Введение

Проектирование продуктов с учетом технологичности производства

Дизайн для технологичности (также иногда известный как дизайн для производства или DFM) – это общепринятая инженерная практика, заключающаяся в проектировании продуктов таким образом, чтобы их было легко изготавливать. Эта концепция применяется практически во всех инженерных дисциплинах, однако ее реализация существенно различается в зависимости от используемой технологии производства. DFM описывает процесс проектирования или разработки продукта с целью упрощения производственного процесса и снижения производственных затрат. DFM позволяет выявлять и устранять потенциальные проблемы на этапе проектирования, что является наиболее экономичным способом их решения. На технологичность изготовления влияют и другие факторы, такие как тип и форма используемого сырья, допустимые отклонения в размерах и последующая обработка, например, отделка. В зависимости от конкретного производственного процесса существуют определенные рекомендации по применению DFM. Эти рекомендации помогают точно определить допустимые отклонения, правила и стандартные производственные проверки, связанные с DFM. Наряду с DFM, во многих организациях также применяется схожая концепция – DFSS (дизайн для Six Sigma).

для печатных плат (PCB)

В процессе проектирования печатных плат, DFM приводит к набору рекомендаций по проектированию, направленных на обеспечение технологичности производства. Это позволяет выявлять и устранять потенциальные производственные проблемы на этапе проектирования. В идеале, рекомендации DFM учитывают процессы и возможности производственной отрасли. Поэтому DFM постоянно развивается. По мере развития производственных компаний и автоматизации все большего числа этапов производства, эти процессы, как правило, становятся дешевле. DFM обычно используется для снижения этих затрат. Например, если процесс может быть автоматизирован машинами (например, установка и пайка компонентов SMT), то он, скорее всего, будет дешевле, чем выполнение его вручную.

Цель

Цель – проектирование с учетом снижения стоимости. Стоимость определяется временем, поэтому конструкция должна минимизировать время, затрачиваемое не только на механическую обработку (удаление материала), но и на подготовку станка с ЧПУ, NC-программирование, оснастку и множество других операций, зависящих от сложности и габаритов детали.

Время установки операций (перевернуть часть)

Если не используется 4-я и/или 5-я ось, станок с ЧПУ может обрабатывать деталь только с одного направления. Обрабатывается только одна сторона за раз (это называется операцией или op). Затем деталь необходимо переворачивать, чтобы обработать все её элементы. Геометрия элементов определяет, требуется ли переворачивать деталь или нет. Чем больше операций (переворотов детали), тем выше стоимость детали, поскольку это влечет за собой значительное время на подготовку и загрузку/выгрузку. Каждая операция (переворот детали) включает в себя время на настройку, время работы станка, время на загрузку/выгрузку инструментов, время на загрузку/выгрузку деталей и время на создание NC-программы для каждой операции. Если деталь требует только одной операции, то загрузка/выгрузка деталей производится только один раз. Если требуется 5 операций, то время на загрузку/выгрузку становится существенным. Наиболее эффективное решение – минимизировать количество операций (переворотов детали) для значительной экономии. Например, обработка поверхности небольшой детали может занимать всего 2 минуты, но настройка станка на это может занять час. Или, если есть 5 операций по 1,5 часа каждая, но общее время обработки составляет всего 30 минут, то за 30 минут обработки будет начислено 7,5 часов. Наконец, объем производства (количество деталей для обработки) играет критическую роль в амортизации времени на подготовку, программирование и другие виды работ в себестоимость детали. В приведенном выше примере, партия из 10 деталей может стоить в 7–10 раз дороже, чем партия из 100 деталей. Как правило, закон убывающей отдачи проявляется при объемах производства 100–300 штук, поскольку время на подготовку, специализированный инструмент и оснастка могут быть учтены в общей стоимости.

Тип материала

Наиболее легко обрабатываемые металлы включают алюминий, латунь и более мягкие металлы. По мере увеличения твердости, плотности и прочности материалов, таких как сталь, нержавеющая сталь, титан и экзотические сплавы, их обработка становится значительно сложнее и занимает больше времени, что снижает их технологичность. Большинство видов пластика легко поддаются обработке, хотя добавление стекловолокна или углеродного волокна может ухудшить обрабатываемость. Некоторые особо мягкие и липкие пластики также могут представлять трудности при обработке.

