Southco 사에서 훌륭한 디자인은 DFMA에 달려 있습니다
설계 분석을 통해 회사는 의료용 힌지의 전체 비용을 53%까지 절감할 수 있습니다.
Southco Inc.는 인클로저 및 캐비닛용 래치, 힌지, 고정 장치, 주입/제거 메커니즘 및 기타 액세스 하드웨어(＂터치 포인트＂)를 제조합니다. 사업의 30% 이상이 맞춤형 작업입니다. “우리의 많은 제품을 고객의 개별 사양에 맞게 만들어야 합니다."라고 뉴욕주 Honeoye Falls에 있는 Southco 시설의 제조 기술 및 신제품 개발 매니저인 Rick Langkamp는 말합니다. "우리는 그것들을 합리적인 가격에 만들어야 합니다."
최근 의료용 어플리케이션에 사용되는 맞춤형 힌지 사례를 살펴보겠습니다.
2009년에 새로운 고객이 인클로저의 교체용 힌지에 대한 견적을 요청했습니다. 이 고객은 무거운 뚜껑(상자형 냉동고와 같은)의 수직 개폐를 제어하는 데 사용되는 유형의 하중 지지 카운터밸런스 힌지를 찾고 있었습니다. 현재 사용 중인 힌지는 Southco에 평가를 위해 보내져 맞춤 설계를 제안하고 비용 데이터를 제공할 수 있었습니다.
초기 검토 결과, Southco의 제조 비용은 고객이 목표로 한 경첩 판매 가격과 거의 동일하며 말할 만한 이익 마진이 없다는 것이 확인되었습니다(그림 1, 예비 설계 참조). Langkamp는 "그렇기 때문에 우리는 사전에 엄격한 원가 계산을 합니다."라고 말하며, "이런 종류의 원가 계산 결과 때문에 프로젝트를 중단하게 될 수도 있습니다. 또 다른 옵션은 Southco의 중국이나 인도 공장에서 힌지를 해외에서 만드는 것이지만, 이는 회사 정책 중 하나에 어긋납니다. 가능한 한, 우리는 북미에 있는 고객과 같은 지역에서 제품을 제조하고 조립하는 것을 선호 합니다.“ 라고 덧붙였습니다.
NPD 팀은 힌지를 새 카탈로그 제품으로 바꾸는 것을 정당화 할 수 있을 만큼 충분히 저렴하게 만들 수 있는 가능성을 포함한 여러가지 이유로 Honeoye Falls 시설에서 제조 할 수 있도록 허가하고, 힌지에 대한 DFMA 파일럿 분석을 실시 했습니다. 이제 비용, 특히 조립 비용을 낮추는 방법을 찾기 시작했습니다.
Boothroyd Dewhurst, Inc.(Wakefield, RI)의 엄격한 설계 분석 방법론인 DFMA® 가 섵낵 전략 이었습니다. 제품 개발팀은 DFMA를 사용하여 조립 시간과 비용을 획기적으로 절감 하고 여러 제조 작업을 제거하여 Southco가 고객의 요구 사항과 엄격한 가격 목표를 충족하면서도 힌지를 수익성 있게 만들 수 있었습니다.
DFA와 비용 절감
Southco의 제품 개발 과정에는 프로젝트 관리자, 제품 설계자, 제조 엔지니어로 구성된 교차 기능 팀이 포함됩니다. Langkamp는 “가능하다면 툴링이나 다이캐스트 금형 설계자와 같은 다른 제조 전문가를 포함시키고 싶습니다."라고 말합니다. "예를 들어, 자체 정렬 샤프트를 만들기 위해 모따기를 추가하는 것과 같은 설계 아이디어가 비용 효율적으로 수행할 수 있는지 알고 있습니다."
그림 1. 예비 힌지 설계 (분해도)이 보기에는 중앙 하우징(오른쪽 위, 노란색), 힌지점 (왼쪽 아래, 주황색), 평형 추(중앙, 빨간색과 녹색) 하위 어셈블리가 표시됩니다.
