DFM : Design For Manufacturing

Wprowadzenie

Design for Manufacturing (DFM) jest istotnym elementem szerszej metodologii Design For Excellence (DFX), która obejmuje różne zasady mające na celu poprawę jakości i niezawodności produktu, obniżenie kosztów i zwiększenie ogólnej produkowalności.

DFM koncentruje się na projektowaniu produktów w celu uproszczenia procesu produkcyjnego. Ta metoda zapewnia, że produkty mogą być wytwarzane w sposób ekonomiczny i o wysokiej jakości.

Ciekawostka: Elon Musk wykorzystuje Design for Manufacturing w ramach własnej metody projektowania. Przeczytaj artykuł: 5 kroków w projektowaniu wg Elona Muska.

Główne cele DFM

Podstawowymi celami DFM są:

• Redukcja kosztów: Metodologia DFM pomaga firmom znacznie obniżyć koszty produkcji. Obejmuje to minimalizację liczby części, stosowanie standardowych komponentów i projektowanie pod kątem efektywnego wykorzystania materiałów. Redukcja kosztów osiągnięta dzięki metodzie DFM jest w pełni zgodna z koncepcją projektowania pod kątem kosztów (DFC).
• Poprawa jakości: DFM pomaga redukować defekty i zmienność w procesie produkcyjnym, prowadząc do wyższej jakości produktów.
• Krótszy czas wprowadzenia produktu na rynek: Uproszczenie procesu produkcyjnego może prowadzić do skrócenia czasu produkcji, umożliwiając szybsze dostarczenie produktu na rynek.
• Zwiększona wydajność: DFM ma na celu usprawnienie procesu produkcyjnego, czyniąc go bardziej wydajnym i mniej podatnym na błędy.

Główne aspekty DFM

Poniżej przedstawiono przykładowe elementy DFM, koncentrując się na aspektach związanych z produkowalnością komponentów.

Wybór odpowiedniego materiału

Materiał należy wybierać na podstawie dostępności, kosztów, możliwości produkcji i przydatności do zamierzonego zastosowania. Celem jest użycie materiałów, które są łatwe w obróbce i spełniają wymagania dotyczące wydajności produktu.

Eliminacja kroku procesu

Najlepszym sposobem na zoptymalizowanie procesu jest jego eliminacja przy jednoczesnym zachowaniu rezultatów. Użyj szczegółowego diagramu procesu, aby zrozumieć wszystkie kroki wymagane do wyprodukowania części. Następnie należy rozważyć zmiany w projekcie produktu, które pozwoliłyby na wyeliminowanie określonych etapów procesu. Na przykład:

• Usunięcie opisu na dolnej stronie PCB lub, jeśli to możliwe, po obu stronach płytki. Wyeliminuje to proces sitodruku.

Zmniejszenie liczby narzędzi

W przypadku niektórych produktów zmniejszenie liczby narzędzi wymaganych do wyprodukowania części może być wykonalne. Na przykład:

• Rozważ standaryzację średnic otworów THT w projekcie PCB. Czy otwory 1,1 mm i 1,0 mm można zastąpić tylko 1,1 mm? Takie rozwiązanie zapewniłoby mniejszą liczbę różnych wariantów wierteł.

Optymalizacja wymiarów i tolerancji

Znajomość możliwości technologicznych producneta oraz ograniczeń procesowych jest bardzo ważna. Projektanci powinni zdefiniować cechy produktu z odpowiednimi wymiarami i możliwymi do osiągnięcia tolerancjami. Przykłady:

• PCB: Użyj szerszych ścieżek niż minimalna dopuszczalna szerokość podana przez producenta. Ułatwi to proces wytrawiania i zmniejszy ryzyko powstania otwartych połączeń (nadmiernie wytrawionych ścieżek).
• Obudowa z tworzywa sztucznego: Aby zwiększyć możliwości produkcyjne, należy dodać kąt pochylenia 1-3 stopni do wszystkich pionowych ścian. Taka zmiana ułatwia wyjmowanie z formy, zmniejszając ryzyko przyklejania się części i ograniczając wady na powierzchni. Redukuje również zużycie formy, wydłużając jej żywotność oraz poprawi stan wykończenia powierzchni części.
• Odlewy ciśnieniowe: Zastosowanie odpowiednich promieni może znacznie poprawić możliwości produkcyjne. Zamiast stosować ostre narożniki, zaprojektuj część z promieniem minimum 3-5 mm na wszystkich wewnętrznych i zewnętrznych narożnikach. Taka modyfikacja poprawia przepływ stopionego metalu w formie, zmniejszając turbulencje i ryzyko koncentracji naprężeń. Poprzez złagodzenie tych krawędzi, prawdopodobieństwo wystąpienia wad, takich jak pęknięcia i puste przestrzenie, jest zminimalizowane, co skutkuje wyższą jakością odlewu i zmniejsza potrzebę zastosowania dodatkowej obróbki po procesie odlewania.
• Obróbka CNC: Określenie szerszych tolerancji dla niekrytycznych wymiarów może poprawić możliwości produkcyjne poprzez zmniejszenie precyzji wymaganej podczas produkcji. Przyspiesza to proces obróbki i obniża koszty przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnej jakości części.

Odnośnie tematów związanych z montażem (łączeniem różnych części), przeczytaj artykuł Design For Assembly (DFA).

Standardy i zalecenia

Polecam zapoznanie się z opracowanymi przez branżę standardami. W produkcji elektroniki takie wytyczne można znaleźć w dokumentach stworzonych przez organizację IPC. Na przykład:

• IPC-2220 (a series of documents related to PCB design)
• IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard
• IPC-7352 Generic Guideline for Land Pattern Design
• IPC-7093 Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination Components (BTCs)
• IPC-7095 Design and Assembly Process Implementation for Ball Grid Arrays (BGAs)

Zalety DFM

• Redukcja kosztów: Optymalizując projekty pod kątem możliwości produkcji, firmy mogą znacznie obniżyć koszty produkcji.
• Wyższa jakość: Produkty zaprojektowane zgodnie z zasadami DFM mają zwykle mniej defektów i wyższą jakość.
• Skrócenie czasu wprowadzania produktów na rynek: Uproszczone procesy produkcyjne mogą prowadzić do skrócenia czasu produkcji, umożliwiając szybszą realizację dostaw na rynek.
• Większa wydajność: DFM pomaga usprawnić procesy produkcyjne, obniża koszty i poprawia ogólną wydajność.

Wady DFM

• Większe początkowe koszty: Wdrożenie zasad DFM może wymagać początkowej inwestycji w szkolenia, narzędzia i wysiłki związane z przeprojektowaniem.
• Ograniczenia przy projektowaniu: Skupienie się na możliwościach produkcyjnych może w niektórych przypadkach ograniczyć kreatywność i innowacyjność projektu.
• Trudność we wdrożeniu: Integracja zasad DFM z istniejącymi procesami projektowymi może być złożona i czasochłonna.

Podsumowanie

Design for Manufacturing (DFM) to kluczowa metodologia w ramach szerszej koncepcji DFX, która koncentruje się na projektowaniu produktów w celu uproszczenia i optymalizacji procesu produkcyjnego. DFM pomaga firmom wytwarzać produkty wysokiej jakości przy niższych kosztach i szybszym tempie poprzez priorytetowe traktowanie redukcji kosztów, poprawy jakości i wydajności.

Projektanci powinni rozumieć proces wytwarzania produktów, które tworzą, w tym różne metody produkcji, ich ograniczenia i typowe problemy związane z jakością. Bezpośredni kontakt z zespołem produkcyjnym jest bardzo korzystny. Najlepiej byłoby, gdyby projektanci spędzali czas pracując nad procesem, aby poznać techniki produkcji, wyzwania związane z przeróbkami lub naprawami (ang. rework i repair ) oraz koszty związane ze źle zaprojektowanymi produktami. Takie praktyczne doświadczenie pomaga w tworzeniu lepszych, bardziej opłacalnych projektów.