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緊急のニーズに対応する製品設計と製造

2020年4月9日、Bruce Rose著 - 7分の閲読

緊急のニーズに対応する製品設計と製造

今や誰の目にも明らかなとおり、私たちはCOVID-19とそれにまつわる問題が存在する、今までとは違う世界に暮らしています。幸い、私たちが直面している様々な問題に対して、臨時的なソリューションを提供するために奮闘している企業や個人に関するニュースが頻繁に耳に入ってきます。医療機器の不足は今まさに深刻さを増しており、多くの企業がこの不足に対処するために、緊急で機器製造に追われています。当社は電源供給サプライヤーとして、「医療機器用の電源はどこで買えますか?」という質問を頻繁に受けます。

残念ながら、電子医療機器を製造するための電源やその他のコンポーネントの高い需要は今後も続き、近い将来供給が不足してくると当社では見ています。本ブログでは、コンポーネントが即時在庫対応できない理由と、この不足の問題に対する部分的なソリューションとなるかもしれない様々な活動についても議論していきます。

注文生産(BTO)、そしてジャストインタイム(JIT)

電子コンポーネントを数週間以内に数十万台レベルの生産に増やすということが困難である最大の理由は、過去数十年間にわたって堅実に開発されてきた、効率化のためのビジネスモデルが原因です。エレクトロニクス業界は他の多くの市場セグメントと同様に、効率化を図るために、注文生産(BTO)とジャストインタイム(JIT)というビジネスモデルを採用してきました。このような手法は、企業が長期的な予測を立て、近い将来より先の市場ニーズを予測する能力を持っている場合にはうまく機能します。残念ながら、BTOやJITの手法は、事業計画で目先に混乱が存在する場合にはうまく機能しません。

BTOとJITのモデルは、電子コンポーネントのメーカーを通して、これらのメーカーに卸すサプライヤーへと拡大していきました。効率化システムでは、サプライチェーン内のすべてのサプライヤーが、そのキャパシティで、あるいはキャパシティ付近で運用し、予測要件に沿って製品を製造します。目の前の需要や予測外に増加した需要に対処することは、前に予測された需要からの仕掛品(WIP)での既存の作業を新しい予測外の需要に割り当てることがしばしば求められます。医学的に認定されたコンポーネントでの場合、WIPはある医療アプリケーションから別の医療アプリケーションへと再割り当てされることになり、そのため、需要の拡大による混乱の改善ができない可能性があります。

他の機能では、電子コンポーネントの販売代理店は、BTOやJITにおけるバリアンスのバッファーとして機能しますが、販売代理店は、自分たちの顧客が通常必要とする在庫数のみを在庫に保存するようなモデルを開発しています。COVID-19の拡大というこの情勢の中、需要の大きな高まりにより購買の依頼が販売代理店の保有在庫を超過してしまい、販売代理店はサプライヤーのBTOおよびJITの待ち列の中に注文を入れなければなりません。

既存の医療製品の急ぎの大量生産を可能にする

このCOVID-19の感染拡大の中、既存の医療製品設計の生産量を迅速に増加させることが求められています。既存のデザインでは、内部コンポーネントがすでに選択されているため、オプションは、すでに仕様付けされたコンポーネントをもっと取得するか、許容可能な代替部品を見つけるか(「クロス」と呼ばれる)のいずれかになります。許容可能な代替部品の選択における課題は、その部品と同等の形状、適合、機能を持っていなければならない、ということです。

  • 形状: 同等の形状を持つということは、物理的な寸法が同じということです。
  • 適合: 機械的および電気的な接続を指します。
  • 機能: 元のコンポーネントと類似した様式で動作するということです。

一部の電源は、他の製造元からの適切なクロスとしての役割を果たすこともありますが、電源機能の要件は、顧客によって慎重に仕様付けされ評価される必要があります。元の電源データシートは、どの仕様が必要か、どの仕様が重要でないかを判定し、必要な仕様が満たされることを確実にするためにレビューされる必要があります。通常、2つの電源の間での仕様は完全には同一にはなりません。仕様における違いから、新規ベンダーが自分たちの電源がそのアプリケーションで機能するかどうかを確認することは、そのアプリケーションに慣れている顧客のエンジニアの多大な協力なしには困難です。

規制承認および免責事項

医療グレードの電源には、販売前に規制上の試験と承認が必要です。電源の設計や改良、あるいは新規製造施設の開設はすべて、規制上のテストの必要性や承認活動が生じる活動であり、これらの活動を完了するには多くの場合何週間もかかります。コンポーネントのテストに加えて、最終的な医療製品も規制上の試験や承認プロセスを受ける必要があります。