평형 추 힌지의 경우, 수동 조립 작업이 제품 비용의 대부분을 차지했습니다. 이러한 이유로 팀은 DFA 적용에 집중했습니다.
DFA는 부품 설계와 전체 조립을 정량적으로 평가하여 엔지니어가 조립 시간과 비용을 결정할 때 불필요한 부품을 식별하는 데 도움이 됩니다. 또한 부품을 제거하기 위한 전략도 제공 합니다. DFA 분석의 결과는 기능적으로 효율적이고 조립하기 쉬운 더 간단하고 우아한 제품을 위한 분석 입니다.
Southco 팀은 분석을 위해 부품 처리 및 삽입 시간을 문서화 하고 작업 및 삽입 방법을 나타내는 코드로 지정합니다.
DFA 분석에서 얻은 교훈 중 하나는 너트와 볼트와 같은 고정장치가 조립 시간을 상당히 증가시킨다는 것입니다. 예를 들어, 볼트에 너트를 맞추고, 드라이버를 들어 올리고, 너트를 구동하고, 드라이버를 내려놓는 등의 작업에 시간이 많이 걸립니다.
"나사를 박거나 리벳을 박는 경우 도구를 사용하는 것은 두 번째 부품을 골라서 배치하는 것과 같습니다." 라고 Langkamp가 말합니다. "그것이 우리의 고정장치가 조립 시간을 많이 걸리게 하는 이유 입니다.“
연구팀은 편의성과 단순성을 위해 DFA 분석을 세 개의 하위 어셈블리로 나누었습니다.
중앙 하우징. 이 하위 어셈블리는 평형 추 스프링의 한쪽 끝에 위치합니다. 최소 부품 수를 나타내는 열은 특히 나사 구동 및 브래킷 어셈블리의 경우 조립 시간을 단축할 수 있는 탁월한 기회가 있음을 시사합니다(표 1 참조).
팀은 두 가지 재설계를 제안 했습니다. 하나는 주조 품 하우징에 단일 강철 브래킷을 사용하여 부품 수를 7개에서 3개로 줄였습니다. 다른 하나는 일체형 주조로 브래킷을 별도의 부품으로 제거했습니다. Langkamp는 "우리는 프로토타입을 만들고 두 가지 옵션을 모두 테스트 했습니다."라고 말합니다. "두 가지 옵션 모두 통과했기 때문에 일체형 주조를 선택했습니다.＂
이 분석은 부품 비용을 60%나 줄였습니다. 또한 3개의 스탬핑 다이, 한번의 태핑 작업, 한번의 나사 조임 작업, 고정 장치를 만드는 데 필요한 툴링 비용을 없앨 수 있었습니다.
표 1. 중앙 하우징 (Center Housing)
힌지 포인트. 이 하위 어셈블리는 스프링의 반대쪽 끝에 있으며 힌지 축과 토크 부품을 제자리에 고정하는 다이캐스트 하우징을 포함합니다. 중앙 하우징보다 더 복잡(29개 부품)하지만 힌지 포인트는 많은 부품이 제한되어 재설계 기회가 적었습니다(표 2 참조). "16개의 토크 부품은 Southco의 모든 위치 제어 힌지에 필수적입니다."라고 Langkamp 는 말합니다. ＂이것들은 위치 제어를 매끄럽고 일관되고 독특하게 만드는 데 도움이 됩니다."
나머지 부품 중 다수는 평형 추를 스탬프 하우징에 부착하는 중앙 축을 구성했습니다. 중앙 축을 재설계함으로써 고정 나사 4개를 없애고, 다른 여러 부품을 잘라내고, 축의 양쪽 끝에 있는 두 개의 다이캐스트 하우징을 단순화했습니다.
표 2. 힌지 점(Hinge Point)
나머지 부품 중 다수는 평형 추를 스탬프 하우징에 부착하는 중앙 축을 구성했습니다. 중앙 축을 재설계함으로써 고정 나사 4개를 없애고, 다른 여러 부품을 잘라내고, 축의 양쪽 끝에 있는 두 개의 다이캐스트 하우징을 단순화했습니다.
