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工程,工艺,和操作的设计优化谢宝军原料药事业部汛桥分厂2014-1-8Slide2设计决胜(CbD,QbD)5%70%80%-据统计企业花费5%的预算用于设计。-产品成本70%是由设计决定的。-80%的质量问题是由于设计原因引起的。质量杠杆产品质量生产控制工艺设计产品设计当流程改善不能帮助我们提高时,我们需要设计新的生产工艺或操作流程Slide3QbD质量源于设计摘自“ImplementingQualitybyDesign-FDA”问题:Abletoachievereasonablequality–butatagreateffortandcostFocusedonchemistrybutnotonotherimportantareas(e.g.,engineering)Forsomeproducts,wasteashighas50%目标:Amaximallyefficient(高效),agile(敏捷),flexible(灵活)pharmaceuticalmanufacturingsectorthatreliablyproduceshighqualitydrugproducts好处:Allowsforpossiblereductioninoverallcostsofmanufacturing–lesswasteImprovesinteractionwithFDA–dealonasciencelevelinsteadofonaprocesslevelAllowsforcontinuousimprovementsinproductsandmanufacturingprocessCQAs关键质量CQAs/CMAs/CPPs关健参数ControlStrategy控制策略DesignSpace设计空间QTPP产品质量目标愿景未来的原料药车间应该设计的像家用冰箱一样,操作起来既简单又稳健。为此,传统的原料药车间不仅在工程设计方面,而且在操作运行方面也需要创新Slide5设计的问题什么是最优设计怎么进行设计性能质量好用简单约束稳健Slide6设计=科学+经验!欧洲:经典设计理论日本:稳健性设计理论苏联:创新设计理论美国:公理设计理论现代设计理论•现代企业研发工程师欠缺不是专业技术,而是系统的设计方法美国:六西格玛设计•设计时一个映射的过程。•功能的实现是能量、信息的转换。创新是有规律可循的。TRIZ方法是实现技术创新的规律体系。•质量是要设计到产品中去的;•系统设计;•参数设计;•容差设计。保持功能要求的独立性;信息含量最小化原则;评价产品设计质量好坏的标准追求六西格玛质量;零缺陷;设计过程中相关的工具和方法,象QFD,FMEA等Slide7设计基础理论用户域{CA}功能域{FR}物理域{DP}过程域{PV}产品定义产品设计工艺设计•定义:产品市场和客户的抽象概括•设计元素:(CN用户需求•定义:反映产品所具有的特定用途和特性•设计元素:(FR功能要求,C约束)•定义:实现功能要求的物理结构的集合•设计元素:(DP设计参数)•定义:描述整个产品的生产过程和方法•设计元素:(DV工艺变量)Slide8设计过程域的映射闸阀设计FR气液体通断控制FR1启闭FR3连接FR2密封DP闸阀DP1启闭机构DP3连接机构DP2密封机构DV闸阀操作DV1旋转DP3紧固DP2压紧Slide9公理设计起源:1977年起,NamP.Suh教授在MIT成立了一个制造研究和教育中心——制造和生产实验室,并且把建立设计和制造原则作为该实验室的基本任务。通过多年的研究和实践,总结和归纳出了设计的基本公理和原则,于1990年出版了专著《设计原理》,自此,一种新的概念性的设计方法(设计理论)——公理化设计理论诞生了内容两大公理16个定理8个推论目标:证实设计学是可以成为大多数人能把握的一门设计科学;增强设计的创造性、设计方案的稳健性和可制造性及可维护性;建立能使企业受益的设计科学基础、设计平台和企业文化氛围;提升设计学的科学性,再生和创造现行自主设计开发能力把系统、硬件、软件设计成可控、可靠、可高质量地制造。