Форма материала

Металлы встречаются в различных формах. В случае с алюминием, например, наиболее распространенными формами, из которых изготавливают механически обработанные детали, являются сортовой прокат и листовой прокат. Размер и форма компонента могут определять, какая форма материала должна быть использована. Как правило, в инженерных чертежах указывается предпочтительная форма материала. Стоимость сортового проката обычно составляет около половины стоимости листового проката в пересчете на фунт. Таким образом, хотя форма материала напрямую не связана с геометрией компонента, затраты можно снизить на этапе проектирования, указав наименее дорогую форму материала.

Допустимые значения

Важным фактором, влияющим на стоимость механически обработанной детали, является геометрическая точность, с которой должны быть изготовлены её элементы. Чем строже требуемая точность, тем дороже будет изготовление детали. При проектировании следует указывать максимально допустимый размер допуска, достаточный для выполнения функции детали. Допуски должны указываться для каждого элемента отдельно. Существуют конструктивные решения, позволяющие создавать детали с менее строгими допусками, сохраняя при этом их функциональность на уровне деталей с более строгими допусками.

Конструкция и форма

Поскольку механическая обработка – это вычитающий процесс, время, необходимое для удаления материала, является ключевым фактором, определяющим стоимость обработки. Объем и форма удаляемого материала, а также скорость подачи инструмента определяют время обработки. При использовании фрез, прочность и жесткость инструмента, которые частично зависят от соотношения длины к диаметру, оказывают наибольшее влияние на определяемую скорость. Чем короче инструмент относительно своего диаметра, тем быстрее его можно подавать через материал. Оптимальным считается соотношение 3:1 (L:D) или меньше. Если этого соотношения достичь невозможно, можно использовать подобное решение, показанное здесь. Для отверстий соотношение длины к диаметру инструмента менее критично, но все же должно быть менее 10:1. Существуют и другие типы элементов, стоимость обработки которых варьируется. Как правило, фаски обходятся дешевле, чем радиусы на внешних горизонтальных кромках. Для создания радиусов на кромках, не лежащих в одной плоскости, используется 3D-интерполяция, что увеличивает стоимость в 10 раз. Поднутрения обходятся дороже в обработке. Элементы, требующие использования более мелкого инструмента, независимо от соотношения L:D, обходятся дороже.

Конструкция для проверки

Концепция проектирования для инспекции (DFI) должна дополнять и работать в сотрудничестве с проектированием для технологичности (DFM) и проектированием для сборки (DFA) с целью снижения себестоимости продукции и повышения практической реализуемости производства. В некоторых случаях этот подход может приводить к сдвигам в сроках, поскольку требует значительных дополнительных затрат времени, например, на подготовку презентаций и документации для обзора проекта. Для решения этой проблемы предлагается, вместо периодических инспекций, организациям внедрять систему наделения полномочиями, особенно на этапе разработки продукта, когда высшее руководство предоставляет руководителю проекта право оценивать производственные процессы и результаты по критериям производительности, стоимости, качества и сроков разработки. Однако эксперты подчеркивают необходимость применения DFI, поскольку оно играет ключевую роль в контроле производительности и качества, определяя такие важные факторы, как надежность, безопасность и срок службы продукта. Для компании, производящей компоненты для аэрокосмической отрасли, где инспекция обязательна, необходимо обеспечивать соответствие производственного процесса требованиям инспекции. В этом случае используется такой механизм, как индекс пригодности к инспекции, который оценивает предлагаемые конструкторские решения. Другим примером DFI является концепция кумулятивной контрольной карты соответствия (CCC-диаграмма), применяемая при планировании инспекций и технического обслуживания систем, для которых доступны различные виды инспекций и технического обслуживания.

Конструкция для аддитивного производства

Добавочное производство расширяет возможности конструктора по оптимизации дизайна продукта или детали (например, для экономии материалов). Конструкции, разработанные для добавочного производства, зачастую существенно отличаются от конструкций, предназначенных для механической обработки или формовки. Кроме того, из-за ограничений по габаритам оборудования для добавочного производства, крупные изделия иногда разделяют на более мелкие секции с элементами для самосборки или направляющими для крепежа. Характерной особенностью методов добавочного производства, таких как моделирование методом наплавления, является необходимость во временных поддерживающих структурах для нависающих элементов детали. Удаление этих временных опор после обработки увеличивает общую стоимость изготовления. Детали можно спроектировать для добавочного производства, чтобы исключить или уменьшить потребность во временных поддерживающих структурах. Это достигается ограничением угла наклона нависающих элементов до значения, не превышающего допустимый предел для конкретного оборудования, материала и технологии добавочного производства (например, менее 70 градусов от вертикали).