1、利用 DFM 設計方法的工具設計 -以手動捲揚器(Hand Winch) 為例洪漢森* 黃台生* 朝陽科技大學 設計研究所摘要如何提昇品質、降低成本，一直是確保產品在市場行銷策略，力求穩定維持產品生命週期高峰是刻不容緩的課題，尤其面對利潤微薄銷售市場限制的產品更甚。手動捲揚器（Hand Winch）在國內大都應用於養畜業及園藝業，但是，它並不是一項高價工具產品，在消費者殺價要求及同業競爭，降低成本提高品質的改良再設計更顯迫切。本研究針對降低製造成本的需求，透過為製造而設計的方法DFM，Design for Manufacturing 與為組裝而設計（DFA，Design for Assembl
2、y）審視控制各項製造重要因素，進而評估製造成本。改善機械機構降低元件成本，加速組裝時間及技術需求，降低組裝成本提高生產品質需求等方法，最終得到符合降低成本要求之目的。此一設計實例期可提供業界作為改善設計之參考關鍵詞：DFM、DFA、Hand Winch、手動捲揚器1.前言在目前市場的競爭下，縮小製造成本、提高生產品質是產品能否獲得經濟上成功的關鍵。而在工業設計中，應用設計方法而提升品質與改善成本支出，是工業設計師所應該要有的思考原則。利用同步設計的思考原理，由 Karl T.Ulrich 和 Steven D.Eppinger 於 Product Design and Development
3、著作中，提出為製造而設計DFM，Design for Manufacturing 和為組裝而設計（DFA，Design for Assembly）就是希望達到此目的的方法之一。本研究特以此兩設計方法，應用於手動捲揚器（Hand Winch）改善現有產品在同類型競爭的改善實例，希望能達到實務與理論應用的目的。2.研究動機與目的手動捲揚器（Hand Winch）是在國內養殖業和園藝業創業初期的必要硬體設備，用途在豬舍、雞舍、園藝溫室中，升降帆布或黑網來做舍內光線及溫度的調整，也作為防寒及隔熱之控制。捲揚器可分電動及手動兩類型，高階捲揚器大都以電動方式，國外都應用於遠洋的收網及揚帆，貨車、休旅車。國
4、內手動捲揚器應用於農業上並不是一項高價值的工具，只是為投資上的一項配件，業者在硬體的投資中，捲揚器的需求量很大，平均每 12 台尺就須有一組，若是使用電動型捲揚器是一筆可觀的投資，國內小型畜農與花農初期的投資成本，並沒有足夠的資金。因此捲揚器的選購往往都會以手動式為考量。手動捲揚器產品在市場的購買考量上，也都是希望能夠買到更便宜的手動捲揚器，消費者大都以價格為第一考量順位。製造廠商為求產品在市場競爭，更透過其改造機構再設計，組裝簡易設計以期降低成本為設計基準，減少生產成本的需求為前提。然而減少零件的數量，簡化製造組合的過程，降低生產技術要求，這一些都可以降低成本的一些方法。本研究嘗試著利用這個
5、訴求目標的設計方法改善並降低捲揚器的製造成本，因此應用了為製造而設計DFM，Design for Manufacturing ，和為組裝而設計（DFA，Design for Assembly）的設計方法，改善手動捲揚器的市場價格提高競爭力。3.文獻探討2.1 製造而設計在 Product Design and Development 著作中中提到顧客的需求和產品規格在產品開發階段是為有用的指引，之後開發團隊在試圖將需求和規格連結到特殊設計以提示，卻常常遇到困難。由於這個原因，許多開發團隊採行了為製造而設計DFM，Design for Manufacturing 。製造成本是產品能否獲得經濟上成
