application of lean in product and manufacturing … of lean in product and manufacturing...

16
WHITE PAPER Application of Lean in Product and Manufacturing Engineering Version 1.0 January 2010

Upload: dangngoc

Post on 03-Apr-2018

241 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

 W

HITE P

APER 

Application of Lean in Product 

and Manufacturing Engineering  

Version 1.0January 2010 

 

 

  2

Getting ready for PLM 

Copyright Notice 

© Geometric Limited. All rights reserved. 

No part of this document (whether in hardcopy or electronic form) may be reproduced, stored in a retrieval 

system, or transmitted,  in any  form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or 

otherwise,  to  any  third  party without  the written  permission  of  Geometric  Limited.  Geometric  Limited 

reserves the right to change the information contained in this document without prior notice. 

The  names  or  trademarks  or  registered  trademarks  used  in  this  document  are  the  sole  property  of  the 

respective owners and are governed/ protected by the relevant trademark and copyright laws. 

This document is provided by Geometric Limited for informational purposes only, without representation or 

warranty of any kind, and Geometric Limited shall not be liable for errors or omissions with respect to the 

document. The  information contained herein  is provided on an “AS‐IS” basis and  to  the maximum extent 

permitted by applicable law, Geometric Limited hereby disclaims all other warranties and conditions, either 

express,  implied  or  statutory,  including  but  not  limited  to,  any  (if  any)  implied  warranties,  duties  or 

conditions of merchantability, of fitness for a particular purpose, of accuracy or completeness of responses, 

of  results,  of  workmanlike  effort,  of  lack  of  viruses,  and  of  lack  of  negligence,  all  with  regard  to  the 

document.  

THERE IS NO WARRANTY OR CONDITION OF NON‐INFRINGEMENT OF ANY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS 

WITH  REGARD  TO  THE DOCUMENT.  IN NO  EVENT WILL GEOMETRIC  LIMITED  BE  LIABLE  TO ANY OTHER 

PARTY FOR  LOST PROFITS,  LOSS OF USE,  LOSS OF DATA, OR ANY  INCIDENTAL, CONSEQUENTIAL, DIRECT, 

INDIRECT,  OR  SPECIAL  DAMAGES  WHETHER  UNDER  CONTRACT,  TORT,  WARRANTY,  OR  OTHERWISE, 

ARISING IN ANY WAY OUT OF THIS DOCUMENT, WHETHER OR NOT SUCH PARTY HAD ADVANCE NOTICE OF 

THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGES.  

 

Confidentiality Notice 

This document is disclosed only to the recipient pursuant to a confidentiality relationship under which the 

recipient  has  confidentiality  obligations  defined  herein  after.  This  document  constitutes  confidential 

information and contains proprietary information belonging to Geometric Limited, and the recipient, by its 

receipt of this document, acknowledges the same. The recipient shall use the confidential information only 

for  the purpose defined above  for which  this document  is supplied. The recipient must obtain Geometric 

Limited’s written consent before the recipient discloses any information on the contents or subject matter 

of this document or part thereof to any third party which may include an individual, firm or company or an 

employee or employees of  such a  firm or  company. The  recipient acknowledges  its obligation  to  comply 

with the provisions of this confidentiality notice. 

 

 

 

 

  3

Getting ready for PLM 

Contents 

Abstract................................................................................................................... 5 

Introduction ............................................................................................................ 5 

Scope & Objective................................................................................................... 5 

Scope ................................................................................................................................................ 5 

Objective........................................................................................................................................... 6 

Applicability of 'Lean' .............................................................................................. 6 

Value and Value Stream.......................................................................................... 7 

Value................................................................................................................................................. 7 

Design Value Stream......................................................................................................................... 8 

Elimination of NVAs .......................................................................................................................... 8 

Waiting.............................................................................................................................................. 9 

Conveyance & Hand‐off.................................................................................................................... 9 

Correction ......................................................................................................................................... 9 

Flow....................................................................................................................... 10 

Continuous Integration & Validation.............................................................................................. 10 

Workflow Automation .................................................................................................................... 11 

Pull......................................................................................................................... 11 

Simplify Design Modifications......................................................................................................... 11 

