Sneller naar de markt door parallelle projectuitvoering

De klassieke watervalbenadering van systeemontwerp werkt, maar het kan sneller. Met concurrent engineering is veel tijd te winnen, maar het brengt ook uitdagingen en risico’s met zich mee. Eddy Allefs vertelt over de ins en outs, over hoe het werkt en waar je als multidisciplinair ontwikkelteam tegenaan loopt.

Eddy Allefs
22 juli

In de machinebouw is er voortdurende druk om producten snel naar de markt te brengen. Door de eerste te zijn op de markt kan een voordeel ten opzichte van concurrenten worden opgebouwd. Wellicht is er zelfs al een klant die zo snel mogelijk moet worden beleverd. Deze druk vanuit de markt vertaalt zich in druk op de r&d-afdeling om een machine zo snel mogelijk te ontwikkelen. In dit artikel wordt middels een voorbeeldproject een aantal praktische tips gegeven om het r&d-plan zodanig op te zetten dat maximale tijdwinst wordt behaald. Als vertrekpunt gebruik ik het V-model, dat nog vaak in de industrie wordt gehanteerd. In de praktijk wordt tegenwoordig veelal agile gewerkt, maar ook dan is het beschreven concept voor het opzetten van een r&d-plan relevant.

In figuur 1 is het V-model grafisch weergegeven. In fase 1 van het project vindt het systeemontwerp plaats. Stel je wilt een waferstepper ontwikkelen. Voor dit voorbeeldproduct bedenkt de systeemarchitect in fase 1 een machine bestaande uit een lens, een module die wafers aan- en afvoert en onder de lens positioneert, en een soortgelijke module voor het positioneren van het reticle. Deze drie modules worden op een mechanisch frame gemonteerd waaraan strenge eisen worden gesteld op gebied van stijfheid, eigenfrequenties, massa, afmetingen en produceerbaarheid. Dit machineframe is een vierde functionele module. En er zal als vijfde module een besturingsmodule nodig zijn bestaande uit elektronica en software om de wafer- en reticlemodule snel, nauwkeurig en synchroon met elkaar te laten bewegen. Dit is een zeer versimpelde versie van een echte waferstepper. Belichtingsbron, koeling, beplating en nog veel meer machinefuncties laten we nu even buiten beschouwing.

In fase 2 van het project gaan multidisciplinaire projectteams aan het werk die de vijf machinemodules in parallelle projecten gaan ontwerpen. In fase 3 vindt per project het monodisciplinair uitontwikkelen van de modules plaats. Aan het eind van fase 3 leveren de hardwareteams technische productdocumentatie (TPD) op. Op basis hiervan worden prototypeonderdelen besteld.

Nu gaan we naar de rechterkant van de V, de integratiefase. In omgekeerde volgorde ten opzichte van de ontwerpfase gaan nu de integratiewerkzaamheden plaatsvinden. Fase 4 is de monodisciplinaire integratie. Het machineframe bestaat bijvoorbeeld uit meerdere mechanische subsystemen. Deze worden in fase 4 bij elkaar gebracht en gekwalificeerd. In fase 5 komen voor elk van de vijf machinemodules afzonderlijk de mechanische, elektronische en softwareopleveringen bij elkaar. Typisch gebeurt dat op een testopstelling die alleen geschikt is om de betreffende machinefunctie te kwalificeren. De testopstelling voor bijvoorbeeld de lens zal een gedeelte van het machineframe bevatten om de lens op dezelfde manier te kunnen monteren als in de latere machine, dus alleen de optische onderdelen en geen wafer- of reticlemodule. In fase 6 komen alle modules van het systeem bij elkaar in een prototype van de machine en gaat de systeemarchitect de machine kwalificeren. Aan het eind van fase 6 kan de machine aan de klant worden geleverd.

Concurrent engineering

Het V-model is in theorie – en zoals hierboven (bewust) beschreven – een sequentieel model. Als je de zes fases in een Gantt-chart uitzet, zoals in figuur 2 is te zien, dan ontstaat een typisch waterval- of trapjespatroon, waaruit ook meteen de totale projectdoorlooptijd is af te lezen.

Door het principe van concurrent engineering toe te passen, zullen de zes projectfases uit het V-model elkaar deels gaan overlappen in de tijd. Een volgende projectfase start al voordat de vorige fase geheel is afgerond, zoals weergegeven in de Gantt-chart in figuur 3. Het voordeel is evident: het totale project kent nu een kortere doorlooptijd.

