Modulariteit

Een van de concepten die centraal staan binnen de aanpak van Lean Product Mix betreft modulariteit.
Voor het pragmatisch en efficiënt maken van de vertaalslag van het 'Wat' naar het 'Hoe' en het inrichten van het CTO-proces is modularisatie cruciaal.
Nu is modulariteit een breed begrip met verschillende definities en toepassingen; daarom zal nu eerst een meer generieke beschrijving gegeven worden voor ons huidige toepassingsgebied: de high mix/low volume maakindustrie die producten in serie- & maatwerk ontwikkelen, produceren en verkopen.

Plaats in het LPM traject

In het totale traject om tot een lean product mix te komen met veel variatie voor de klant en beperkte complexiteit voor de organisatie neemt modulariteit een centrale plaats in. Daaraan ten grondslag ligt allereerst een visie en strategie m.b.t. datgene wat aan de markt aangeboden wordt en gewenste richtingen m.b.t. CTO/ETO processen. Volgend hierop is de  heldere definitie van productlijnen en -types en bijbehorende benamingen en een besluit over welk onderscheid tussen het 'Wat' en het 'Hoe' toegepast moet worden.

Het  succesvol doorvoeren van modularisatie is op haar beurt weer een belangrijke enabler van standaardisatie waarbij in de praktijk te zien is dat deze aktiviteiten nog al eens parallel kunnen lopen. Gestandaardiseerde modules zijn op hun beurt dan weer een belangrijk ingrediënt in een succesvolle product mix (of product portfolio, product assortiment).

Altijd modulariteit?

Door de vaak genoemde voordelige effecten van goed doorgevoerde modulariteit zou de indruk kunnen ontstaan dat je ten allen tijde zonder nadenken moet kiezen voor een modulaire aanpak; dat is echter niet zonder meer waar. Voor bepaalde industrieën/ productgroepen/ productievolumes zijn de voordelen van een geïntegreerde (niet-modulaire) produkt architectuur groter. Vier belangrijke aspecten:

Prestaties
Door alle deelfuncties van een systeem optimaal te integreren kan de prestatie van het geheel verbeteren; denk aan een lichtere constructie of snellere electronica

Betrouwbaarheid
Door het elimineren van de noodzakelijke interfaces tussen modules kan de kans op falen verminderd worden, denk aan elektrische connectoren. 

Product kostprijs
Door integratie kan de totale kostprijs per product verder geoptimaliseerd worden dan bij modularisatie door het wegvallen van interfaces en het verminderen van assemblagestappen.

Ontwikkelings inspanning
Door focus op slechts 1 productvariant is geen (vooruitlopende) effort nodig ​om de hele modulestructuur op te zetten en te onderhouden.
Voorbeeld Bij het ontwerp van elektrische kabelbomen voor machines of voertuigen wordt meestal het aantal modules geminimaliseerd tot wat nodig is voor het assemblageproces om zo min mogelijk storingsgevoelige verbindingen te hebben.

Principes richting modularisatie

Voor het ontwerpen van deze modulaire structuur (of modulaire architectuur) binnen de machine- & apparatenbouw kunnen een aantal richtinggevende principes onderscheiden worden. Deze principes kunnen  al dan niet in combinatie toegepast  worden afhankelijk van de kenmerken van de productfamilie en het zgn. voortbrengingsproces, het primaire proces vanaf klantorder t/m uitlevering.

Principe 1: Klantkeuzes

Zorg dat de modulestructuur zo veel mogelijk de structuur van de klantkeuzes ondersteunt.
Dit betekent niet dat de modulestructuur gelijk is aan de door de klant te maken keuzes maar dat bepaalde combinaties van klantkeuzes herleid kunnen worden tot bepaalde, duidelijk af te bakenen combinaties van modules. Dit raakt aan het eerder genoemde 'Wat vs. Hoe' principe.
Voorbeeld De klantkeuze  'comfort-uitvoering' leidt tot de modulevariant trillingsdemper + de modulevariant subframe geschikt voor trillingsdemper of bumpstop.
Pahl, G. and Beitz, W. (2013), Engineering Design: A Systematic Approach, Vol. 11, Springer Science & Business Media.

Principe 3: Maak/Koop besluiten

Laat modulegrenzen samenvallen met subsystemen/componenten waarvoor een maak/ koop besluit relevant is of zou kunnen worden in de toekomst. Op deze manier kan flexibel ingespeeld worden op de wens (of de noodzaak) uit te besteden of juist in huis te produceren. Doordat de scope van het component begrensd wordt door de (module-)interfaces kan beter functioneel gespecificeerd worden en is het product goed testbaar door de leverancier.
Voorbeeld Wanneer een machinebehuizing deels gespoten moet worden kan het handig zijn hierop een module-deling toe te passen; zo kan makkelijker besloten worden tot uitbesteding van het lakwerk naar een externe spuiterij.

