Wie können Sie mit DFM Nacharbeiten reduzieren und die Wettbewerbsfähigkeit steigern?

Fertigungssysteme bestehen aus mehreren komplexen, miteinander interagierenden Prozessketten. Entscheidungen in einer Kette können weitreichende Auswirkungen auf die anderen Ketten haben. Die Integration von DFM (Design for Manufacturing) in den Entscheidungsprozess kann dazu beitragen, die Konstruktion zu vereinfachen und die Effizienz zu steigern.

Beispielsweise wirkt sich die Materialauswahl auf die Produktleistung, den Herstellungsprozess, die Ausrüstung, die Rohstoffversorgung und die Kosten aus.

Die Kernfrage moderner Fertigungstechnologie besteht darin, alle Aspekte gemeinsam zu berücksichtigen, um eine globale Optimierung zu erreichen.

Probleme und Herausforderungen des traditionellen Fertigungsmodells

In herkömmlichen Fertigungssystemen kümmern sich unterschiedliche Abteilungen um die einzelnen Abschnitte und konzentrieren sich dabei auf ihre eigenen Anforderungen, ohne andere Zusammenhänge zu berücksichtigen.

Diese Art der getrennten Verwaltung führt zu schlechter Kommunikation, häufigen Konflikten zwischen vorgelagerten und nachgelagerten Ketten, viel Nacharbeit, Ressourcenverschwendung und Schwierigkeiten bei der Erreichung einer globalen Optimierung, was die Effizienz und Effektivität der Unternehmen einschränkt.

Insbesondere bei der Trennung zwischen Design und Fertigung konzentrieren sich Designer auf das funktionale Design, während der Herstellungsprozess in der Verantwortung der Ingenieure liegt.

Das „Über-die-Wand-werfen“-Designmodell führt zu häufigen Nacharbeiten, Verarbeitungsschwierigkeiten, geringer Effizienz und steigenden Kosten.

Angesichts des harten globalen Wettbewerbs werden diese Probleme noch deutlicher.

Um die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern, müssen die Hersteller den Designprozess überdenken, Design for Manufacturing (DFM) einführen , die Produktqualität verbessern, die Kosten senken und schnell auf die Marktanforderungen reagieren.

Konzept von DFM

DFM (Design for Manufacturing) ist eine Methode, die Machbarkeit der Fertigung und wirtschaftliche Überlegungen in die Produktdesignphase einbezieht.

Der Kerngedanke besteht darin, den Herstellungsprozess zu optimieren, Kosten zu senken und eine effiziente Produktion unter Erfüllung der Funktions- und Leistungsanforderungen zu erreichen.

Das entscheidende Ziel von DFM ist die Herstellbarkeit. Dies bedeutet, dass das Design die technischen Anforderungen erfüllen und die eigentliche Herstellung erleichtern sollte.

1. Vorteile von DFM

(1) Früherkennung von Problemen und Reduzierung von Nacharbeiten :

Durch das Design können potenzielle Prozessprobleme frühzeitig aufgedeckt und Nacharbeiten vermieden werden.

(2) Kosten optimieren und Wettbewerbsfähigkeit verbessern :

Durch die Bewertung der Herstellbarkeit unterschiedlicher Designoptionen lässt sich die Option mit den niedrigsten Verarbeitungskosten auswählen, wodurch die Produktionskosten deutlich gesenkt werden.

 

Untersuchungen zeigen, dass der Designprozess zwar nur einen kleinen Teil der Produktkosten ausmacht, die Designphase jedoch 70–80 % bestimmt, während auf die Fertigungsphase lediglich 20–30 % entfallen.

Daher ist die Verbesserung der Qualität und Effizienz des Designs von entscheidender Bedeutung für die Reduzierung der Gesamtkosten und die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens.

