چرا یک تولیدکننده با هر دو قابلیت تحقیق و توسعه (R&D) و تولید در مقیاس بزرگ را انتخاب کنیم؟

مزیت استراتژیک ادغام تحقیق و توسعه و تولید

ترکیب تخصص تحقیق و توسعه با قابلیت‌های تولید، یک مزیت رقابتی استراتژیک برای تولیدکنندگان ایجاد می‌کند و چرخه‌های نوآوری سریع‌تر و مقیاس‌پذیری بی‌درنگ را ممکن می‌سازد. این هم‌افزایی ریسک‌های توسعه را کاهش می‌دهد و در عین حال اطمینان حاصل می‌کند که فناوری‌های جدید الزامات امکان تولید در دنیای واقعی را برآورده می‌کنند.

درک هم‌افزایی بین تحقیق و توسعه و فرآیندهای تولید در مقیاس بزرگ

تیم‌های یکپارچه، بینش خود را در مراحل طراحی، نمونه‌سازی و تولید به اشتراک می‌گذارند که این امر به دانشمندان مواد اجازه می‌دهد تا مستقیماً با مهندسان فرآیند در بهینه‌سازی تحملات همکاری کنند. این هم‌ترازی از افت ۲۳ درصدی کارایی که معمولاً در سازمان‌های منزوی هنگام انتقال نمونه‌های اولیه به تولید رخ می‌دهد، جلوگیری می‌کند.

چگونه سیستم‌های یکپارچه گلوگاه‌ها را در توسعه محصول کاهش می‌دهند

روش‌های مهندسی همزمان که توسط مراکز تلفیقی تحقیق و توسعه/تولید فراهم شده‌اند، ۶۸ درصد از مشکلات امکان‌سنجی تولید را در مرحله نمونه‌سازی (و نه در مقیاس تجاری) حل می‌کنند. اشتراک‌گذاری داده‌های لحظه‌ای بین بخش‌ها، چرخه‌های تأیید برای تنظیمات حیاتی فرآیند را از چند هفته به چند روز کاهش می‌دهد.

داده: تولیدکنندگان عمودی‌الساخت ۴۰ درصد سریع‌تر به مقیاس‌گذاری دست یافته‌اند (مککینزی، ۲۰۲۳)

تولیدکنندگانی که عملیات تحقیق و توسعه و تولید را یکپارچه کرده‌اند، زمان تحویل را از ۲۲ ماه به ۱۳ ماه کاهش داده‌اند و در تجاری‌سازی مواد پیشرفته، عملکردی دو برابر بهتر از معیارهای صنعت دارند.

پرش از شکاف: از نوآوری تا تولید مقیاس‌پذیر

چالش‌ها در انتقال از تحقیق و توسعه به تولید در مقیاس تجاری

وقتی شرکت‌ها سعی می‌کنند ایده‌های آزمایشگاهی خود را به تولید واقعی در دنیای صنعت تبدیل کنند، معمولاً با مشکلات بزرگی در مواجهه قرار می‌گیرند؛ از جمله رفتار متفاوت مواد، فرآیندهای خارج از کنترل و عدم هماهنگی صحیح تجهیزات با یکدیگر. مطالعات اخیر نیز چیزهای نسبتاً شوک‌آوری نشان می‌دهند — حدود دو سوم پیشرفت‌های زیست‌فناوری در تلاش‌های اولیه برای مقیاس‌بندی شکست می‌خورند، زیرا تغییرات جزئی در ضخامت یا نازک‌بودن مواد ساده‌الشکل در آزمایش‌های مقیاس کوچک قابل تشخیص نیستند. اعداد و ارقام داستانی حتی تیره‌تر را برای تولیدکنندگان روایت می‌کنند که معمولاً هنگام انتقال از تولید انبوه کوچک به خطوط تولید کامل، بین ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش محصول را تجربه می‌کنند. به همین دلیل است که شرکت‌های هوشمند قبل از سرمایه‌گذاری سنگین برای تولید انبوه، به‌صورت گسترده در آزمون‌های دقیق سرمایه‌گذاری می‌کنند.