6、功的關鍵決定因素，簡單地說，所謂經濟上的成功，必須藉由每個產品的銷售邊際利潤，以及公司可賣出多少產品能衡量。邊際利潤是製造商銷售價格和製造成本間的差額，各銷售的數量和價格有一大部分的是由產品的整體品質決定的。因此經濟上成功的設計指的是在縮小製造成本的同時一提升產品品質。而為製造而設計就是可以達到這個目標的方法之一。為製造而設計是必須要多部門團隊的，也就是說它整個流程是必須要包含好幾個部門的合作。團隊的合作，要有的良好的配合，必須有鮮明定義的目標及方法，並且是在決策制定過程中是非常地有幫助的。在實施為製造而設計的概念流程中概分為五個步驟，1.估計製造成本。-估算投入至產出之成本。2.降低元件成本
7、。-減少元件數及標準化元件。3.降低組裝成本。-降低組裝技術要求，簡化組裝方式加速組裝時間。4.降低資源生產成本。-減少生產技術周邊支援需求。5.考量為製造設計的決定在其他方面的影響。-是否因為製造設計而增加其他成本提高，如研發時間、產品品質。底下利用(圖 1.)來作流程說明專案設計估計製造成本降低零件的成本降低組裝的成本降低支援生產的成本考慮 DFM 對因素的影響重新計算製造成本是否滿意是否可接受的設計成果圖 1. 為製造而設計的方法流程2.2. 手動捲揚器（Hand Winch）捲揚器（Winch）前身是轆轤、手搖絞車及馬拉絞盤，自古代至 19 世紀一直在礦山中作輸送礦工及礦物之用的一個轉
8、動防滑的一個機構。後來帆船陽帆，漁船的收網也都利用這樣的裝置，現今在越野休旅車上似乎也成了標準配備。目前產品有使用交流電動捲揚器（AC Winch） 、直流電動捲揚器（DV Winch）手動捲揚器（Hand Winch）三種。它的工作原理是當捲動絞繩時利用棘齒原理，頂住齒輪使絞繩不被拉回。一個轉輪外圍加裝適當齒狀即成為棘輪(ratchet wheel)，可以由擺動或往復運動之機件驅動，而進行間歇轉動。簡單的棘輪機構如圖 2.所示。A 所示為棘輪， B 則為擺動桿，其上有驅動爪 C。 另有輔助爪 D 可以防止棘輪之倒退。圖 2. 簡單的棘輪機構3 本文在前文所提到的，手動捲揚器是屬低價位產品，所
9、以並不會有太多的利潤空間。因此，改善舊有產品設計，除了提升產品更好的品質之外，也希望能在生產過程中，可以提高生產品質，降低生產成本，以達到有更大的利潤的目標。3.1 機構改善設計原有產品以棘齒控制的方式，除了機構笨重外，使用過程也有金屬敲擊的聲響。當長期使用後的磨損，產生了控制不良的問題。因此，機構利用汽、機車煞車系統上的原理，將利用鼓式煞車(Drum Brakes)原理，亦即有一形狀類似鈴鼓的鑄鐵件，稱為煞車鼓(Brake drum)與輪胎固定並同速轉動。當煞車時運用油壓推動煞車靴(Brake Shoes)接觸煞車鼓內緣，藉由接觸產生之磨擦力來抑制輪胎之轉動以達成煞車之目的。新的捲揚器的煞車
10、，利用煞車鼓的原理，正常轉動時，是由傳動軸轉動傳動主輪。而當傳動主輪在逆轉時，就會帶動彈簧線在倒退時，擴撐而達到防止倒轉的機構設計。A 彈簧煞車鼓，B 正逆煞車彈簧 ，C 彈簧固定座，D 傳動主輪 ，E 傳動軸圖 3 煞車鼓機構分析3.2 舊產品零件分析首先本研究將舊有的產品，分解為各個圖 4.舊產品零件，並且計算出組合及基本原料成本，本產品是以鑄鐵(FC20)為主要零件材料。表 1. 舊產品分解後清單舊品 說明轉動搖桿重量：0.7Kg加工：3 分組裝：3 分本體重量：2.65Kg加工：12 分組裝：5 分棘齒護蓋重量：0.4Kg加工：3 分捲線從動輪重量：1.2 Kg加工：6 分組裝：1 分
11、棘齒襯軸重量：0.15Kg加工：4 分傳動主輪重量：0.15Kg加工：3 分正逆轉控制件重量：0.25Kg加工：8 分棘齒重量：0.3Kg加工：4 分防止逆轉爪重量：0.8Kg加工：3 分傳動軸重量：0.1Kg加工：6 分固定軸重量：0.5Kg加工：1 分整體重量約：7.15Kg整體組裝約：23 分設備施工：焊接技工零件總數：22 ( 含螺絲，插削 )(資料來源：昇宏企業工業社)在舊產品的分析中，利用為製造而設計的方法DFM，Design for Manufacturing 的理念，試圖減少產品的製造成本之可能性，降低零件的數量，降低支援生產的成本。並透過為組裝而設計（DFA，Design f