Associative Change Propagation..................................................................................................... 12 

Continuous Improvement..................................................................................... 12 

Shortening the Iterations................................................................................................................ 12 

Reducing Iteration Cycles ............................................................................................................... 13 

Implementation .................................................................................................... 13 

 

 

  4

Getting ready for PLM 

Incremental Implementation.......................................................................................................... 13 

Knowledge Utilization..................................................................................................................... 14 

Conclusion............................................................................................................. 14 

References ............................................................................................................ 15 

About the Author .................................................................................................. 15 

About Geometric .................................................................................................. 16 

 

 

 

  5

Getting ready for PLM 

Abstract 

This  whitepaper  discusses  'Lean'  to  continuously  enhance  product  and  manufacturing 

engineering processes.  It explains application of  'Lean' principles to  improve productivity,  lead‐

time, and responsiveness to change through real life examples. To implement 'Lean' it proposes 

an incremental and self‐ sustaining approach, supplemented by CAx automations and KBE. 

Introduction 

Shortening product development lead time, while reducing the cost and increasing reliability, is a 

perpetual challenge of engineering. This, coupled with changing consumer needs, doesn’t make 

product  development  any  easier.  While  manufacturing  function  has  embraced  the  lean 

philosophy with  relative ease and enthusiasm,  it  is a  struggle  for engineering due  to  inherent 

uncertainties. 

This whitepaper discusses an approach to continually enhance the effectiveness and efficiency of 

product  development.  We  believe  the  first  step  is  always  to  get  the  process  right,  before 

deploying  tools  and  technologies  to  run  it  better. We  have  also  tried  to  illustrate  the  power 

technology tools bring to make product development 'Lean'. 

Scope & Objective 

This  paper  focuses  on  engineering  pieces  of  product  development  with  an  objective  that  is 

defined from the product development context. 

Scope Engineering  functions  define  component  specifications  and manufacturing  process  in  product 

development. 'Product and Manufacturing Engineering' contribute in excess of 80% towards the 

product development costs; and  includes geometry creation and consumption across different 

engineering sub‐functions.  

Define Develop CommercializeServices & Support

RetireProduct Lifecycle

System Engineering

Design & Verification

Mfg. Planning & Tooling

Process Planning

EngineeringActivity

Planning & Ideation Production

Product Development

Product Engineering

Manufacturing Engineering

 

 

 

  6

Getting ready for PLM 

This white paper  is around product and manufacturing engineering, with  focus on component 

development.  For  remaining  part  of  the  white  paper  this  scope  is  referred  as  'Engineering 

Activity'. 

Objective 

Component development matures through iterative development, which can be represented by 

a spiral moving toward center. Time taken to traverse the spiral  is  lead‐ time and  length of the 

spiral is the total effort. At any point radius represents flexibility to modify the design. 

Optimal Design

 

From this analogy, objectives of lean implementation are defined as  

• Shortening the total spiral length to reduce the efforts. 

• Reduce total time of traversal on spiral to reduce the lead‐time. 

• Increasing flexibility to adapt the spiral for shift in spiral center. 

• Get more insight from each revolution, to gradually reduce number of revolutions. 

Applicability of 'Lean' 

'Lean' is a generic philosophy. Various organizations have successfully applied 'Lean' to activities 

ranging from a specific task to enterprise level. Commonly described 'Lean' principles are 

• Specify value from the standpoint of the end customer 

 

 

  7

Getting ready for PLM 

• Identify all steps in value stream and eliminate steps that do not create value 

• Follow value‐creation steps to achieve a smooth value flow toward the customer 

• Let customers pull value from the next upstream activity 

• Eliminate further waste and pursue perfection through continuous improvement 

Due to  inherent variations  in engineering activity,  it  is thought that  'Lean' can not be applied  in 

engineering. But various references suggest sizeable opportunities in multiple pockets. 

• Engineering jobs spend 60% of the lead time in waiting 

• 40% of the engineering hours are pure waste 

• 72% of product quality issues can be traced to design process 

Engineering  is  combination  of  craft  and  science, which  includes  creative  and  repetitive  tasks. 