Er zit echter ook een risico aan. Doordat opvolgende activiteiten al starten terwijl de vorige fase nog niet geheel is afgerond, bestaat het gevaar dat een late ontwerpwijziging in een van de projecten ook ontwerpgevolgen heeft in een ander project. Mogelijk zijn daar zelfs al onderdelen met lange levertijden besteld. Deze moeten nu worden bewerkt of, nog erger, worden weggegooid omdat ze niet meer toe te passen zijn. Aan het eind van dit artikel worden de randvoorwaarden beschreven voor succesvol toepassen van concurrent engineering.

Risico’s in kaart brengen

Er kunnen zich situaties voordoen dat het een projectteam niet lukt om binnen de in fase 1 opgestelde specificaties een ontwerp te realiseren. In zo’n geval moet het team de dialoog aan met de systeemarchitect of er een verruiming van de specificaties mogelijk is. Dat zal vaak ook het werk van de andere teams raken. Een paar voorbeelden.

Stel dat de lensontwerpers in fase 2 van het project vaststellen dat ze twintig centimeter meer optische lengte nodig hebben dan voorzien. De machine zomaar twintig centimeter hoger maken, kan niet, want dan past ze niet meer in het gebouw. Een optie is om ruimte te winnen in de positioneermodules voor de wafer of reticle door een of beide modules minder hoog te maken. Deze twee teams moeten dan terug naar de tekentafel en hun ontwerp aanpassen. Dat kost extra doorlooptijd en budget. Als het deze teams niet lukt om de hoogte te reduceren, dan moet mogelijk een geheel ander machineconcept worden bedacht, en moet nog verder terug worden geïtereerd: de systeemarchitect moet dan een nieuw machineconcept bedenken, bijvoorbeeld met een horizontaal opgestelde lens of een lens in twee delen, deels verticaal en deels horizontaal.

Blijkbaar was er dus een risico dat de lensfunctie niet binnen de vooraf afgesproken optische lengte kon worden gerealiseerd. Het is dus erg belangrijk om in projecten waarin concurrent engineering zal worden toegepast vooraf de risico’s in kaart te brengen. Dan zijn er twee mogelijkheden: je kunt ervoor kiezen het parallel werken minder ver door te voeren of je kunt het project anders opzetten. In dit voorbeeld kiezen we voor het laatste, omdat het lensproject op het kritieke pad van het gehele project zit. In plaats van je te richten op de gelijktijdige ontwikkeling van alle dimensies van de lens werk je eerst aan de delen van het ontwerp met een risico. In dit geval wordt de optische hoofdfunctie uitontwikkeld en gekwalificeerd in een laboratoriumopstelling. Dat betekent dat er in eerste instantie nog geen lensbehuizing of -koeling wordt ontworpen; deze worden later ontwikkeld buiten het kritieke pad.

De doorlooptijd van het lensproject zelf wordt nu langer omdat sommige activiteiten pas later starten. Dat hoeft geen probleem te zijn; het gaat immers om het verkorten van de ontwikkeling van de gehele machine, waarbij ook de risico’s van het parallel werken voortdurend moeten worden bepaald en gemitigeerd. Het risico dat de optische lengte van de lens nog kan wijzigen is gemitigeerd. We moeten nu nagaan of de langere doorlooptijd van het lensproject elders nog gevolgen heeft.

Dummy

Na afstemming met het frameproject blijkt dat voor de mechanische kwalificatie van het frame in fase 4 van het V-model een lens nodig is, maar deze komt door het aangepaste lensprojectplan nu te laat. En het frameproject kan niet worden vertraagd, want dit project moet als eerste worden opgeleverd in fase 5. De andere modules worden dan immers op het frame gemonteerd. Voor de mechanische kwalificatie van het frameproject is de optische functie van de lens echter niet relevant. Het frameproject zou ook met een dummylens vooruit kunnen, met dezelfde massa, hetzelfde zwaartepunt en dezelfde mechanische interface als de toekomstige lens. Besloten wordt daarom dat het lensproject ook een dummy zal ontwikkelen om het frameproject verder te helpen. Deze dummylens zal in fase 6 van het V-model nog een tweede toepassing krijgen.

