked to the geometry What about integrated design (rationale) and innovation (least commitments)? 156

93 Synthesis: (models software) vs. methodological concepts Multi-level modelling of product information: «by least commitments approach» Joint modelling of design process and manufacturing plan (product-process integration) Resources and design process integrated modelling PPRO?? Product creation based on expert information synthesis Design final solution LC information + 157

94 Advances for information modelling multi-expert and multidisciplinar of the entire product life cycle - Multi-level modelling of product information: a «by least commitments» approach - Design and manufacturing process modelling (Product-process integration) - Resources modelling and integration PPRO

95 15 9 Remind: 3 levels of information modelling Product modelling (what?) Functional representation Product breakdown Industrial context Design process modelling (Who, When, how?) Tasks representation Customer requirements Cost Design process Norm Product models Product assesments Industrial organisation modelling Performances driving. Human ressources Software Material ressources

96 A «by least comitments» approach Expert integration and solution convergence 160

97 Engineering: expertises and collaborations toward the design solution Individual and asynchronous activities Each one generates and assess alternatives related to his specifications Product data Product data Expertise 1 A11 Expertise 2 A12 Product data Collaboration A13 Product data Collaborative synchronous or asynchronous activities Non planned activities detected in case of conflicts Planned activities (i.e. milestones) for decision making Remark: who starts? Data pushed activities 161

98 What is the initial product state (CAD vs. specifications) Analysis (i.e. Reactive) approach CAD model is taken as an input of the analysis Manufacturability is assessed Feed backs are given to the design Milling What if approach (i.e. Redo until right approach ) CAD model and current manufacturing process is given Processes alternatives are studied with respect to product specifications Synthesis (i.e. Proactive Right the first time ) approach Product specifications are given (i.e. functional surfaces) Process alternatives selection is done Product alternatives are then defined with respect to process alternatives 162

99 What is the initial product state (CAD vs. specifications) Analysis (i.e. Reactive) approach CAD model is taken as an input of the analysis Manufacturability is assessed Feed backs are given to the design What if casting? Milling What if approach (i.e. Redo until right approach ) CAD model and current manufacturing process is given Processes alternatives are studied with respect to product specifications Synthesis (i.e. Proactive Right the first time ) approach Product specifications are given (i.e. functional surfaces) Process alternatives selection is done Product alternatives are then defined with respect to process alternatives 163

100 What is the initial product state (CAD vs. specifications) Analysis (i.e. Reactive) approach CAD model is taken as an input of the analysis Manufacturability is assessed Feed backs are given to the design What if approach (i.e. Redo until right approach ) CAD model and current manufacturing process is given Processes alternatives are studied with respect to product specifications Milling Synthesis (i.e. Proactive Right the first time ) approach Product specifications are given (i.e. functional surfaces) Process alternatives selection is done Product alternatives are then defined with respect to process alternatives 164

101 What is the initial product state (CAD vs. specifications): example Alternative n 1 Extrusion (stock creation) Contouring Pocketing Pocketing Drilling Alternative n 2 Casting Contouring Extrusion dies radius End mill radius 165

102 Engineering: expertises and collaborations «by least comitments» Do not over-constrain the design solution Foster proactivity than reactivity Product Data Expertise 1 A11 Product Data Collaboration A13 Product Data To take profit of product data range of values to go toward innovative solutions Let the design solution emerge from information synthesis Product Data V : range of values Expertise 2 A12 Information synthesis Collaborative decision making Knowledge synthesis for design rationale Q : Information Time 166

103 Multi-level modelling (and «simulation») of product information «Usage» concept: conceptual and embodiment design State of the arts (Bloc-diagram, Bond-graph, FBS, Malin) Energetic flows modelling?? «Expert» integration and multiple-view breakdown Multi-details Multi-concepts (CIFB) Mutli-representations (software) Product creation based on expert information synthesis Design final solution LC information + 167