'Leaning' repetitive tasks offers larger opportunities for improvement in engineering activity. 

'Lean' can be applied to the spiral of engineering activity to achieve the defined objectives. The 

'Value & Value Stream' can be used  to define contributions expected  from each  task, and  trim 

'Waste'  segments  to  reduce  length  of  each  revolution.  The  'Flow'  principle  can  be  used  to 

eliminate blockages and speed‐up flow on spiral, reducing the total traversal time. 'Pull' increases 

flexibility  for  shift  in  spiral  center  to  allow  late  changes  in  the  requirement.  'Continuous 

Improvement'  is used to  increase efficiency and effectivness of each cycle to reduce number of 

revolutions. 

Value and Value Stream 

'Value' is providing right product / service at right time and at right price, as determined by the 

customer. Value Stream Mapping (VSM) is used to capture sequence of tasks and segregate them 

into Value‐ Add and Non‐ Value‐ Adds (VA / NVA), thereby helping to eliminate Non‐ Value‐ Add 

tasks. 

Value 

Any  activity  /  effort  that  can  be  directly  traced  to  improving  the  product  is  said  to  be  value 

adding  (VA), anything else  is non value adding  (NVA).  Idea of Lean  is  to  reduce  the amount of 

time and effort spent on NVA.  Some activities affect the product directly, and some others will 

improve the enterprise’s ability to continually better the product. 

 

 

  8

Getting ready for PLM 

 

 

 

 

 

 

• Foresee issues to reduce risk • CAE / CFD analysis • Expert reviews 

• Material choices • Define shape and dimensions 

• Define process to deliver product 

• Manufacturing planning • Tooling design 

Value to Product

• Specification for functional performance  • Understanding of trade‐offs • Feasible / Infeasible trade‐offs • Cost / Quality implications 

• Experience gained by engineers 

• Insight to handle complex tasks • Best‐practices about usage of tools 

• Understanding of process‐dynamics 

• Project Management data 

• Tool / process enhancement needs 

Knowledge for Enterprise 

Design Value Stream 

Engineering activity presents unique challenges  in application of VSM, due  to concurrent  tasks 

and  iterations.  This  can  be  tackled  by  creating  a map  for  a  typical  iteration  and  by mapping 

concurrencies  and  sub‐branches  of  VSM.  The  mapping  follows  the  development  beyond 

organizational boundaries. 

 

Elimination of NVAs 

'Lean'  defines  seven  sources  of  waste  ‐  overproduction,  waiting,  conveyance,  inventory, 

processing, motion, and corrections. Eliminating these sources reduces the total work content. If 

elimination is not feasible, counter measures should be used to reduce its impact.  

The engineering activity has all sources of waste in different forms, but various surveys show that 

waiting, conveyance and correction contribute to the majority of waste. 

 

 

  9

Getting ready for PLM 

Waiting 

Engineering  jobs wait  for capacity  (e.g. experts  time  for review, computing capacity)  to handle 

the  job,  or  for  information  required  to  proceed  with  the  job.  Due  to  inherent  variability  in 

engineering activity, it is not easy to ensure access to right capacity merely through coordination 

and synchronization. So it becomes necessary to find creative ways to increase the capacity in a 

flexible manner. 

Conveyance & Hand‐off 

At every touch‐point defined in the VSM, engineering hours are spent on model derivation to suit 

the downstream function. For e.g.: 

• Analysis  idealization and boundary  condition placement  requires manual effort on part of 

the analyst 

• Manufacturing model  requires various modifications  for manufacturing allowances, and  to 

generate bill of process 

Inherent differences between various functions make it impossible to eliminate model derivation. 

But derivation effort can be reduced by 20‐50% by utilities to assist the derivation process. 

 

 

 

 

An  automation  utility  to  evaluate  weight  and  CG  at  each section will reduce the analyst’s effort of ‘Model Derivation’. It  saves  the  cost  of  analysis,  and  simultaneously  eliminates errors associated with manual work. 

Structural  analysis  of  airplane  wing must  account  for  self‐weight of the wing structure. Analyst cuts the wing geometry in multiple sections to evaluate weight and center‐of‐gravity (CG) of each section as part of ‘Model Derivation’. 

