化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計

化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計2024/3/25化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計設計決勝(CbD,QbD)5%70%80%-據(jù)統(tǒng)計企業(yè)花費5%的預算用于設計。-產(chǎn)品成本70%是由設計決定的。-80%的質(zhì)量問題是由于設計原因引起的。質(zhì)量杠桿產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)控制工藝設計產(chǎn)品設計當流程改善不能幫助我們提高時，我們需要設計新的生產(chǎn)工藝或操作流程2化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計QbD質(zhì)量源于設計摘自“ImplementingQualitybyDesign-FDA”問題：Abletoachievereasonablequality–butatagreateffortandcostFocusedonchemistrybutnotonotherimportantareas(e.g.,engineering)Forsomeproducts,wasteashighas50%目標：Amaximallyefficient（高效）,agile（敏捷）,flexible（靈活）pharmaceuticalmanufacturingsectorthatreliablyproduceshighqualitydrugproducts好處：Allowsforpossiblereductioninoverallcostsofmanufacturing–lesswasteImprovesinteractionwithFDA–dealonasciencelevelinsteadofonaprocesslevelAllowsforcontinuousimprovementsinproductsandmanufacturingprocessCQAs關(guān)鍵質(zhì)量CQAs/CMAs/CPPs關(guān)健參數(shù)ControlStrategy控制策略DesignSpace

設計空間QTPP產(chǎn)品質(zhì)量目標3化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計愿景未來的原料藥車間應該設計的像家用冰箱一樣，操作起來既簡單又穩(wěn)健。為此，傳統(tǒng)的原料藥車間不僅在工程設計方面，而且在操作運行方面也需要創(chuàng)新化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計設計的問題什么是最優(yōu)設計怎么進行設計?性能質(zhì)量好用簡單約束穩(wěn)健5化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計設計=科學+經(jīng)驗！歐洲：經(jīng)典設計理論日本：穩(wěn)健性設計理論蘇聯(lián)：創(chuàng)新設計理論美國：公理設計理論現(xiàn)代設計理論現(xiàn)代企業(yè)研發(fā)工程師欠缺不是專業(yè)技術(shù),而是系統(tǒng)的設計方法美國：六西格瑪設計設計時一個映射的過程。功能的實現(xiàn)是能量、信息的轉(zhuǎn)換。創(chuàng)新是有規(guī)律可循的。TRIZ方法是實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的規(guī)律體系。質(zhì)量是要設計到產(chǎn)品中去的；系統(tǒng)設計；參數(shù)設計；容差設計。保持功能要求的獨立性；信息含量最小化原則;評價產(chǎn)品設計質(zhì)量好壞的標準追求六西格瑪質(zhì)量；零缺陷;設計過程中相關(guān)的工具和方法，象QFD,FMEA等6化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計設計基礎(chǔ)理論用戶域