104 «Usage» concept: «functionstructure and energetic flows» modelling Example : solution concepts selection and form features creation 204

105 Delvion example Moteur (W m, C m ) Accouplement? Hélice (W h, C h ) Transmettre un couple entre l arbre et l hélice Couple C (N.m) Moteur W m C m Principe de l actionréaction (contacts mécaniques) (C m/h =C h/m ) C h W h Hélice Contact Clavette Cannelure Poulie-courroie Engrenage Joint de cardan Joint élastique Moteur W m C m C m W m Encastrement Accouplement poulie-courroie Rendement Rapport de réduction Frottement Entraxe pertes W h C h C h W h Hélice Poulie-Courroie 205

106 Delvion example Transmettre un couple entre l arbre et l hélice Couple C (N.m) Principe de l actionréaction (C m/h =C h/m ) Accouplement pouliecourroie Rendement Rapport de réduction Frottement Entraxe Transmettre un couple entre l arbre et la poulie d entrée Couple C (N.m) Transmettre un couple entre la poulie d entrée et la poulie de sortie Couple C (N.m) Transmettre un couple entre la poulie de sortie et l hélice Couple C (N.m) Principe de l actionréaction (contacts mécaniques) (C m/pe =C pe/m ) (C=P méc *S contact ) Principe de l actionréaction (contacts mécaniques) (C m/pe =C pe/m ) Principe de l actionréaction (contacts mécaniques) (C m/pe =C pe/m ) Contact Solide-Solide Surface de contact Matériaux Courroie Frottement Surface de contact Matériaux Entraxe Rapport de réduction Contact Solide-Solide Surface de contact Matériaux C m W m Poulie entrée W pe Cpe C ce W ce pertes W cs C cs Pertes : Glissement C ps W ps W h C h C h W h Hélice Courroie Poulie sortie 206

107 Delvion example Liaison enc. Avec avion Bâti 0 Assurer la liaison linéaire annulaire entre la poulie d entrée et le bâti {C A } p/b Assurer la liaison rotule entre la poulie d entrée et le bâti {C B } p/b Principe de l actionréaction (contacts mécaniques) (C m/pe =C pe/m ) (C=P méc *S contact ) 0 0 C m W m Poids Poulie entrée Liaison Pivot V x Cpe W pe C ce W ce pertes W cs C cs Liaison Pivot Pertes : Glissement C ps W ps Pallier mécanique Pallier lisse V x Roulement à billes CR Pallier hydrodynamique Pallier magnétique W h C h C h W h Hélice Courroie Poulie sortie 207

108 Delvion example Liaison enc. Avec avion Bâti 0 0 V x Roulement Liaison LA V x Poids V x Liaison Pivot Liaison Rotule C m W m Poulie entrée W pe Cpe C ce W ce pertes W cs C cs Pertes : Glissement C ps W ps V x V x W h C h C h W h Hélice Courroie Poulie sortie 208

109 Delvion example Liaison enc. Avec avion Bâti 0 0 V x Roulement Liaison LA V x Poids V x Liaison Pivot Liaison Rotule C m W m Poulie entrée W pe Cpe C ce W ce pertes W cs C cs Pertes : Glissement C ps W ps V x V x W h C h C h W h Hélice Courroie Poulie sortie 209

110 From «usage» to «experts» integration Every surfaces of the system do not have their rationale and are not therefore created! Those form features have then to be created in another way (experts information synthesis). Proactive approach of DFX methods. 210

111 «Experts»information (i.e. Knowledge) synthesis and multiple-view modelling Multi-details Multi-concepts (FBS, CIFB) Multi-representations (logiciel) 211

112 Multi-level modelling (and «simulation») of product information «Usage» concept: conceptual and embodiment design State of the arts (Bloc-diagram, Bond-graph, FBS, Malin) Energetic flows modelling?? «Expert» integration and multiple-view breakdown Multi-details Multi-concepts (CIFB) Multi-representations (software) Product creation based on expert information synthesis Design final solution LC information + 212