آزمون‌های آزمایشگاهی و مقیاس پایلوت برای اعتبارسنجی فرآیند قبل از تولید انبوه

آزمایش در مقیاس‌های مختلف به شناسایی مشکلات مربوط به پایداری حرارتی و واکنش مواد به تنش کمک می‌کند. ما معمولاً به سه سطح اصلی نگاه می‌کنیم: مقیاس آزمایشگاهی (حدود ۱ تا ۱۰ لیتر)، مقیاس نمونه‌سازی (بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ لیتر) و مقیاس پیش‌تولید (بالای ۱۰۰۰۰ لیتر). هنگام توسعه پلیمرهای جدید، یک مثال نشان داد که انتقال از تجهیزات نمونه‌سازی به تجهیزات کامل در حقیقت نیازمند ۲۲ تغییر در تنظیمات اکستروژن بود. این رقم خیلی زیاد است! امروزه سیستم‌های خودکار PAT اجازه می‌دهند تا در حین انجام این مراحل مهم اعتبارسنجی، ویسکوزیته را به صورت زمان واقعی پایش کنیم که این امر کل فرآیند را بسیار قابل اعتمادتر می‌کند.

تحلیل اختلاف نظر: هنگامی که مهندسی بیش از حد در تحقیق و توسعه، مقیاس‌پذیری را مختل می‌کند

مهندسی دقیق قطعاً نوآوری را به جلو می‌برد، اما بسیاری از سازندگان دستگاه‌های پزشکی در مقیاس‌بندی تولید با مشکل مواجه می‌شوند زمانی که با تلرانس‌های فوق دقیق در سطح میکرون روبرو هستند که با فرآیندهای قالب‌گیری سریع به خوبی سازگار نیستند. حدود ۴۲٪ از این شرکت‌ها به دلیل همین مشکل با مسائل جدی در مقیاس‌پذیری مواجه هستند. آنچه اکنون در حال وقوع است، تلاش صنعت برای بهینه‌سازی در محدوده عملکردی مثبت و منفی ۵٪ است. این محدوده به نظر نقطه بهینه‌ای است که در آن تولیدکنندگان همچنان می‌توانند هزینه‌ها را پایین نگه دارند و در عین حال ایمنی بیماران را به خطر نیندازند. با نگاه به تولید الکترونیک به طور خاص، کاهش تلرانس‌ها تا حدود ۱۵٪ تفاوت چشمگیری ایجاد می‌کند. سرعت تولید چهار برابر افزایش می‌یابد که زمانی که شرکت‌ها نیاز دارند تقاضای رو به رشد را بدون شکستن بودجه برآورده کنند، اهمیت زیادی دارد.

سرمایه‌گذاری استراتژیک در زیرساخت‌های تولید مقیاس‌پذیر

تولیدکنندگان هوشمند حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از بودجه تحقیقات خود را به فناوری‌هایی اختصاص می‌دهند که واقعاً در خط تولید عملکرد دارند، مانند سیستم‌های قالب‌گیری تطبیقی که ما درباره آنها صحبت کرده‌ایم. شرکت‌هایی که زودتر از دیگران این ساختارهای تولید عمودی را پیاده‌سازی می‌کنند، طبق یافته‌های مکینزی در سال گذشته، محصولات خود را حدود ۴۰ درصد سریع‌تر از شرکت‌هایی که در ساختارهای سنتی اداری گیر کرده‌اند به بازار می‌رسانند. عامل اصلی موفقیت این روش، حضور مهندسان تولید در فاز طراحی و از همان ابتدا است. در نتیجه، اکثر فرمول‌های جدید محصول (حدود ۹ مورد از هر ۱۰ مورد) در اولین آزمایش‌های صنعتی خود الزامات آزمون را برآورده می‌کنند که این امر در بلندمدت به صرفه‌جویی در زمان و هزینه منجر می‌شود.