{CA}功能域

{FR}物理域

{DP}過程域

{PV}產(chǎn)品定義產(chǎn)品設計工藝設計

定義：產(chǎn)品市場和客戶的抽象概括設計元素:(CN用戶需求

定義：反映產(chǎn)品所具有的特定用途和特性

設計元素:(FR功能要求，C約束）定義：實現(xiàn)功能要求的物理結(jié)構(gòu)的集合設計元素:(DP設計參數(shù))定義：描述整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和方法設計元素:(DV工藝變量)7化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計設計過程域的映射閘閥設計FR氣液體通斷控制FR1啟閉FR3連接FR2密封DP閘閥DP1啟閉機構(gòu)DP3連接機構(gòu)DP2密封機構(gòu)DV閘閥操作DV1旋轉(zhuǎn)DP3緊固DP2壓緊8化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計起源：1977年起，NamP.Suh教授在MIT成立了一個制造研究和教育中心——制造和生產(chǎn)實驗室，并且把建立設計和制造原則作為該實驗室的基本任務。通過多年的研究和實踐，總結(jié)和歸納出了設計的基本公理和原則，于1990年出版了專著《設計原理》，自此，一種新的概念性的設計方法（設計理論）——公理化設計理論誕生了內(nèi)容兩大公理16個定理8個推論目標：證實設計學是可以成為大多數(shù)人能把握的一門設計科學；增強設計的創(chuàng)造性、設計方案的穩(wěn)健性和可制造性及可維護性；建立能使企業(yè)受益的設計科學基礎(chǔ)、設計平臺和企業(yè)文化氛圍；提升設計學的科學性，再生和創(chuàng)造現(xiàn)行自主設計開發(fā)能力把系統(tǒng)、硬件、軟件設計成可控、可靠、可高質(zhì)量地制造。9化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理1：獨立性公理公理1（獨立性公理）：保持功能要求的獨立性在設計過程中產(chǎn)品功能要求之間的相互影響越小（一個設計參數(shù)只影響到一個功能參數(shù)）。則產(chǎn)品最終的性能越好。設FR為功能需求向量，DP為相應的設計參數(shù)向量，則從功能域到結(jié)構(gòu)域的映射可以用下式來表示，稱為設計方程組：設計矩陣若A為對角矩陣，則每個FR可以通過調(diào)整某一個DP來保證，而不影響其他的FR。因此，對角矩陣滿足獨立性公理，這樣的設計稱為非偶合設計若A為三角矩陣，獨立性公理也可以被滿足，則這樣的設計稱為準偶合設計。若A為其他形式的矩陣，則稱之為偶合設計。不滿足獨立性公理，應分解偶合。10化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-獨立公理范例冷熱水龍頭（獨立公理）11化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-獨立公理范例結(jié)晶攪拌設計（獨立公理）12化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計信息公理公理2（信息公理）：力求設計信息含量最少在滿足獨立性公理的條件下,信息含量最小的設計方案為最佳方案。它是用來對設計方案進行評價和比較的原則。信息公理表明，具有最高成功概率的設計，即具有最小信息含量的設計是最好的設計。一個給定功能（FRi）的信息含量Ii是由滿足的概率Pi定義：FR偏差設計范圍系統(tǒng)范圍概率密度Acr13化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計信息公理-案例傳動軸部件的結(jié)構(gòu)設計只需用5種彈簧卡圈，便可代替原來螺栓、螺母、墊圈、軸套等11種零件，大大簡化了產(chǎn)品設計。