2. Fallbeispiel: Optimiertes Design von Automobilkomponenten

Ein Automobilhersteller verwendete einen traditionellen Ansatz zur Konstruktion von Motoraufhängungen. Die Konstrukteure konzentrierten sich auf Funktionalität und Leistung, ohne die Herstellungsschwierigkeiten zu berücksichtigen.

Aufgrund der Komplexität des Halterungsdesigns kam es während der Produktionsphase häufig zu Nacharbeiten bei der Bearbeitung, was zu einem deutlichen Anstieg an Zeit und Kosten führte.

Mit der Einführung der DFM-Methode arbeitete das Designteam während der Entwurfsphase mit den Fertigungsingenieuren zusammen, um die Form der Halterung zu vereinfachen und sie für die Bearbeitung auf CNC-Maschinen zu optimieren.

Dadurch wurde die Bearbeitungszeit drastisch reduziert und etwa 20 % der Materialkosten eingespart.

Darüber hinaus wurden durch das vereinfachte Design die Bearbeitungsfehler um 30 % reduziert, was zu einer weiteren Verbesserung der Produktqualität führte.

Diese Verbesserung hat dem Unternehmen letztendlich dabei geholfen, die Produktionskosten in einem äußerst wettbewerbsintensiven Markt deutlich zu senken und gleichzeitig die Markteinführungszeit zu verkürzen.

3. Der Gesamtwert von DFM

Obwohl die Einführung von DFM den Zeit- und Kostenaufwand der Entwurfsphase erhöhen kann, kann diese Investition in den nachfolgenden Verarbeitungs- und Montagephasen kompensiert werden.

Im oben genannten Fall beispielsweise reduziert das verbesserte Design unnötige Korrekturen und Abstimmungen in der Fertigungsphase, verkürzt den Entwicklungszyklus und senkt die Produktionskosten.

Durch DFM können Unternehmen das Produktdesign optimieren und die Ziele einer hohen Qualität, niedriger Kosten und einer schnellen Reaktion auf die Marktnachfrage erreichen, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt deutlich gesteigert wird.

Tabelle 1 Vergleich der Vorteile von DFM und herkömmlichen Entwurfsmethoden

 

DFM-Methodik

Seit den 1970er Jahren ist den Ingenieuren bewusst, wie wichtig es ist, bei der Konstruktion auch den Herstellungsprozess zu berücksichtigen.

Es sind viele Entwurfsmethoden entstanden, die die Ideen des DFM widerspiegeln. Bei den meisten davon handelt es sich um qualitative Richtlinien, die im tatsächlichen Entwurf eine wesentliche Rolle spielen.

1. Axiomatischer Ansatz

DFM betont, dass gutes Design bestimmten Prinzipien oder Axiomen folgt und Designentscheidungen leitet, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.

Im Jahr 1977 fassten Wissenschaftler durch die Analyse guter Designs zwei grundlegende Axiome zusammen:

(1) Die Merkmale und Komponenten des Entwurfs müssen jeweils unabhängig voneinander die jeweilige funktionale Anforderung erfüllen.

(2) Ein guter Entwurf sollte die Funktion mit minimaler Komplexität realisieren, den Entwurf vereinfachen und die Informationsmenge reduzieren.

Obwohl diese Axiome abstrakt sind, können Ingenieure mit umfassender Erfahrung diese Richtlinien besser anwenden.

2. DFM-Richtlinien

DFM-Richtlinien sind spezifische Regeln, die auf langjähriger Design- und Fertigungserfahrung basieren und dazu beitragen, dass ein Design eine gute Herstellbarkeit behält und gleichzeitig die Kreativität des Designers genutzt wird. Typische Richtlinien umfassen:

(1) Reduzieren Sie die Anzahl der Teile

(2) Reduzieren Sie die Teilevielfalt

(3) Verwenden Sie nach Möglichkeit Standardteile

(4) Gestalten Sie ähnliche Merkmale mit einheitlichen Abmessungen

(5) Optimieren Sie die Bearbeitungsfläche. Wählen Sie die Außenflächenbearbeitung anstelle der Innenflächenbearbeitung.