이것에 대한 FEA 분석과 두번째 재 설계는 스탬핑 하우징을 좌우 두 조각으로 분할하고 각 조각에 축을 위한 압출 하우징 구멍을 추가하여 더 강한 힌지를 만들 수 있는 기회를 보여 주었습니다. "하우징을 분할하는 것은 어셈블리에 부품을 추가 했지만 최종 하위 어셈블리는 여전히 전체 부품에서 상당한 감소를 보였습니다“ 라고 Langkamp 는 말합니다.
비록 새로운 설계안이 분할 하우징에 대한 스탬핑 작업을 추가 했지만, 최종 재설계는 부품 수를 29개에서 23개로 줄이고, 부품 비용을 28% 감소시켰습니다. 또한 재설계에서는 4개의 태핑 작업과 4개의 나사 구동 작업, 그리고 1개의 다이캐스트 금형이 없어졌습니다.
평형 추 (Counter Balance). 이 하위 어셈블리는 무게에도 불구하고 인클로저 뚜껑을 쉽게 들어올릴 수 있는 힘을 제공합니다. DFA 분석 중에 연구팀은 두 개의 너트와 리벳을 조립하는 데 얼마나 많은 시간이 걸리는지 빠르게 알아냈습니다(표 3 참조). Langkamp는 ＂여기에는 총 조립 시간의 절반 이상을 차지하는 세 개의 비기능성 부품이 있었습니다.＂라고 말합니다. "이것들을 없애는 것은 쉬운 결정이었습니다.＂
표 3. 평형 추 (Counter Balance)
팀은 주문 제작된 축을 한쪽 끝에 나사산이 있는 표준 축으로 교체했습니다. 맨 끝단에 많은 자동차 밸브 트레인 어셈블리에 사용되는 것과 유사한 플로팅 핀을 채택하여 너트(및 긴 조립 시간)를 제거했습니다. 또한 테이퍼형 고정 핀을 만들고 스프링 가이드의 둥근 구멍 대신 슬롯을 사용하여 리벳을 제거했습니다.
Langkamp는 "때로는 설계를 개선할 기회가 부품 감소에 대한 추진력보다 더 중요 합니다."라고 말합니다. 예를 들어, 연구팀은 프로토타입 평형 추의 사이클 테스트 중 샤프트의 조기 마모로 인해 삐걱거리는 소리가 난다는 것을 발견했습니다. 플라스틱 부싱을 추가하여 이 문제가 해결하였습니다. 또한, 고객은 평형 추가 좀더 큰 하중을 받을 수 있게 사양을 변경해 달라고 요청했는데, 더 높은 하중을 지탱하기 위해 추가 스프링(원래 스프링 내부에 장착)과 센터링을 제공하기 위한 컵 와셔가 필요했습니다.
추가 부품을 사용 하더라도 최종 설계를 통해 부품 비용을 28% 절감하였고 리벳 피닝 (평탄화) 작업 1회와 너트 구동 작업 1회를 제거 했습니다.
그림 2. 예비 힌지 설계 (분해도) / 최종 힌지 설계 (분해도)
명확한 절감 사례
재설계된 평형 추 힌지(그림 2 참조)는 현재 Southco Honeoye Falls 공장에서 본격적으로 생산되고 있습니다. (연간 10,000-15,000개) 고객이 제안한 모든 요구 사항을 충족하고 작동 소음이 적으며, 더 높은 하중도 견딥니다.
새로운 힌지는 원가 목표를 초과 달성했습니다. 총 부품 수는 45개에서 30개로 줄었습니다. 전체 조립 작업은 14개에서 5개로 줄었습니다. 힌지의 전체 비용을 53% 절감했고, 수익은 힌지를 매력적인 가격에 판매할 수 있는 수준으로 증가했습니다.
이러한 결과를 바탕으로 DFMA는 Southco에서 표준 설계 방법론이 되는 길을 가고 있습니다. Langkamp는 "이것은 우리의 신제품 개발 과정에 대한 핵심 지표 중 하나입니다.＂라고 말하며, ＂이제 저는 제가 하는 모든 재설계 작업에 DFMA를 사용합니다."라고 덧붙였습니다.