Correction 

Design mistakes result  in design corrections, which  is waste according to  lean principles.  'Lean' 

advocates mistake‐proofing to avoid or to warn against mistakes. In engineering activity, 40% of 

the iterations are due to errors in physical design. Hence, physical design should be a target for 

mistake‐proofing. 

 

 

  10

Getting ready for PLM 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

Check surfaces for min bend radius 

Mistakes in HVAC geometry can be eliminated by two mistake‐proofing methods –

• Check  and  restrict  selection  of  inputs.  Assuming  that  the  duct  is  created  by 

sweeping, check if path curves have lines and arcs only. 

• Validate output at exit and raise error / warning,  if there are any non‐planer and 

non‐cylindrical surfaces , or if there are any minimum bend radius violations. 

Due  to  manufacturing constraints  HVAC  duct geometries must be planer / cylindrical.  Any  other  geometry  will  result  in change  requests  from manufacturing.

HVAC Duct manufactured from 

Sheetmetal Path curve consists of lines & arcs 

Flow 

'Flow' reduces lead‐time, by running value‐creating steps in tighter sequence. In manufacturing, 

flow reduces lead‐time by eliminating batch and achieving single piece flow. 

In engineering activity, batches occur at  integration and validation points. The batches  can be 

reduced,  if  design  flows  in  smaller  increments  by  continuous  integration  and  validation,  and 

increased capacity through workflow automation. 

Continuous Integration & Validation 

A typical product development  integrates the system at fixed time  intervals. Reducing effort of 

integration allows gradually switching to continuous integration. 

 

 

 

 

 

Digital  build  is  a  task  to  assemble  complete  product  to check for contact and clash problems.  

In  the  past,  digital  build  was  done manually  at  program milestones. Today, it is triggered from PLM, as a nightly job. Batch  job  assembles  the  product  and  checks  for  clashes. Digital  build  is  further  leveraged  for  weights  and  inertia calculations, which can be used in the dynamic analysis. 

Increased frequency of  integration results  in early problem detection and access to latest data for various validations. 

 

 

  11

Getting ready for PLM 

Continuous  integration  is not  sufficient without  validation  at each  integration. The  validations 

come  in  form  of  reviews  by  experts  or  precise  verification  by  analysts.  Both  validations  have 

external dependencies, which result in batch validations.  

An  incremental  validation  that  evolves  from  thumb‐rules  to  precise  validations,  integrated  in 

design environment reduces the dependencies. Engineers can use it for continuous validation, to 

eliminate the batching. 

Workflow Automation 

Flow of engineering tasks is disrupted, when a task has to wait for the engineer's attention. This 

can be  tackled by  triggering batch  jobs during  idle hours  (e.g. night),  at  certain  stage of PLM 

workflow. Engineers can directly start with output of  the batch  job, and move  the  job  to next 

stage. This will accelerate flow of engineering job. 

In the analysis cycle, design engineer submits analysis  job  and  receives  analysis  report. Analyst  prepares  and  runs  the  analysis,  and analyzes results  in post‐processors to prepare the report.  

There  are  two  waiting  points  –  before  and after  the  analysis.  There  is  more  waiting  in analysis, since the analysis run is submitted as batch jobs. Total waiting time in analysis cycle can be a few days to a week. 

If the manual tasks in preparation are eliminated, complete preparation and analysis run can 

be  triggered  from  PDM workflow, which  can  be  run  during  the  idle  hours  (e.g.  at  night). 

Analyst can directly analyze the results and prepare report. This will reduce the waiting time 

in one iteration – considering multiple iterations, it will be a great saving in the lead‐time. 

 

Pull 

Pull principle brings 'Responsiveness to Change' by aligning the system with variance in customer 

requirements.  In  engineering,  pull  means  quickly  adapting  component  design  to  changes  in 

product requirements. 

Simplify Design Modifications 

Design edit is a complex task where engineers spend 80% of their efforts. Complexities of editing 

slow change incorporation, which can be simplified by ‐ 

 

 

  12

Getting ready for PLM 

• Deploying  top‐down  and  bottom‐up  design  processes  for managing  design  features,  and 

modularity  to  ensure  right  dependencies  as well  as  flatten  decision  hierarchy  during  the 

design process 

• Supporting  the  right  input  methods  to  represent  correct  user  intent.  This  reduces  the 

occurrences of design breaking, and subsequent rework during minor changes in the design. 