113 Introduction : why do we need multiple-views modelling Multiple-views concept In a design process, the product is obviously seen differently by every participant (i.e. design intents). This depends on the task of each one that has to be executed. Several informations have then to be taken into account (= information chain on the entire LC). Form feature (CAD ) Manufacturing Process plan Phase Mechanical analysis Inertia loading Material E 21 3

114 Experts features concept A generic model for information modelling (ontology) Name: vocabulary used for somebody to describe his activity and the product Beam Drilling Characteristics: Data that decribe a feature Diameter Length Inertia Rules: Intern behaviour of the feature (relations among characteristics) Inertia =. D 32 4 Diameter Cutting speed (Vc) Spindle Speed Spindle speed = Vc. D 214

115 Features and product modelling Beam: Poutre1_arbre Diameter: 20mm Length: 70mm Inertia: 15700mm 4 Inertia = 4 D

116 Advances for information modelling multi-expert and multidisciplinar of the entire product life cycle - Multi-level modelling of product information: a «by least commitments» approach - Design and manufacturing process modelling (Product-process integration) - Resources modelling and integration PPRO

117 Synthesis: (models software) vs. methodological concepts Multi-level modelling of product information: «by least commitments approach» Joint modelling of design process and manufacturing plan (product-process integration) Resources and design process integrated modelling PPRO?? Product creation based on expert information synthesis Design final solution LC information + 261

118 DFX current approaches System breakdown into elementary objects X-ability assessment for each X and each object Calculation of the total «efficiency» Produit Eff ss-s = Eff asm x 0.7+ Eff service x 0.2+ Eff fin de vie x 0.1 Pièce 11 Soussystème 1 Pièce 12 Soussystème Soussystème i ss-s 13 Product Breakdown 1 - Manufacturability - Assemblability - Servicability - EOL efficacity Design improvment 3 Design assesment 2 262

119 Example: Design for Assembly Capot supérieur Support inférieur Série de clip A Série de clip B 263

120 Composant N Nombre de fois que l opération est effectuée consécutivement Temps de manipulation Temps d'insertion Pénalité due aux mouvements d approche Pénalité due à des tolérances serrées Temps d'opération en secondes Nombre pour estimation des composants minimaux Example: Design for Assembly Part characteristics nom de Handling l assemblage Efficiency rate TM NM Eff asm manuel = (3 x NM) / TM Insertion Assemblag e Approach movement penalties Tolerancing penalties 264

121 Example: Design for Manufacture [Boothroyd et al. 94] presents a DFMA approach based on: Selection of manufacturing process attributes Cost estimation Manufacturing processes selection is done by comparison between design requirements and manufactured parts. 265

122 Conclusion on current DFX approach Those approach are very interesting and have been consolidated on a lot of design cases. Nevertheless: They can only be proceed once the product is defined (analysis and reactive phase) «redo until right» They provide very good comparison but not mechanisms for information synthesis at the earliest stage of design 266

123 ??? Emergence des solutions du produit par intégration des expertises Solution PPRO (choix final) Données PPO + «Proactive» interface A model for synthesis in the early design phase 267

124 «Coordination» concepts of [Twigg] 268

125 Proposed concepts: Interface modelling «Information synthesis» requirements Let the form features emerge from synthesis Provide common understanding of the design intents Share and link the information [Boujut 01] [Lombard 06] [Twigg 02] Remark : much more requirements have been identified for collaboration activities Flows concepts Flow trajectory and section Surfaces crossed by the flow Envelope surface Model creation Translation from experts view breakdown (as transparent as possible) Crossed surfaces Initial section Envelope surface Flow trajectory 269