بهینه‌سازی دقت و کارایی از طریق تولید مبتنی بر تحقیق و توسعه

پیشرفت در دقت با استفاده از حلقه‌های بازخورد لحظه‌ای در تحقیق و توسعه و تولید

سیستم‌های یکپارچه تحقیق و توسعه-تولید از طریق تبادل مداوم داده‌ها، امکان تنظیمات در سطح میلی‌متر را در فرآیند تولید فراهم می‌کنند. با همترازی آزمون نمونه اولیه با پارامترهای خط تولید، تولیدکنندگان به دقت ابعادی ۹۹٫۴ درصد در تولید انبوه دست می‌یابند که نسبت به رویکردهای توسعه مجزا ۲۲ درصد بهبود نشان می‌دهد.

بهینه‌سازی فرآیند برای افزایش نرخ بازده و کیفیت یکنواخت

پروتکل‌های کنترل کیفیت خودکار که از طریق مبادرت‌های مشترک تحقیق و توسعه-تولید توسعه یافته‌اند، ضایعات مواد را به میزان ۱۸ تا ۲۷ درصد کاهش می‌دهند. اعتبارسنجی چندمرحله‌ای فرآیند، نرخ بازده اولیه ۹۸٫۵ درصدی را تضمین می‌کند و در عین حال تحملات مورد تأیید ISO (±۰٫۰۰۵ میلی‌متر) را در سراسر دسته‌های تولید حفظ می‌کند.

مثال: سیستم‌های تشخیص نقص مبتنی بر هوش مصنوعی که در طی آزمایش‌های آزمایشی توسعه یافته‌اند

تولیدکنندگان پیشرو اکنون از سیستم‌های بینایی مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده می‌کنند که قادر به شناسایی نقص‌های میکروسکوپی با سرعتی ۵۰ برابر بیشتر از بازرسان انسانی هستند. در آزمایش‌های اجزای خودرو، این فناوری توسعه‌یافته توسط تحقیق و توسعه، نرخ ضایعات را از ۵٫۶٪ به ۰٫۹٪ کاهش داد، در حالی که دقت تشخیص همچنان ۹۹٫۹۷٪ باقی ماند.

روند: استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای شبیه‌سازی پویای گسترش تولید

تکثیر مجازی خطوط تولید به صورت کامل، به تولیدکنندگان امکان می‌دهد سناریوهای گسترش ظرفیت را با دقت پیش‌بینی ۹۴٪ آزمایش کنند. پیشگامان این زمینه گسترش ظرفیت تا ۳۵٪ سریع‌تر را از طریق تحلیل شبیه‌سازی‌شده گلوگاه‌ها قبل از اجرای فیزیکی گزارش کرده‌اند.

تسریع عرضه محصول با کنترل فنی جامع از ابتدا تا انتها

تولیدکنندگانی که کنترل یکپارچه‌ای بر عملیات تحقیق و توسعه و تولید دارند، سرعت بی‌همتا در عرضه نوآوری‌ها به بازار دارند. این رویکرد جامع از ابتدا تا انتها، تأخیرهای ناشی از گسستگی در گردش کار را حذف کرده و امکان تنظیمات لحظه‌ای در طول چرخه عمر محصول را فراهم می‌کند.

ارائه راه‌حل‌های تمام‌چرخه از مفهوم تا تولید تجاری

وقتی تولیدکنندگان عملیات خود را یکپارچه می‌کنند، شکاف‌های آزاردهنده بین ساخت نمونه اولیه و تولید در مقیاس بزرگ را پر می‌کنند. آنها این کار را با تعیین استانداردهای مشخص برای مواد و کیفیت از همان ابتدای توسعه انجام می‌دهند. بر اساس گزارش‌های صنعتی، تیم‌هایی که در مجاورت مراکز تولید واقعی کار می‌کنند، مشکلات پیچیده DFM را حدود ۵۸ درصد سریع‌تر نسبت به شرکت‌هایی که بخش‌هایشان ارتباط خوبی ندارند، حل می‌کنند. مزیت بزرگ این روش این است که محصولات می‌توانند به‌صورت هموار از تولید آزمایشی کوچک به تولید انبوه منتقل شوند و در عین حال دقت بالایی که امروزه برای همه مهم است، حفظ شود.