• Enabling  all  design  automations  during  edit  scenario.  Automation  implementation  may 

become complex to support edits, but it makes design changes faster. 

Capturing  ‘User’s  Intent’ at each design feature helps  in seamless update  in  the  design  hierarchy.  Wherever  correct  intent  is compromised,  the  design  structure  can  break,  requiring manual correction. 

In  this  demonstration,  user wants  to  fillet  top  face  of  block  as shown  in  red color. User   quickly picks  top  four edges and  fillets and achieves the result. This breaks the intent of ‘Face’, which will show up in modification. If  design modification inserts a fillet and chamfer  prior  to  this  fillet  ,  the  update  cycle  will  not  pick  the filleted  and  chamfered  edges.  Then  fillet  has  to  be  modified manually, which makes edit cumbersome. 

‘User Intent’ can be achieved by enforcing correct design methods and by enhancing the design tools to support the intent. 

 

Associative Change Propagation 

A quick design modification  is not  sufficient  if  it  requires  rework  in downstream  functions  like 

verification.  Propagating  design  modifications  can  be  simplified  by  maintaining  feature 

associativity  across  functions  through  simpler  conventions  (e.g.  colors  and  persistent  tags 

assigned to geometries). 

Continuous Improvement 

To  achieve  full  potential  of  'Lean', multiple  rounds  of  leaning  are  needed,  with  each  round 

eliminating  newer wastes  and  flow  disruptions.  In  addition,  for  iterative  process,  continuous 

improvement can target reduction  in  iterative efforts by shortening  iterations and reducing the 

number of iterations. 

Shortening the Iterations 

Design  optimization  refines  component  design,  and  validates  against  targets.  The  ability  to 

validate the design early shortens the iteration, thereby, reducing the lead‐time and efforts. 

 

 

  13

Getting ready for PLM 

Iterative  development  for  design  optimization  can  be  captured  in  Decision  Structure Matrix 

(DSM). DSM highlights  frequent and  long  iterations, which can be shortened by moving critical 

validations (e.g. DFx) closer to design creation. 

Reducing Iteration Cycles 

In iterative development, number of iterations depends on the starting parameters and the rate 

of convergence. The number of iterations can be reduced by two approaches: 

• Deploy predictive verification in form of design analytics. Analytics can be built from expert's 

knowledge,  empirical  rules,  engineering  formulae,  etc.  It  guides  to  design  with  less 

possibility of failure in validations. 

• Increase effectiveness of validations by extracting qualitative feedback. Validations typically 

report  only  failure  areas,  whereas  qualitative  feedback  points  out  sensitivity  of  design 

towards constraint put by validations. 

Implementation 

We  recommend  incremental  roll‐out of a  long‐term  implementation plan.  Incremental  roll‐out 

brings  quick  results  and  creates  assets,  which  can  be  leveraged  for  further  improvements. 

Through  this  approach, we  have  observed  30‐  40%  compression  in  lead‐time,  and  upto  40% 

reduction of engineering efforts. 

Incremental Implementation 

Incremental approach consists of five steps for each round of implementation. Each round starts 

with understanding of process and finishes with solutions developed and deployed. Subsequent 

rounds identify more opportunities for improvement. 

   

 

3. Solution IdeasScalability

 

 

 

 

 

 

 

Effort

Scalability

Power of Tools

1. Process Capture

• Design mistakes & rework

• Continuous integration / validation• Associative change propagation

2. Identify Opportunities

Continuous Improvement

4. Cost‐Benefit / Prioritization5. Develop & Deploy

Effort 

 

 

  14

Getting ready for PLM 

For better results through implementation, some of the points to ensure are ‐ 

• Involve  engineering  users  from  early  stages  of  implementation,  so  that  they  can  drive 

continuous improvement 

• Seek understanding of critical parameters that affect the product and how existing processes 

achieve it 

• Take view of complete workflow including various CAx and backbone PLM tools for effective 

workflow automation 

• Focus on solutions first, and then look at how 'Power of Tools' can help reach the solution 

• Prefer solution in the form of toolbox of utilities for flexibility of usage and adaptability with 

process changes 

Knowledge Utilization 

Cyclical  implementation of  'Lean' brings deeper understanding of process, and builds assets of 

automation  utilities  and  knowledge.  Effective  utilization  of  these  assets  offers  more 

opportunities of improvement. 