公理1:独立性公理公理1(独立性公理):保持功能要求的独立性在设计过程中产品功能要求之间的相互影响越小(一个设计参数只影响到一个功能参数)。则产品最终的性能越好。设FR为功能需求向量,DP为相应的设计参数向量,则从功能域到结构域的映射可以用下式来表示,称为设计方程组:Slide10njjijiDPAFR1mnmmnnAAAAAAAAAA212222111211设计矩阵若A为对角矩阵,则每个FR可以通过调整某一个DP来保证,而不影响其他的FR。因此,对角矩阵满足独立性公理,这样的设计称为非偶合设计若A为三角矩阵,独立性公理也可以被满足,则这样的设计称为准偶合设计。若A为其他形式的矩阵,则称之为偶合设计。不满足独立性公理,应分解偶合。Slide11公理设计-独立公理范例冷热水龙头(独立公理)调节流量调节温度上下移动左右旋转调节流量调节温度左阀门开关右阀门开关Slide12公理设计-独立公理范例结晶搅拌设计(独立公理)搅拌速度温度曲线保持晶体悬浮控制晶体大小搅拌速度温度曲线保持晶体悬浮控制晶体大小信息公理公理2(信息公理):力求设计信息含量最少在满足独立性公理的条件下,信息含量最小的设计方案为最佳方案。它是用来对设计方案进行评价和比较的原则。信息公理表明,具有最高成功概率的设计,即具有最小信息含量的设计是最好的设计。一个给定功能(FRi)的信息含量Ii是由满足的概率Pi定义:Slide13FR偏差设计范围系统范围概率密度Acr信息公理-案例Slide14传动轴部件的结构设计只需用5种弹簧卡圈,便可代替原来螺栓、螺母、垫圈、轴套等11种零件,大大简化了产品设计。Slide15信息公理-案例滴加操作截止阀球阀孔板调节开度0~100%开关0~1Slide16信息公理-案例①②③④⑤⑥Slide17信息公理-案例数字化,只需看号(在批记录中引用编号)可视化,只需看图套餐化,无需自行搭配公理设计的推论根据上面的两条设计公理,可以进一步得出下面的8条推论/规则:①偶合设计的解偶。如果功能需求之间是偶合的(相关的),那么,设法使它们解偶。②功能需求最小化。使功能需求和约束的数量为最小。③设计特征集成化。在得出的设计解中,如果功能需求可以被独立地满足,那么尽可能地将设计特征集成到一个零件上。④零件标准化。如果功能需求和约束允许,尽量使用标准化零件或可互换零件⑤形状对称性。如果功能需求和约束允许,尽量使用对称形状零件,以减少信息内容。⑥公差最大化。定义尽可能大的公差。⑦具有可能少信息的非偶合设计方案。在满足一组功能需求的条件下,寻找一个比偶合的设计方案包含更少信息的非偶合的设计方案。⑧标量的等效正交性。具有偶合矩阵或元素的标量的等效正交性是1。(若转置矩阵A‘=逆矩阵A-1,则A称为正交矩阵,且当i=j时,∑aikajk=∑akiakj=1)Slide18Slide19公理设计-解耦范例釜1-调节流量釜1-调节温差釜1阀门开度釜2-调节流量釜2-调节温差釜2阀门开度釜2泵流量釜1-调节流量釜1-调节温差釜1阀门开度釜2-调节流量釜2-调节温差釜1泵流量釜2阀门开度Q=KAΔT流量相关Slide20公理设计-解耦范例流量~压差文丘里阀文丘里阀房1-调节流量房1-调节压差房1蝶阀开度房2-调节流量房2-调节压差房1文阀开度房2蝶阀开度房2文阀开度房1-调节流量房1-调节压差房1蝶阀开度房2-调节流量房2-调节压差房2蝶阀开度公理设计-最简设计奥卡姆剃刀原理:若无必要,勿增实体奥卡姆剃刀(Occam‘sRazor,Ockham’sRazor),是由14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉提出。他在《箴言书注》2卷15题说“切勿浪费较多东西,去做‘用较少的东西,同样可以做好的事情’。”Slide21设备,管线,仪表以及操作最少(避免,替代,合并,集成设备)系统设计时需要考虑的问题确实需要这个过程和设备吗?