3. Prozessorientiertes Design

Die prozessorientierte Konstruktion stellt sicher, dass die konstruierten Teile und Produkte mit einem bestimmten Verfahren hergestellt werden können.

Der Prozess kommuniziert seine Anforderungen normalerweise über Designrichtlinien.

Diese Richtlinien sind oft auf eine bestimmte Anlage, einen bestimmten Prozess oder eine bestimmte Art von Bearbeitungsmaschine spezialisiert.

Der Schlüssel zu DFM liegt darin, den Designern bereits in der frühen Entwurfsphase ein klares Verständnis der Prozessanforderungen und -einschränkungen zu vermitteln und so sicherzustellen, dass der endgültige Entwurf mit dem Prozess übereinstimmt.

Prozessgesteuertes Design lässt sich in zwei Kategorien einteilen: prozessspezifisches Design und gerätespezifisches Design.

DFM für den Prozess stellt sicher, dass die Designanforderungen der Teile für einen bestimmten Herstellungsprozess wie Gießen, Schmieden oder Stanzen geeignet sind.

In diese Kategorie fallen alle Guss-, Schmiede- und Stanzkonstruktionen.

Gerätespezifisches DFM entwirft Produkte, die auf einem bestimmten Gerät verarbeitet werden. Einige typische Anwendungsumgebungen sind:

Zu den typischen Anwendungsumgebungen zählen flexible Montage- und Fertigungssysteme, einzigartige flexible Schweißvorrichtungen oder Produktionslinien usw.

4. Gruppentechnologie-Hilfs-DFM

Group Technology (GT) ist ein Konstruktions- und Fertigungsverfahren.

Es reduziert die Informationsmenge im Fertigungssystem, indem es die Ähnlichkeit von Teilen in Form und Prozess erkennt.

Die Methode unterstützt Produktdesign, Herstellung und Management.

Wenn Konstrukteure das GT-System als Hilfe für DFM verwenden, ermitteln sie zunächst den Gruppencode des Teils basierend auf den funktionalen Anforderungen.

Anschließend werden durch eine Suche in der GT-Teiledatenbank ähnliche Teile gefunden.

Abschließend werden diese Teile entsprechend den neuen Anforderungen modifiziert, um ein neues Design zu erhalten.

Solange die hervorragende Herstellbarkeit der bereits in der Datenbank vorhandenen Teile sichergestellt ist, ist die Herstellbarkeit des neuen Designs gewährleistet.

Noch wichtiger ist jedoch, dass sich durch die Gruppierungstechnologie die Vervielfachung der Teiletypen wirksam kontrollieren und redundante Neukonstruktionen reduzieren lassen.

Dies spiegelt die Produktstandardisierung und Serialisierung von Designideen wider, sodass die Teiletypen des Unternehmens ein System bilden.

Neue Designs werden soweit wie möglich in bestehende Teiletypen gruppiert, was die Designeffizienz verbessert und die Verwaltung erleichtert.

Noch wichtiger ist jedoch, dass durch Prozessstandardisierung und Serialisierung die Herstellungskosten des Produkts gesenkt und der Produktionszyklus verkürzt werden können, was indirekt zu einer Verbesserung der Herstellbarkeit führt.

5. Implementierungsbarrieren

Trotz der vielen Vorteile der DFM-Methodik bestehen noch einige Hindernisse für ihre praktische Anwendung.

(1) Überfachliche Wissensanforderungen

DFM erfordert von Designern ein umfassendes Verständnis von Designfähigkeiten, Prozesskenntnissen und Unternehmensressourcen.

Heutige Designer konzentrieren sich normalerweise auf Designtheorien und -tools (z. B. Finite-Elemente-Analyse und 3D-Modellierung) und verfügen nicht über ein tiefgreifendes Verständnis für die Prozessauswahl und Kostenschätzung.