 

1. Task AutomationAutomate conveyance, motion and processing

2. Workflow AutomationConveyance triggered by PLM, during waiting time

3. Predictive AnalyticsAnalytics  on performance  and prediction of errors

Timeline

ProcessPredictability

Typical Benefits

 

 

 Cycle‐TimeReduction

 

Productivity& Quality  

 

We,  therefore,  propose  a  knowledge  utilization  framework  to  leverage  assets  for  gradual 

improvements in productivity, lead‐time, and predictability. 

Conclusion 

'Lean'  offers multitude  of  opportunities  to  enhance  an  engineering  activity.  This white  paper 

discussed  adoption  of  lean  concepts  in  engineering  activity, with  examples  from  product  and 

manufacturing engineering. 

Due to the complex nature of engineering full benefits of lean can not be derived from one time 

implementation.  Applying  'Lean'  through  incremental  implementation  approach  will  create 

assets with attached benefits  in  the  implementation cycle. A  long  term view of  leveraging  the 

 

 

  15

Getting ready for PLM 

assets  will  help  extracting more  benefits  from  the  'Lean'  initiative,  in  terms  of  productivity, 

reduction in lead‐ time, and predictability. 

References 

Lean Thinking: Banish Waste & Create Wealth  in Your Corporation,  James Womack and Daniel 

Jones, Free Pres, 2003 

The Toyota Way, Jeffrey Liker, The McGraw Hill Companies, 2004 

Use of Dependency Structure Matrices  for Product Development Cycle Time Reduction, Tyson 

Browning,  Fifth  ISPE  International  Conference  on  Concurrent  Engineering  :  Research  and 

Applications, 1998 

Lean Product Development Flow, Bohdam Oppenheim, Systems Engineering, Vol. 7, No. 4, 2004 

Application  of  Lean  Principles  in  Software  Development,  Lokendra  Singh  Panwar,  XLRI 

Jamshedpur School of Business & Human Resources 

Design  process  error‐proofing:  Strategies  for  reducing  quality  loss  in  product  development, 

Lawrence  Chao  and  Kosuke  Ishii,  ASME  International  Mechanical  Engineering  Congress  and 

Exposition, 2005 

Risk Management in Product Engineering, Nikhil Shintre, Geometric Limited, 2008 

 

About the Author 

Nikhil  Shintre  is  the  Head  of  the  CATIA  Practice  at  Geometric.  He  has  over  10.5  years  of 

experience  in CAD application development and automation. Nikhil holds a Masters Degree  in 

Machine  Design  from  the  Indian  Institute  of  Technology,  Mumbai.  He  can  be  reached  on 

[email protected]

 

 

 

  16

Getting ready for PLM 

About Geometric 

Geometric  is a  specialist  in  the domain of engineering  solutions,  services and  technologies.  Its 

portfolio of Global  Engineering  services  and Digital  Technology  solutions  for  Product  Lifecycle 

Management  (PLM)  enables  companies  to  formulate,  implement,  and  execute  glo  bal 

engineering and manufacturing strategies aimed at achieving greater efficiencies  in the product 

realization lifecycle.  

Headquartered  in Mumbai,  India,  Geometric  was  incorporated  in  1994  and  is  listed  on  the 

Bombay and National Stock Exchanges. The company recorded consolidated revenues of Rupees 

5.98 billion (US Dollars 129.47 million) for the year ended March 2009. It employs close to 3000 

people  across  11  global  delivery  locations  in  the  US,  France,  Romania,  India,  and  China. 

Geometric  is assessed at SEI CMMI Level 5 for  its software services and ISO 9001:2000 certified 

for engineering operations. For further details, please visit www.geometricglobal.com.