14化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計Slide15信息公理-案例滴加操作調(diào)節(jié)開度0~100%開關(guān)0~1化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計Slide16信息公理-案例①②③④⑤⑥化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計Slide17信息公理-案例數(shù)字化，只需看號（在批記錄中引用編號）可視化，只需看圖套餐化，無需自行搭配化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計的推論根據(jù)上面的兩條設計公理，可以進一步得出下面的8條推論/規(guī)則：①偶合設計的解偶。如果功能需求之間是偶合的（相關(guān)的），那么，設法使它們解偶。②功能需求最小化。使功能需求和約束的數(shù)量為最小。③設計特征集成化。在得出的設計解中，如果功能需求可以被獨立地滿足，那么盡可能地將設計特征集成到一個零件上。④零件標準化。如果功能需求和約束允許，盡量使用標準化零件或可互換零件⑤形狀對稱性。如果功能需求和約束允許，盡量使用對稱形狀零件，以減少信息內(nèi)容。⑥公差最大化。定義盡可能大的公差。⑦具有可能少信息的非偶合設計方案。在滿足一組功能需求的條件下，尋找一個比偶合的設計方案包含更少信息的非偶合的設計方案。⑧標量的等效正交性。具有偶合矩陣或元素的標量的等效正交性是1。（若轉(zhuǎn)置矩陣A‘=逆矩陣A-1，則A稱為正交矩陣，且當i=j時，∑aikajk=∑akiakj=1）18化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-解耦范例19化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-解耦范例20化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-最簡設計奧卡姆剃刀原理：若無必要，勿增實體奧卡姆剃刀（Occam‘sRazor,Ockham’sRazor），是由14世紀邏輯學家、圣方濟各會修士奧卡姆的威廉提出。他在《箴言書注》2卷15題說“切勿浪費較多東西，去做‘用較少的東西，同樣可以做好的事情’。”設備，管線，儀表以及操作最少（避免，替代，合并，集成設備）系統(tǒng)設計時需要考慮的問題確實需要這個過程和設備嗎？這種功能是否可以有外部服務來替代能否將此步驟和其他步驟合并從而剔除該步驟他對于用戶有價值嗎？避免出現(xiàn)做，撤銷，再做的步驟加熱—冷卻—再加熱濃縮--稀釋—再濃縮分離—混合—再分離21化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-最簡設計案例F35戰(zhàn)機操作界面Su27戰(zhàn)機操作界面化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-最簡化案例觀察數(shù)字大小觀察紅綠燈切換23化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-最簡化范例蒸餾終點操作：取樣1,2,3測試樣品水含量物料粘度蒸餾終點操作：冷凝器進口溫度T同理：蒸干終點操作：攪拌扭矩24化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-最簡化案例冷凝下來的液體還要再冷卻嗎？25化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-集成化設計注意：零件耦合而不是功能耦合26化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-集成化范例27化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-集成化案例保溫離心打漿溶解過濾三合一28化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-標準化案例模塊化定義：把項目分解成一個結(jié)構(gòu)上，物理上的和功能上獨立的模塊組成的架構(gòu)建立對于所有主要項目活動都適用的概念，然后逐一通過模塊重復實現(xiàn)由模塊組成的柔性的產(chǎn)品或系統(tǒng)，能夠適應多樣化的需求和組織專業(yè)化生產(chǎn)，可快速組合成新產(chǎn)品，通過通用接口實現(xiàn)技術(shù)集成。29化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-標準化案例蒸汽冰鹽水回冰鹽水去乙二醇回乙二醇去5度水去5度水回標準的接口（管口距離、排列、功能）便于模塊的互換化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計公理設計-對稱性案例進水管道回水管道高溫常溫低溫化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計TRIZ設計TRIZ,俄語縮寫“ТРИЗ”即“發(fā)明家式的解決任務理論”TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒所提出的，他從1946年開始領(lǐng)導數(shù)十家研究機構(gòu)、大學、企業(yè)組成了TRIZ的研究團體，通過對世界高水平發(fā)明專利（累計250萬件）的幾十年分析研究，提出了有關(guān)發(fā)明問題的基本理論。創(chuàng)新等級劃分32﹪的問題可以利用個人的專業(yè)知識解決,45﹪的問題為少量改進,僅涉及到單一工程領(lǐng)域,18﹪的問題對技術(shù)系統(tǒng)的根本改進,涉及不同工程領(lǐng)域,

4﹪的問題利用全新的工作原理來完成主要功能,1﹪的問題先驅(qū)式的革新,涉及到整個人類已知范疇,。理論核心包括：總論（基本規(guī)則、矛盾分析理論、發(fā)明的等級）、解決技術(shù)問題的39個通用工程參數(shù)及40個發(fā)明方法，物場分析與轉(zhuǎn)換原理及76個標準解法，發(fā)明問題的解題程序（算子），

32化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計39個標準參數(shù)33化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計40條發(fā)明原理34化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計矛盾矩陣表35化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計TRIZ設計-案例打樁機-傳統(tǒng)的打樁機工作模式，錘子直接接觸樁頂，把樁打人地基的同時也可能使樁頂發(fā)生破裂為利用分割原理改進后的打樁機工作模式，在樁頂加上一個砂袋。這樣既提高了打樁的效率，也保證了樁頂不發(fā)生疲勞破裂將樁打人地基標準參數(shù)10:力;確保樁頂不發(fā)生破裂標準參數(shù)30:外部有害作用于物體，查矛盾矩陣表得到4條可能用來解決兩者矛盾的發(fā)明原理，分別為:發(fā)明原理1:分割;發(fā)明原理35:參數(shù)變化;發(fā)明原理40:復合材料;發(fā)明原理18:機械振動36化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計TRIZ設計-案例欲改善問題:解決使用上方便性避免惡化:切割蛋糕體積大小工程參數(shù)33使用方便性工程參數(shù)8固定體積發(fā)明原則:31多孔材料4.非對稱性多孔--》避免刀與蛋糕間產(chǎn)生真空，無法剝離37化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計TRIZ設計-案例用冰水清洗濾餅解決問題：剛開始出來的水溫較高工程參數(shù)：17溫度,27可靠性解決方案：,10預操作，19周期性作用,35參數(shù)變化,3局部質(zhì)量增加一個循環(huán)泵提前循環(huán)，水溫達到時再開水10．預先作用原則a．預先完成要求的作用(整個的或部分的)b．預先將物體安放妥當，使它們能在現(xiàn)場和最方便地點立即完成所需要的作用。38化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計TRIZ設計-案例分割原理是TRIZ(發(fā)明問題解決理論)40條創(chuàng)新原理的第1條TRIZ對分割原理的解釋是：“分割原理是指這樣一種過程，其以虛擬方式或?qū)嵨锓绞綄⒁粋€系統(tǒng)分成若干部分，以便抽取或合并一種有益的或有害的系統(tǒng)屬性。在多數(shù)情況下，可對各部分進行重組（合并），以執(zhí)行某些新的功能，并（或）消除某一問題?；ぶ扑庮I(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計Slide40穩(wěn)健設計起源