(2) Herausforderungen kollaborativer Arbeitsgruppen

DFM legt Wert auf funktionsübergreifende Teamarbeit, und Mitglieder der Design-, Prozess- und Werkzeugabteilungen sollten zusammenarbeiten.

Allerdings stellt die Organisationsstruktur eines Unternehmens häufig ein Hindernis für die abteilungsübergreifende Zusammenarbeit dar.

Der effiziente Einsatz temporärer Teams ist in der Praxis schwer umzusetzen, was zu einer mangelhaften Informationsübermittlung und verringerten Synergieeffekten führt.

Computergestützte DFM-Methode

Seit der Einführung von DFM in den 1970er Jahren war seine Implementierung aufgrund verschiedener Schwierigkeiten in traditionellen Designumgebungen eingeschränkt.

Mit der rasanten Entwicklung der Computer- und Kommunikationstechnologien in den 1980er Jahren erhielt DFM jedoch eine echte Entwicklungschance.

Dies sind die drei wichtigsten Faktoren für computergestütztes DFM (CAD + DFM):

1. Künstliche Intelligenz und Expertensysteme

Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und bei Expertensystemen haben es ermöglicht, einen „ Gesamtdesigner “ zu haben, der sowohl Design als auch Prozess versteht.

DFM-Expertensysteme, die auf CAD-Systemen (Computer-Aided Design) basieren, können die Herstellbarkeit eines Designs beurteilen, Designern helfen, Probleme frühzeitig zu erkennen und Änderungen vorschlagen.

Eigenschaften:

Das Expertensystem integriert Prozesswissensbasis und Ressourcendaten (z. B. Werkzeugmaschinen).

Bietet Online- oder stufenweise Bewertungen basierend auf verschiedenen Entwurfsphasen.

Die Auswertungsergebnisse umfassen Empfehlungen für Designverbesserungen.

2. Computernetzwerke und Kommunikationstechnologien

Durch die Entwicklung von Computernetzwerken können Design- und Prozessabteilungen effizient über das Netzwerk kommunizieren und potenzielle Probleme im Design umgehend erkennen.

Dies fördert eine enge Zusammenarbeit zwischen Design und Fertigung und vermeidet die Probleme von Informationsverzögerungen und Missverständnissen.

Vorteil :

Abteilungen können über das Netzwerk problemlos kommunizieren und Probleme schneller lösen.

Die Zusammenarbeit zwischen Design und Prozess verläuft reibungsloser.

3. Leistungsstarke Computer

Dank der Leistungsfähigkeit von Computern können Designer mehrere Designoptionen schnell bewerten und „Was wäre wenn“-Simulationen durchführen, um das Design zu optimieren.

Auf diese Weise können Designer bereits früh im Designprozess die am besten geeigneten Lösungen herausfiltern und so die Entscheidungseffizienz verbessern.

Formen computergestützter DFM-Systeme

Es gibt verschiedene Formen computergestützter DFM-Systeme, darunter die folgenden Hauptmethoden:

1. Wissensbasiertes Herstellbarkeitsbewertungssystem (DFM-Expertensystem)

Dieses System bewertet die Herstellbarkeit von CAD-Designs anhand einer Wissensdatenbank und Ressourcendaten. Es beurteilt die Stärken und Schwächen verschiedener Designalternativen und prognostiziert Herstellungskosten und Produktionszeit.

Vorteile:

Das DFM-System bleibt in sich geschlossen und lässt sich leicht modularisieren.

Bietet effektive Schätzungen der Herstellungskosten und -zeit.

Herausforderungen:

Während der Entwurfsphase (insbesondere in der Anfangsphase) sind die Entwurfsinformationen häufig unvollständig und es fehlen Prozessinformationen, was eine genaue Auswertung erschwert.

2. CAD/CAPP Paralleles interaktives Designsystem

Dieses System integriert CAD mit computergestütztem Prozessdesign (CAPP), um Design und Prozess zu synchronisieren.