Principe 5: Assemblage

Bepaal modules zodanig dat ze een logische samenhang hebben met de principiële stappen in het assemblageproces. Zo kan de kwaliteit van de hele module zekergesteld worden  binnen het betreffende productiestation in plaats van later aan het einde van de lijn. Ook zijn dan instructies en productievoorbereiding op een logische manier opgebouwd en begrensd. 
Merk op dat dit principe soms kan conflicteren met een van de andere principes (zoals 1 functie per module).
Voorbeeld Door een kabelgeleidings-constructie (vastgebout aan een basisframe) niet onderdeel te maken van 1 module samen met de kabelboom zelf (te monteren in aeen latere productiestap) wordt de aansturing overzichtelijker.

Principe 7: Homologatie/certificatie

Zorg dat modulegrenzen samenvallen met te homologeren of te certificeren eenheden in het systeem. Aangezien over het algemeen veel inspanning en doorlooptijd gepaard gaat met het aanvragen van nieuwe certificaten is het vaak verstandig om de modulegrenzen samen te laten vallen met de scope van de verschillende certificaten.
Voorbeeld Bij het definiëren van te certificeren remsystemen kan het beste zoveel mogelijk vermeden worden te refereren aan constructiekenmerken die afhankelijk zijn van andere modules zoals chassisvarianten of motorvarianten.

Principe 9: Ruimte reserveringen

Maak ruimte-reserveringen in de totaalstructuur voor modules met verschillende geometrische afmetingen. Hierdoor worden keuzes voor andere aangrenzende modules ontkoppeld van de varieerende afmetingen van de betreffende module. Dit moet uiteraard wel afgewogen worden tegen de functionele 'waarde' of 'prijs' van ruimte; soms is deze zo belangrijk voor de klant dat dit niet haalbaar is. 
Voorbeeld Op het gebied van electronica kan dit principe leiden tot bijvoorbeeld  overgedimensioneerde geheugencapaciteit of extra I/O aansluitingen op een printplaat.
Foerg, A., Stocker, J., Kreimeyer, M. and Lienkamp, M. (2014), “Enabling modularisation potentials by standardized vehicle layouts”, In: Laakso, M. and Ekman, K. (Eds.), Proceedings of NordDesign 2014, The Design Society, Espoo, Finland.

Historie

Modulariteit is al een oud concept en werd initieel vooral geassocieerd met bouw en architectuur, met in eerste instantie vooral aandacht voor gelijksoortige afmetingen (het Latijnse modul staat voor maat, maatstaf). Later werd dit ook toegepast op mechanisch complexere producten zoals machines, met naast het accent op geometrie ook het aspect functionaliteit. Juist die herkenbare en af te bakenen vervulling van een functie markeren het verschil tussen een 'bouwblok' en een 'module' (Miller, 1998). Met de opkomst van software kreeg modulariteit een nog verdergaande betekenis door het ontbreken van een fysieke dimensie en uiteindelijk wordt het idee toegepast op vele andere terreinen zoals onder meer services en onderwijs.
Defining Modules, Modularity and Modularization, Miller, D., 1998, Proceedings of the 13th IPS Research Seminar, Fuglsoe 1998.

Product, families en structuur

Wanneer de zojuist genoemde aspecten geen onoverkomelijke knelpunten blijken te zijn kan modularisatie met voordeel toegepast worden. Om te beginnen is het belangrijk om naar de scope te kijken: het modulariseren van slechts 1 product(uitvoeringsvorm) heeft namelijk weinig zin. Effect wordt pas behaald bij het modulariseren van een volledige productfamilie, of liefst nog het hele pallet van productfamilies dat aangeboden wordt aan de markt. In de praktijk wordt echter meestal gestart met 1 productfamilie  om vertrouwd te raken met de methodiek en succes te bewijzen. Toch is het ook dan van belang om bij de definities en benamingen alvast te kijken naar het totale programma; hiermee kan voorkomen worden dat in een later stadium de hele structuur aangepast moet worden.