126 Product-process interface modelling Modelling concept (material flow) Each manufacturing process is based on a material flow (add, remove, deform) Definition of generated surfaces according to material flow Added value Support CAD creation from manufacturing plan selection Embed the «history» of the entire manufacturing plan in order to provide a real «virtual» product model. Contouring End Mill radius Roughness Tolerancing Dim. Trajectory Section = End Mill form Manuf. Skeleton and skin Surfaces générées par le squelette 270

127 Expected result: the next generation of CAD software I want to create a CAD model that really support the manufacturing «histrory» Initial CAD model Final CAD model Fonderie Usinage Extrusion + Usinage Usinage Usinage 271

128 X-Product Identification Manufacturing LCA 272

129 Generic concepts of identification toward DFX Processes Processes list Parameters list Parameters range of values P-P Interfaces Available material flows Section Trajectory Product CAO seule initiale Topology (form, dim) Tolerancing (dim, form, Ra) Gradients Database (P-P et hypothesis) Analytic Experimental Numéric PPd (i) = ID(ij)*PPf (j) CAO++ finale avec contraintes de fabrication 273

130 DFX concepts: Design for «ease» one other activity Design For Manufacture (DfM) (overview research) Product-Process Identification Analytic, Numeric, Experimental Product-Process Integration To select manufacturing processes as soon as possible: manufacturability assesment. Definition of product parameters Processes Processes list Parameters list Parameters range of values Product Topology (form, dim) Tolerancing (dim, form, Ra) Gradients Design For Assembly (DfA) Design For Recycling (DfR) Design For Maintainability (DfMa) Database (P-P et hypothesis) Analytic Experimental Numéric PPd (i) = ID(ij)*PPf (j) 274

131 Identification and integration: examples Product-process Laser sintering Peen forming Micro-fabrication Produit-usage Life Cycle Analysis (LCA) Others Arts et Métiers research work (LSIS-IMS) Physical and numeric plans of experiments Database 275

132 First conclusion on the «design» process towards the «industrialisation» process 277

133 27 8 Conclusion: 3 levels of information modelling Product modelling (what?) Functional representation Product breakdown Industrial context Design process modelling (Who, When, how?) Tasks representation Customer requirements Cost Design process Norm Product models Product assesments Industrial organisation modelling Performances driving. Human ressources Software Material ressources Processus design-safety

134 A similar approach for industrialisation: the 6W (who, when, what, how, where, why) Cost Industrial context Norm Cost Product definition Industrial context (CQD) Requirements Design process Product model Product behaviour assessment Industrialisation process Batch of part Manufacturing info. Human and informational resources Material resources Material resources: NC machine workshop Software Human and informational resources Sofwtare 279

135 A-0: Industrialisation process Industrialisation process: To assess the feasibility of the manufacturing process before serial production Cost Product CAD Models Project Planning Part CAD Models Objectives. To master (understand) To optimise (improve) Human and informational resources: Industrialisation in the whole product life cycle What is CAM system? A-0 Industrialisation Process First machined part Manufacturing documents Material: HURON KX10 (NC machine) PCs (A210, C101, D108) Software: CatiaV5 (CAD) GOelan (CAM) MSOffice (Word, ppt, Excel) E9 module Vidéo Snecma 280

136 General conclusion 297

137 Understand what we are doing to know where to improve (innovation) Industrial context Costs Quality, norm Customer requirements Design process Product models for VP development Physical and digital mock-up Human Ressources Material ressources Ress. Software What have been the main design methods? Which product models? How to improve software? 298

138 Diseño para manufactura y ensamblaje: Ingeniería concurrente The End Thank you very much for your attention LSIS-INSM laboratory

139 Diapositives annexes 302

140 Simulation des procédés de fabrication Simulation usinage Simulation forge Simulation fonderie 303

141 Simulation de la production (vidéo Delmia) 304

142 CAO du futur et DFM (Intégration Fabrication - conception) CAO demain Applications Métier : choix des procédés de fabrication Rayon de filière Rayon de la fraise 2T 305

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