Durch den Informationsaustausch in Echtzeit über ein Netzwerk können Fertigungsprobleme im Design sofort an die CAD-Abteilung zurückgemeldet werden.

Vorteile:

Das System unterstützt paralleles Design, sodass Produkt- und Prozessdesign nahezu gleichzeitig abgeschlossen werden.

CAPP-Unterstützung erleichtert DFM.

Herausforderungen:

Es erfordert ein leistungsfähiges Computerkommunikationssystem und Datenbankmanagement.

Paralleles Design kann zu einer längeren Designphase führen und eine komplexe Prozesssteuerung erhöht die Systembelastung.

3. Design for Manufacturing (DFM)-System

Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Ansätzen werden bei diesem Ansatz DFM-Elemente direkt in das CAD-System integriert, indem eine Bibliothek von Feature-Elementen basierend auf bestimmten Prozesstypen (z. B. Gießen, Schmieden, Schneiden usw.) und Fertigungsressourcen erstellt wird.

Der Designer modelliert mithilfe der Merkmalselemente in der Bibliothek und stellt so sicher, dass das Teil gut herstellbar ist.

Leistungen:

Direkte Einschränkungen im Teilekonstruktionsprozess verringern den Bedarf an Feedback für eine nachträgliche Bewertung.

Durch die einfache Interaktion zwischen CAD und CAPP wird die Komplexität der Merkmalsextraktion vermieden.

Herausforderungen:

Die begrenzte Größe der Feature-Bibliothek erschwert die Modellierung komplexer Strukturen.

Die Designflexibilität ist begrenzt und Designer müssen die Designabsicht in entsprechende Fertigungsmerkmale umsetzen.

Computergestütztes DFM ist ein integraler Bestandteil moderner Konstruktion und Fertigung.

Es integriert den Design- und Herstellungsprozess und nutzt fortschrittliche Computertechnologie.

Dies hilft Designern, Entwürfe effizienter zu bewerten und zu optimieren und Kosten zu senken.

Letztendlich können dadurch die Entwicklungszyklen verkürzt und die Herstellbarkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Produkte auf dem Markt verbessert werden.

Allerdings haben bestehende CAD-Systeme ihre Grenzen, insbesondere im Hinblick auf die aktive Entscheidungsunterstützung.

Mit dem technologischen Fortschritt entwickelt sich computergestütztes DFM jedoch zu einem Mainstream-Trend in der Branche.

Durch kontinuierliche Optimierung der Systemfunktionalität und abteilungsübergreifende Zusammenarbeit hilft DFM Unternehmen dabei, weltweit wettbewerbsfähig zu bleiben.

4. Diagramm: Computergestütztes DFM-Flussdiagramm

Nachfolgend sehen Sie eine vereinfachte Darstellung des computergestützten DFM-Workflows:

(1) Design Input : Vorläufige Designanforderungen für das Produkt.

(2) CAD-System : Vollständige geometrische Konstruktion und Fundamentalanalyse.

(3) DFM-Bewertung : Bewerten Sie das Design anhand der Kenntnisse über die Herstellbarkeit und empfehlen Sie Änderungen.

(4) CAPP-System : Liefert Feedback zur Prozessgestaltung und Herstellbarkeit.

(5) Empfehlungen zur Anpassung des Feedbacks : Auf Grundlage der Auswertungsergebnisse wird das Design so angepasst, dass es den Anforderungen an die Herstellbarkeit entspricht.

(6) Kosten-/Zeitschätzung : Prognostiziert die Herstellungskosten und -zeiten, um die Entscheidungsfindung zu unterstützen.

Durch diesen Prozess können Designer Entwürfe effizienter fertigstellen und sicherstellen, dass Herstellbarkeit und Produktivität maximiert werden.

Inhalt und Architektur von DFM

1. Arten von DFM

DFM (Design for Manufacturing) ist eine Designoptimierung zur Verbesserung der Produktherstellbarkeit und Kostensenkung. Es gibt zwei Typen: breit und eng.