12、or Assembly）其主要原則：(1) 是否有可以消除或能夠合併的構件。(2) 是否存在可以省略的裝配程序或動作。尋求提高生產品質減少成本的生產製造目的。舊產品在主要棘齒的機構上，有較多的零件數，並且在本體零件上還需利用兩個零件作為組合，在重量上也只是應用經驗值而製造出所需的機構及本體的強度。在組裝上也需透過技術人員，以焊接的方式完成組裝。在 Karl T.Ulrich Steven D.Eppinger 5 指出能 將組裝改善的更快更容易。減少零件數、降低組合技術，是改進舊品的第一要務。本產品主要材質是以重量計算成本，因此在不破壞主體結構強度的狀況下，進行造型與重量的重新改造設計。機構上
13、也利用煞車鼓的原理，減少噪音的產生，以及減少損壞率。本更新設計前則利用 DFM 的五項原則作為審核：1.估算製造成本主構件：因為產品主要構成是以鑄造為主，目前鑄鐵(FC20)的加工成本約 1Kg 30 元左右，因此更新設計中產品的減重，就可以減少成本的支出。組裝件：焊接需要技術員工所需的勞動成本也較高，要改善組裝模式，減少組裝技術的需求，簡化組裝的步驟。雜費：原本螺絲部分的標準組件，使用了多種規格。假如能克服更改為統一標準構件可以減少訂製配件需求。 2. 降低元件成本標準構件成本：因其主要構件都是以外製，又有機構上的改變，因此，減少零件數視為主要考量。訂製構件成本：統一標準構件減少訂製配件的在
14、加工。3. 降低組裝成本透過為組裝而設計（DFA，Design for Assembly）其原則，檢核與修改構件組裝。是否有能夠合併的構件：其產品都是手工完成組裝，又組裝過程需有比較多的順序步驟要求，由副組件先行組合再整體組裝；是否有可以省略的裝配程序或動作：組裝中的技術要求也較高，減少組裝工具需求。4. 降低資源生產成本降低系統的複雜度：原本傳動軸的固定都是利用插梢方式，除了組裝過程繁複手工組合速度也降低。消除錯誤：因為插梢長短規格，施工中也容易混淆而產生不必要的錯誤。5. 考量為製造設計的決定在其他方面影響DFM 對更改設計時間、成本、品質及外在因素的影響：審視機構、組裝方式的改變，更改設
15、計後是否有反而增加成本。3.2 新產品零件分析針對舊產品分析影響成本部分加以改良，並且考慮組裝的成本考量後，將新產品零件分解作為與舊品分析比較，以下表二為新品零件表： 表 2. 新產品分解後清單新品 說明轉動搖桿重量：0.65Kg加工：3 分組裝：1 分本體重量：2.4Kg加工：8 分彈簧煞車鼓重量：0.35Kg加工：4 分捲線從動輪重量：0.95Kg加工：4 分組裝：1 分傳動主輪重量：0.25Kg加工：3 分彈簧固定作重量：0.2Kg加工：2 分正逆煞車彈簧重量：0.05Kg加工：1 分傳動軸重量：0.1Kg加工：3 分固定軸重量：0.05Kg加工：3 分整體重量約：5 Kg整體組裝約：1
16、3 分零件總數：18( 含螺絲，插削 )在新的產品再設計中，為了減少主體之重量，並且減少組合之動作與時間改為一體成形。也為了避免主體結構強度設計經驗值的依賴，使用了電腦輔助分析（Computer Aided Engineering,CAE）來做為主體結構強度設計的輔助。3.3 新產品主體結構分析利用電腦繪圖建立新舊產品實體模型，圖 4.舊品電腦建構實體模型圖 5.舊品電腦建構實體模型使用了電腦輔助分析過程中，給於相同的材質條件，相同作用力，相同網格密度（mech）而作分析，比對更改前後的應力分佈的差異，一方面也考慮是否有應力過度集中現象。圖3、4 為分析圖：圖 6.舊品電腦實體應力分析圖 7.