この「回路についてのすべて」からの記事は、現時点での人工呼吸器の設計や製造に関するその他のインサイトと情報を提供します。この記事で留意すべき点は、COVID-19の危機に対処するための人口呼吸器の認定に関して、米国と英国での規制当局の方針の変更に対する言及です。米国食品医薬品局からの文書のセクションIV は、FDAをクリアした機器に対する変更に関するポリシーの緩和に対処しています。

  • サブセクションBは、ハードウェアの変更について議論しています。
  • サブセクションDは、設計チームはハードウエアの変更を検証するためには、IEC 60601-1からのガイダンスを使うべきだと示唆しています。
  • サブセクションEは、既存のデザインが変更された場合のラベル付けのガイダンスを提供しています。

急ぎの生産を実現するための設計哲学

大量のコンポーネントを緊急に確保することは(パンデミックのような予測不可能な状況によって)問題となる可能性があると理解した上で、いくつかの設計上の意思決定によってこれらの課題を最小限に抑えることができます。高いレベルの設計哲学では、緊密に統合されたプラットフォームではなく、独立したモジュールで構成される製品を設計します。独立したモジュールとも言える例としては、電源とディスプレイがあります。このモジュールは機能的に同等である必要があり、形状と適合に関しても同等でなければならない場合がありますが、モジュール内のコンポーネントに対しては、形状、適合性、機能の点で同等である必要はありません。以下は、異なる内部コンポーネントを組み込んだ電源モジュールのアーキテクチャ例ですが、すべてがシステム要件を満たしています。

  • モジュールA: 1台の電源が必要とされるすべての出力電圧を生成する単一のAC-DC電源。
  • モジュールB: 各電源が必要とされる出力電圧の一部を生成し、その組み合わせで必要電圧のすべてを生成する複数のAC-DC電源
  • モジュールC: 必要な出力電圧を生成する複数のDC-DCコンバータを搭載した単一のAC-DC電源。
モジュールAの図
モジュールA:単一のAC-DC電源

モジュールCの図
モジュールB: 複数のAC-DC電源

モジュールCの図
モジュールC: DC-DCコンバータ付きAC-DC電源

AC-DC電源には、モジュール内にウォールマウントやデスクトップ外部電源を持たせることもオプションとして可能です。より少量生産の同等モジュールを多く構築するために十分な量のコンポーネントを取得する能力により、少量生産のモジュールのさまざまなバージョンを使用して、最終製品の大量生産を可能にできるかもしれません。システムのコスト、サイズ、性能は、モジュラー設計によって補完される可能性があることは認識されています。ただし、もし大量生産をおこなっている最適な設計を作る部品が必要な時に入手できない場合は、最適化された設計を少量生産するよりも、最適性の点ではサブ的な設計のものを大量生産する方がうまく機能する場合があります。

ほぼすべての外部電源やシャーシマウント電源には、入力コネクタと出力コネクタがあります。業界標準のコネクタを選ぶことで、複数のメーカーから十分適切なコンポーネント在庫を見つけることができるでしょう。製品設計チームがコネクタのことをよく知らない場合は、電源やコネクタのベンダーが適切な業界標準コネクタを選択できるようサポートしてくれます。

標準型および一般的な電源の電圧を指定することで、利用可能となる電源の確率を高めることができます。ほとんどのエンジニアは、7.8 VDCは標準電圧でもなく、一般的な電源でもないということに気がついていることと思います。ただし、製品負荷のセクションは9 VDCが必要で、これは12 VDCほどは一般的ではない標準電圧である可能性があることも認識すべきです。12 VDCを供給する電源モジュールを指定し、その後、その電圧要件のある負荷のセクションの9 VDCを生成するために、ディスクリート型、統合型、またはモジュール式リニアやスイッチング型のレギュレーターのいずれかを使用することにすれば、その設計のためのコンポーネントの入手が容易になるかもしれません。

概要

他の電子コンポーネントベンダーと同様、CUIでもお客様からの何万個ものご注文に数日あるいは数週間で対応したいと思っていますが、現実的にはご期待に添うことは困難です。市場に大量の製品を迅速に提供するための効率的なプロセスは、設計チームが早期に、かつ設計プロセス全体にわたってベンダーと協力し、達成可能なオプションを導入することです。

CUI Inc.では、COVID-19との闘いやそれにまつわる問題に個人的に貢献している世界中の方々に対して声援を送ります。CUIの従業員一同は、この困難な時期に目の前にある課題を解決すべく皆が協力し合い、それによってこの時期を最小限の被害で乗り越え、近い将来に元どおりのライフスタイルを再開できることを心から願っています。

カテゴリ: 業界ニュース

その他のリソース


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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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