(1) Breites DFM:

Einschließlich Montageorientierter Konstruktion (DFA) und Verarbeitungsorientierter Konstruktion (DFF).

DFA konzentriert sich auf die Vereinfachung der Produktstruktur und die Verbesserung der Montierbarkeit durch Reduzierung der Teileanzahl.

DFF konzentriert sich auf die Teilestruktur und die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung und optimiert Teile, damit sie zu vorhandenen Fertigungsressourcen passen.

(2) Enge DFM:

Es konzentriert sich parallel zu DFA auf das Design for Parts (DFF) und betont die Machbarkeit im Herstellungsprozess.

2. Drei Kernprobleme des DFM-Systems

(1) Fragen der strukturellen Herstellbarkeit (unabhängig von Ressourcen)

Das DFM-System wertet die Geometrie und Genauigkeit des Teils aus, um dessen Bearbeitbarkeit zu bestimmen.

Konstruktionen, die nicht konventionell bearbeitet werden können, z. B. für das Werkzeug unzugängliche Flächen oder Teile mit scharfen Ecken.

Schwer zu bearbeitende Konstruktionen, wie etwa dünnwandige Teile oder komplexe Bohrungen.

(2) Herstellbarkeitsprobleme (ressourcenbezogen)

Analysieren Sie, ob das Teil mit den verfügbaren Ressourcen hergestellt werden kann.

Bewerten Sie, ob die Genauigkeitsanforderungen die Bearbeitungskapazität der Werkzeugmaschine übersteigen.

Prüfen Sie, ob geeignete Werkzeuge zum Bearbeiten der Löcher im Bauteil vorhanden sind.

(3) Fragen der Fertigungsökonomie

Das DFM-System bietet Schätzungen der Herstellungskosten und Bearbeitungszeiten, um Designern bei der Optimierung ihrer Entwürfe zu helfen.

Die Bearbeitungskosten und die Bearbeitungszeit des Teils werden durch mathematische Modellierung geschätzt.

3. Beziehung zwischen DFM und CAD- und CAPP-Systemen

DFM ist eng mit CAD- (Computer-Aided Design) und CAPP-Systemen (Computer-Aided Process Planning) integriert.

Diese drei müssen Informationen und Funktionen integrieren und zusammenarbeiten.

DFM ist eine wichtige Methode, um sicherzustellen, dass Designs einfach herzustellen sind, Kosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden.

Indem sie sich auf die Struktur, den Ressourcenbedarf, die Details und die Wirtschaftlichkeit des Teils konzentrieren, können Designer den Produktentwurf und den Herstellungsprozess besser optimieren.

Durch die enge Integration mit CAD- und CAPP-Systemen gewährleistet DFM eine nahtlose Integration von Design, Prozess und Produktion und erhöht so die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte auf dem Markt.

Fazit

Der Bedarf an hoher Qualität, niedrigen Kosten und schnellen Reaktionszeiten hat DFM (Design for Manufacturing) zu einem zentralen Designkonzept gemacht.

Der traditionelle DFM-Ansatz ist jedoch eher ein theoretischer Leitfaden und nur durch die Kombination von Computertechnologie kann DFM sein Potenzial und seinen Anwendungswert wirklich ausschöpfen.

Das theoretische Modell des computergestützten DFM-Systems ist noch nicht vollständig ausgereift und auch die Forschungsmethodik muss verbessert werden.

Dies erfordert eine eingehende Untersuchung und Verbesserung der praktischen Anwendung. Eine eingehende Untersuchung der DFM-Technologie wird die Wettbewerbsfähigkeit der Fertigungsindustrie erheblich steigern und ist von großer strategischer Bedeutung.

Bei Ruiyi nutzen wir erfahrene Ingenieure und computergestützte DFM-Systeme, um unsere Kunden zu bedienen und ihre Anforderungen an Produktqualität und Kosten zu erfüllen.