کاهش زمان عرضه به بازار از طریق تحقیق و توسعه یکپارچه با تولید

وقتی تیم‌های تحقیق و توسعه بتوانند اطلاعات را به‌طور همزمان با تیم‌های تولید به اشتراک بگذارند، این امر به‌طور قابل توجهی فرآیندها را در معرفی محصولات جدید به بازار بهبود می‌بخشد. به عنوان مثال، مهندسی همزمان – شرکت‌ها گزارش داده‌اند که کارهای تأییدی تکراری را حدود ۴۰٪ کاهش داده‌اند بدون آنکه استانداردهای کیفی قربانی شوند. اکثر تولیدکنندگانی که این بخش‌ها را به خوبی با هم هماهنگ می‌کنند، نمونه اولیه خود را پس از تنها ۳ تا ۵ بار تکرار برای فروش آماده می‌کنند، نه همان ۸ یا ۱۲ دوره‌ای که معمولاً در صنعت شاهد آن هستیم. تفاوت در زمان صرفه‌جویی شده به تنهایی، این همکاری را برای بسیاری از کسب‌وکارها که به دنبال حفظ رقابتی بودن هستند، ارزشمند می‌کند.

داده: شرکت‌هایی که کنترل تمام-در-یک دارند، ۳۰٪ سریع‌تر به بازار می‌رسند (BCG، ۲۰۲۲)

این تحلیل BCG در سال 2022 از 127 تولیدکننده، نشان می‌دهد که سازمان‌های عمودی یکپارچه در مقایسه با رقبا عملکرد بهتری در هر دو زمینه سرعت عرضه و جذب درآمد اولیه دارند. مزیت 30 درصدی زمانی از حذف تأخیرهای هماهنگی با طرف‌های ثالث و استانداردسازی نوآوری‌های آماده تولید ناشی می‌شود.

طراحی برای مقیاس‌پذیری: همترازی نوآوری با واقعیت‌های تولید

طراحی برای سهولت در تولید (DFM) به عنوان پلی بین نوآوری و خروجی حجمی

طراحی برای ساخت‌پذیری یا DFM در واقع نقطه آغاز اکثر موفقیت‌های مقیاس‌گذاری است. این رویکرد به معنای وارد کردن ملاحظات تولید دنیای واقعی به فرآیند طراحی محصولات از همان ابتداست. وقتی شرکت‌ها به مسائلی مانند نحوه حرکت مواد در سیستم، نوع تجهیزات موجود و نحوه اسمبل کردن قطعات در مرحله نمونه‌سازی توجه می‌کنند، معمولاً در مراحل بعدی پول صرفه‌جویی می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که با این روش حدود ۲۵ تا شاید حتی ۴۰ درصد هزینه کمتری برای تغییر طراحی‌ها در لحظات آخر نسبت به روش‌های سنتی لازم می‌آید. هماهنگ‌کردن این موارد از ابتدا به این معناست که طراحی‌های جدید با امکانات واقعی ابزارهای در دسترس و دسترسی به قطعات مورد نیاز در زمان مناسب سازگار خواهند بود. در غیر این صورت، شرکت‌ها هنگام افزایش تولید با انواع موانع پرهزینه مواجه می‌شوند.