17、新品電腦實體應力分析圖面中紅色部分是為應力集中現象，如果是紅色區域大增，則表示其結構較為脆弱，容易斷裂區域。由分析結果應力集中現象相似，並未因造型及減重更改後產生應力不均。應用電腦輔助分析（Computer Aided Engineering,CAE）來做為主體結構強度設計的輔助，除了減少設計對實務經驗值的依賴外，一方面也可以降低對產品設計時，過或不及的結構強度的設計。3.4 小結由上表的設計後新舊品材料的比較，因為本產品目前在市面上正在銷售中，因此無法把零件細項成本詳細列出，但是由重量與組裝也能明顯的看出更改設計後的效能。目前鑄鐵(FC20)1KG 約 30 元左右，新設計的產品除了重量減輕
18、，減少鑄鐵的成本外，再旋轉的機構上，也做了改良的設計。(1)機能舊品：原本以棘齒控制的方式，除了笨重此外也應長期使用的磨損，當長期使用後就 由磨損，產生了控制不良的問題。操作時發出的聲響也大大影響產品品質。新品：利用用彈簧梢合的構造原理的設計，就有如像機車的鼓式煞車，當外來的拉力越強的時候，煞車的效果愈強。(2)造型舊品：外觀笨重，體幾較大。寬 15cm 高 22cm 深 17cm。新品：外觀看來，更為簡潔美觀精巧。寬 13cm 高 20cm 深 13cm。重量由約 7Kg降低到約 5Kg，由市價鑄鐵價錢計算，節省約60 元。(3)加工舊品：零件數的雜多增加組裝時的時間，整體組合時，需要焊接的
19、技術員工，換算工時薪資較高。新品：減少零件也減少組裝時間，整體組裝也更改為卯釘方式組合，轉變為一般作業員就可以施工方式。這樣的加工，省下了很多員工薪資成本。在工具產品的設計上，除了材料的改變、零件的數量、零件的大小，都可降低成本外，機構上的變化都將使成為設計的核心。但是，本產品並沒有太多的可以節省空間，於是可以透過 DFM 的精神，詳細的分析本產品個內容，也可以透過改善機構的靈感，完成節省成本的目標。除了提高產品的品質外，更能增加產品的銷售利潤更提供了設計上的方向與目標。4.結論與建議當今設計中，DFM 幾乎是所有產品開發過程中的重心，設計完成後能否生產？能否減少生產成本？這都是設計師在設計初
20、期就必須深入考量，設計師不再只是將設計案交給工程師就了事。因此，設計過程減少零組件、標準化零組件、簡化零組件組裝是降低成本，提高品值的主要主題了。DFM 的設計方法，假如是在大企業的時候，可能需要動著各大部門的配合合作。但是如果是在小企業的時候，反而是很好思考的方法，因為在小企業裏面大多是老板兼設計人員，因此，很多成本的考量，以及的製造組裝的思考，都可以一併納入設計開發。並且也會把新產品的開發所使用的機器納入為思考的範圍。產品組裝的時候，減少技術工的需求，也是目前中小企業一直努力的方向，所以，所有設計上的考量，也多會朝向簡易的組裝需求，減少對技術工的依賴。由上述的 DFM 五個步驟，作用於審視
21、設計過程就可以提高對產品設計的核心規格的需求，完成改善設計的目。工業設計師設計過程，最為欠缺的設計涵養，就是設計末端的生產製造部分。假如可以利用 DFM 的設計精神，必定能搞使設計發展更為流暢。更能達到完整的設計流程。因此建議工業設計的教育單位，能有一套更完整的教育模式，提供新學子能夠更輕易地完成學習的目的。5.參考文獻1. Dean, James W., Jr.; Gerald I Susman,. 1989 圖 8.新產品爆炸圖Organizing for Manufacturable Design ,Harvard Business Review. Boston Jan/Feb. 卷期
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