Een van de eisen aan de machine is dat klanten snel een lens kunnen wisselen. Dat betekent dat in de machine voorzieningen aanwezig moeten zijn om de lens zijwaarts uit te kunnen bouwen, eventueel na tijdelijke verwijdering van wat kleine onderdelen van het frame. Uiteraard wordt dit scenario ook in het 3D cad-model van de machine voorzien, maar de engineers willen een en ander ook in een echte machine testen omdat zo ook de speciaal ontworpen gereedschappen kunnen worden gekwalificeerd.

Stapje voor stapje

In het frameproject hebben de ontwikkelaars bij het maken van het projectplan vastgesteld dat er slechts enkele producenten zijn die het frame met de vereiste specificaties kunnen produceren. Het is dus zaak om tijdig een toeleverancier te kiezen en productiecapaciteit te reserveren. Waar het gebruikelijk was om dat te doen op basis van een offerteaanvraag en een TPD aan eind van fase 3, gaat dat nu niet. Ruim voordat de TPD er is, moet er al een keuze voor de leverancier worden gemaakt, ruw materiaal besteld en machinecapaciteit gereserveerd.

Gedurende het project komt stap voor stap de TPD beschikbaar, waarmee de toeleverancier beetje bij beetje delen van de frameproductie kan doen. Eerst de buitencontour frezen, dan structuren erin, nog weer later boren en de nog niet eerder uitgewerkte structuren aanbrengen, en de allerlaatste boringen. Het meermaals opspannen van het frame, tussentijds opslaan en wachten op aanvullende TPD is niet de meest efficiënte werkwijze. Dat moge duidelijk zijn. Maar de beperkt beschikbare productiecapaciteit in combinatie met de grote hoeveelheid vereiste machine-uren zorgen er op deze manier toch voor dat het frame op tijd kan worden geleverd. Bijkomend effect is dat de producent al vroegtijdig bij het ontwerp betrokken is en terugkoppeling op het ontwerp kan geven.

In figuur 4 is in een Gantt-chart samengevat hoe het overkoepelend projectplan er nu uitziet. In vergelijk met figuur 2 en 3 zijn flinke stappen gezet om doorlooptijdwinst te behalen.

Niet op je handen zitten

Uit het voorgaand voorbeeldproject kunnen de succesfactoren voor de parallelle aanpak worden afgeleid. Er moet een systeemarchitect in het project actief zijn, en ook het hele project blijven, omdat regelmatig technische besluiten moeten worden genomen die een enkel deelproject overstijgen, op momenten dat nog restrisico’s bestaan.

De systeemarchitect houdt ook de overall projectrisico’s bij en zorgt samen met de afzonderlijke projecten dat risicomitigerende acties worden bepaald en uitgevoerd. Naast de systeemarchitect moet er ook een overkoepelend projectleider zijn die organiseert dat bovengenoemde ontwerpbesluiten worden genomen. De werkwijze van deze projectleider zal zijn om besluiten zo laat mogelijk te nemen om zo veel mogelijk informatie mee te nemen in het besluit. Het kritieke pad van het gehele project mag hierbij echter niet langer worden.

Het gevolg van het laat nemen van besluiten zal zijn dat er in de praktijk meerdere kritieke paden in het project zullen bestaan. Dat vraagt ook wat van de deelprojecten. Een individueel project kan het niet rustig aan doen omdat een ander project op het kritieke pad zit. Als in een ander project het plan kan worden versneld, of het project kent zelf een tegenvaller, of de klant vraagt nog om een late aanpassing, dan kun je als een individueel project ineens toch op het kritieke pad terechtkomen.

Colocatie

Het is van belang dat de specificaties en interfaces tussen de verschillende modules en systeemfuncties in fase 1 worden bevroren. Aspecten als reguliere voortgangsmeetings, centrale toegang tot documenten, goed opgezet wijzigingsbeheer van specificatiedocumenten, TPD en softwarecode spreken voor zich. Colocatie van de verschillende projecten werkt enorm bevorderend om de communicatielijntjes kort te houden.

Zoals gezegd, heeft concurrent engineering ook zijn prijs. Er moet weleens wat werk opnieuw worden gedaan of materiaal worden weggegooid, veroorzaakt door een late ontwerpwijziging.

Het voorbeeld van de waferstepper in dit verhaal is niet geheel willekeurig gekozen. Een van redenen achter het succes van ASML is hun focus op time-to-market, door projecten parallel uit te voeren als in dit artikel beschreven, en daarbij bewust risico’s te nemen.

Eddy Allefs is cto en innovatiemanager bij een aantal hightechbedrijven en startups in Eindhoven en was eerder in zijn loopbaan werkzaam voor onder meer Philips en ASML.