Die structuur vertaalt zich in wat wel de 'product-architectuur' genoemd wordt: de samenhang van functies, componenten, interfaces en processen binnen een gehele productfamilie. In dit verband wordt soms ook wel over 'platform' gesproken als overkoepelend concept.
Voorbeeld 1 In de Automotive wordt het platform voornamelijk bepaald door de Body-in-White met daarbinnen speciaal de bodemplaat met alle interfaces naar de subsystemen die kunnen variëren per uitvoeringsvorm, zelfs over diverse merken heen.
Voorbeeld 2 In de software industrie wordt de architectuur zeer nauwkeurig en via formele documentatie vastgelegd met behulp van verschillende invalshoeken: proces afloopsdchemas, functie-decompositie, interface-beschrijvingen etc. 

Principe 2: Functionaliteit

Ontwerp de modulestructuur zodanig dat een module liefst 1 afgebakende (deel-) functie vervult (1 module- 1 functie). Dit is -zeker bij meer complexe en mechatronische systemen- niet altijd haalbaar maar zou wel het uitgangspunt moeten zijn. Betrouwbaarheid, testbaarheid en foutopsporing hebben hier baat bij.
Voorbeeld In oudere elektromechanische systemen zit de schakelfunctie vaak in een separaat relais dat gemakkelijk getest en vervangen kan worden; in modernere systemen is het een van de functies die (middels een transistor) geïntegreerd is in een ingegoten Electronic Control Unit samen met vele andere functies.

Principe 4: Uitwisselbaarheid

Ontwerp de modules op het hoogste niveau zodanig dat ze volledig uitwisselbaar zijn, dus dezelfde vaststaande interfaces hebben. Op deze manier kunnen relatief eenvoudig uitgebreide productlijnen aangeboden worden zonder veel repeterend engineeringswerk.
Voorbeeld Door verschillende vorm-varianten van vrachtwagencabines van identieke ophangposities te voorzien kunnen deze uitgewisseld worden op diverse chassisvarianten met hetzelfde bevestigingspatroon voor de ophangsteunen.
Lindh, B.-E. (1992), Scania and Its Vehicles, 1891-1991, Streiffert.

Principe 6: Serviceability

Creeer modules die op economisch verantwoorde manier uitgewisseld kunnen worden bij de klant ten behoeve van onderhoud en reparatie. De voorkeur is hier uiteraard om steeds hooguit 1 component/samenstelling te hoeven vervangen zodat de wisseltijd minimaal is evenals de foutkans.
Voorbeeld Het is logisch om de samenstelling van een los filter-element, een afstandsring en bevestigingsmaterialen als een module af te zonderen van het totale oliekoelingscircuit.

Principe 8: Basis unit

Definieer indien mogelijk een basismodule waarmee alle andere modules interfacen terwijl ze geen afhankelijke relatie tot elkaar hebben. Hiermee kunnen alle andere modules onafhankelijk van elkaar uitgewisseld en geoptimaliseerd worden. Consequentie kan wel zijn dat de basisunit dan voorzieningen bevat die niet voor alle uitvoeringsvarianten nodig is; deze 'inefficiency' wordt echter meestal ruim gecompenseerd door voordelen over het hele programma heen.
Voorbeeld Een klassiek voorbeeld van een dergelijke basisunit is de printplaat (PCB) als drager van componenten in een electronica-unit: in geval van een zgn. 'minderbestückung' blijven diverse verbindingspunten onbenut maar hoeft niet geïnvesteerd te worden in de ontwikkeling van een variant van de printplaat.
Erixon, G. (1998), Modular Function Deployment - A Method for Product Modularisation, The Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.

Principe 10: Klant irrelevantie

Bepaal modules zodanig dat functiedragers waarbij klantvariatie geen toegevoegde waarde heeft optimaal gestandaardiseerd kunnen worden. Door de niet-klantwens gevoelige functies te separeren kan makkelijker geoptimaliseerd worden zonder dat een aanpassing vereist is van prijslijsten, brochures of instructies.
Voorbeeld Ondersteunende systemen zoals olie/lucht koeling ten behoeve van het hoofd-aandrijfsysteem zijn meestal niet direct afhankelijk van de wensen van de klant; impliciet wordt aangenomen dat 'het gewoon werkt'.
Winterkorn, M. and Potsch, H.D. (2012), “Volkswagen Golf VII: Launch of a new era”, Sardinia.

Vanuit modularisatie principes naar modules

Bovenstaande principes zijn het startpunt voor het bepalen van een product architectuur en de bijbehorende modulestructuur. Per bedrijf en per type product zullen deze principes op verschillende manier gewogen worden; hierin zal de markt en de bedrijfsstrategie uiteindelijk leidend zijn. Om dit vervolgens ook in de praktijk effectief toe te kunnen passen zijn nog wel aanvullende richtlijnen en hulpmiddelen nodig. Deze zaken vormen het onderwerp van het volgende deel:
Modules - hoe leg je ze vast en waarmee moet je rekening houden?