这种功能是否可以有外部服务来替代能否将此步骤和其他步骤合并从而剔除该步骤他对于用户有价值吗?避免出现做,撤销,再做的步骤加热—冷却—再加热浓缩--稀释—再浓缩分离—混合—再分离公理设计-最简设计案例F35战机操作界面Su27战机操作界面公理设计-最简化案例Slide23观察数字大小观察红绿灯切换Slide24公理设计-最简化范例蒸馏终点操作:1.取样1,2,32.测试样品水含量3.物料粘度蒸馏终点操作:1.冷凝器进口温度T6870727476780.90.920.940.960.981T-XT-Y同理:蒸干终点操作:1.搅拌扭矩Slide25公理设计-最简化案例30度-20度30度-20度冷凝下来的液体还要再冷却吗?公理设计-集成化设计Slide26注意:零件耦合而不是功能耦合公理设计-集成化范例Slide27公理设计-集成化案例Slide28保温离心打浆溶解过滤三合一公理设计-标准化案例模块化定义:把项目分解成一个结构上,物理上的和功能上独立的模块组成的架构建立对于所有主要项目活动都适用的概念,然后逐一通过模块重复实现由模块组成的柔性的产品或系统,能够适应多样化的需求和组织专业化生产,可快速组合成新产品,通过通用接口实现技术集成。Slide29温控模块蒸汽,冰盐水,循环水压控模块氮气,尾气加料模块溶剂罐区固体罐出料模块接收罐反应釜尾气模块搅拌模块计量模块公理设计-标准化案例蒸汽冰盐水回冰盐水去乙二醇回乙二醇去5度水去5度水回标准的接口(管口距离、排列、功能)便于模块的互换公理设计-对称性案例进水管道回水管道高温常温低温Slide32TRIZ设计TRIZ,俄语缩写“ТРИЗ”即“发明家式的解决任务理论”TRIZ是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒所提出的,他从1946年开始领导数十家研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体,通过对世界高水平发明专利(累计250万件)的几十年分析研究,提出了有关发明问题的基本理论。创新等级划分32﹪的问题可以利用个人的专业知识解决,45﹪的问题为少量改进,仅涉及到单一工程领域,18﹪的问题对技术系统的根本改进,涉及不同工程领域,4﹪的问题利用全新的工作原理来完成主要功能,1﹪的问题先驱式的革新,涉及到整个人类已知范畴,。理论核心包括:总论(基本规则、矛盾分析理论、发明的等级)、解决技术问题的39个通用工程参数及40个发明方法,物场分析与转换原理及76个标准解法,发明问题的解题程序(算子),Slide3339个标准参数Slide3440条发明原理Slide35矛盾矩阵表Slide36TRIZ设计-案例打桩机-传统的打桩机工作模式,锤子直接接触桩顶,把桩打人地基的同时也可能使桩顶发生破裂为利用分割原理改进后的打桩机工作模式,在桩顶加上一个砂袋。这样既提高了打桩的效率,也保证了桩顶不发生疲劳破裂•将桩打人地基标准参数10:力;•确保桩顶不发生破裂标准参数30:外部有害作用于物体,查矛盾矩阵表得到4条可能用来解决两者矛盾的发明原理,分别为:发明原理1:分割;发明原理35:参数变化;发明原理40:复合材料;发明原理18:机械振动Slide37TRIZ设计-案例欲改善问题:解決使用上方便性避免恶化:切割蛋糕体积大小工程参数33使用方便性工程参数8固定體積发明原則:31多孔材料4.非對稱性多孔--》避免刀与蛋糕间产生真空,无法剥离Slide38TRIZ设计-案例用冰水清洗滤饼解决问题:刚开始出来的水温较高工程参数:17温度,27可靠性解决方案:,10预操作,19周期性作用,35参数变化,3局部质量增加一个循环泵提前循环,水温达到时再开水冰盐水进冰盐水出冰盐水进冰盐水出10.预先作用原则a.预先完成要求的作用(整个的或部分的)b.预先将物体安放妥当,使它们能在现场和
本文标题:化工制药领域如何进行创新设计
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