穩(wěn)健性設計是日本著名的質(zhì)量管理專家田口玄一博士于70年代初創(chuàng)立的質(zhì)量管理新技術(shù)。這是一種新穎、科學、有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設計方法。通過調(diào)整設計變量以及控制容差使得可控因素以及不可控因素發(fā)生變異仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量解決問題：如何實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的設計？解決方案-對于制造工藝，使用環(huán)境，和材質(zhì)的差異等的影響是不敏感的。這樣的產(chǎn)品可以放寬對制造工藝，使用條件的要求，可以采用較低廉的原料，從而降低產(chǎn)品的成本增加企業(yè)的利潤化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計穩(wěn)健設計過程系統(tǒng)設計：運用系統(tǒng)工程的思想和方法，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、壽命、材料等進行綜合考慮，以探討如何最經(jīng)濟、合理地滿足用戶要求的整個設計過程參數(shù)設計：運用正交試驗法或優(yōu)化方法確定零部件參數(shù)的最佳組合，使系統(tǒng)在內(nèi)、外因素作用下，所產(chǎn)生的質(zhì)量波動最小，即質(zhì)量最穩(wěn)定質(zhì)量指標平均水平要達到設計的要求。質(zhì)量指標變異性要達到穩(wěn)健性的要求

容差設計：根據(jù)各參數(shù)波動對產(chǎn)品質(zhì)量特性貢獻的大小，從經(jīng)濟性角度確定最合理的容差大小。選擇低質(zhì)量等級的元件，實現(xiàn)質(zhì)量最好的整機。Slide41容差設計參數(shù)設計系統(tǒng)設計化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計穩(wěn)健性評價指標信噪比（S/N）用來描述抵抗內(nèi)外干擾因素所引起的質(zhì)量波動的能力，或叫產(chǎn)品的穩(wěn)定性或穩(wěn)健性。（均值平方與方差之比）靈敏度盡可能地接近達到設計目標值。將這種調(diào)整的效果稱為靈敏度質(zhì)量損失產(chǎn)品出廠后“給社會帶來的直接和間接損失”。質(zhì)量特性值偏離目標值越大，損失越大，即質(zhì)量越差，反之，質(zhì)量就越好。=設計二y2設計一y1化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計穩(wěn)健設計–案例化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計穩(wěn)健性設計-案例根據(jù)塔頂溫度出料根據(jù)靈敏板溫度出料在總壓一定的條件下，精餾塔板上的物料組成與溫度一一對應。當精餾過程受到外界干擾(或承受調(diào)節(jié)作用)時，塔內(nèi)不同塔板處的物料組成將發(fā)生變化，其相應的溫度亦將改變。其中，塔內(nèi)某些塔板處的溫度對外界干擾的反應特別明顯，即當操作條件發(fā)生變化時，這些塔板上的溫度將發(fā)生顯著變化，這種塔板稱之為靈敏板，化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計穩(wěn)健性設計-案例實現(xiàn)穩(wěn)健操作的終極方法：自動化操作執(zhí)行任務缺乏一致性記憶力問題液體液體真空真空45化工制藥領(lǐng)域如何進行創(chuàng)新設計DFSS(Designfor6σ)設計領(lǐng)悟用戶需求確定關(guān)鍵環(huán)節(jié)及技術(shù)難點分析優(yōu)化解決方案檢查解決方案與需求的匹配度設計流程提出概念化的解決方案DefineMeasureAnalyzeDesign