ادغام فناوری‌های صنعت ۴.۰ برای پشتیبانی از تولید هوشمند و مقیاس‌پذیر

امروزه تولیدکنندگان اصول DFM را با فناوری‌های مختلف صنعت ۴٫۰ مانند سیستم‌های کنترل کیفیت مبتنی بر اینترنت اشیا (IoT) و تنظیمات انعطاف‌پذیر تولید ادغام می‌کنند. جادوی واقعی زمانی رخ می‌دهد که این سیستم‌های پیشرفته بتوانند نرخ خروجی خود را متناسب با نیاز بازار تنظیم کنند، در حالی که اندازه‌گیری‌های حیاتی را در محدوده ۰٫۱ میلی‌متر از مشخصات نگه دارند. کارخانه‌هایی که این نوع استراتژی هوشمند مقیاس‌بندی را به کار گرفته‌اند، نتایج چشمگیری داشته‌اند؛ به طوری که زمان‌های تغییر محصول حدود دو سوم در واحدهایی که چندین نوع محصول تولید می‌کنند، کاهش یافته است. و با سیستم‌های رباتیک تطبیقی که همراه با دوقلوهای دیجیتال برای اهداف شبیه‌سازی استفاده می‌شوند، وضعیت حتی بهتر می‌شود. این ترکیب‌ها به خطوط تولید اجازه می‌دهند به راحتی از تولید کوچک با ۵۰۰ قلم به سمت تولید انبوه با ۵۰ هزار قطعه تغییر حالت دهند و در عین حال همان سطح از دقت تولید را در تمام مراحل فرآیند حفظ کنند.

با همگام‌سازی اصول DFM با فناوری‌های کارخانه هوشمند، تولیدکنندگان به دو ضرورت اساسی نوآوری دقیق و انعطاف‌پذیری تولید دست می‌یابند—که برای رقابت در بازارهایی که هم سفارشی‌سازی و هم مقیاس را می‌طلبد، حیاتی است.

بخش سوالات متداول

1. مزیت اصلی یکپارچه‌سازی تحقیق و توسعه و تولید چیست؟

یکپارچه‌سازی تحقیق و توسعه و تولید، چرخه‌های نوآوری سریع‌تر و مقیاس‌پذیری بدون درز را ممکن می‌سازد، ریسک‌های توسعه را کاهش می‌دهد و اطمینان حاصل می‌شود که فناوری‌های جدید در شرایط واقعی قابلیت تولید دارند.

2. مهندسی همزمان چگونه در توسعه محصول کمک می‌کند؟

مهندسی همزمان به اشتراک‌گذاری بلادرنگ داده‌ها بین بخش‌ها کمک می‌کند، مشکلات امکان‌سنجی تولید را در طی مرحله نمونه‌سازی حل می‌کند و چرخه‌های تأیید برای تنظیمات فرآیند را به‌طور قابل توجهی کوتاه می‌کند.

3. چرا مقیاس‌پذیری در انتقال از تحقیق و توسعه به تولید یک چالش است؟

مشکلات مقیاس‌پذیری اغلب به دلیل تفاوت در رفتار مواد و کنترل فرآیندها هنگام انتقال از مقیاس آزمایشگاهی به تولید کامل پیش می‌آیند. انجام آزمایش‌های دقیق در مقیاس نمونه‌سازی و پیش‌تولید، به حل این چالش‌ها کمک می‌کند.

4. تولیدکنندگان هوشمند چگونه زمان عرضه محصول به بازار را تسریع می‌کنند؟

با حفظ کنترل یکپارچه بر تحقیق و توسعه و تولید، شرکت‌ها از تأخیرات جلوگیری کرده، تنظیمات لحظه‌ای را اعمال می‌کنند و به‌راحتی از نمونه اولیه به تولید تجاری منتقل می‌شوند.

5. فناوری‌های صنعت 4.0 چه نقشی در تولید دارند؟

فناوری‌های صنعت 4.0 با امکان تنظیم انعطاف‌پذیر نرخ خروجی، کاهش زمان تغییر تنظیمات و بهینه‌سازی خطوط تولید برای دسته‌های کوچک و بزرگ، تولید هوشمند و مقیاس‌پذیر را ارتقا می‌دهند.