Как сократить объем доработок и повысить конкурентоспособность с помощью DFM?

Производственные системы состоят из множества сложных цепочек, взаимодействующих друг с другом. Решения, принятые в одной цепочке, могут оказывать волновой эффект на другие цепочки. Интеграция DFM (проектирование для производства) в процесс принятия решений может помочь упростить проектирование и повысить эффективность.

Например, выбор материала влияет на производительность продукта, производственный процесс, оборудование, поставку сырья и стоимость.

Основной вопрос современных производственных технологий — как учесть все аспекты в совокупности для достижения глобальной оптимизации.

Проблемы и вызовы традиционной модели производства

В традиционных производственных системах каждый участок обрабатывается разными отделами, которые сосредотачиваются на своих потребностях, не принимая во внимание другие связи.

Такое раздельное управление приводит к плохой коммуникации, частым конфликтам между восходящими и нисходящими цепочками, большому объему переделок, пустой трате ресурсов и трудностям в достижении глобальной оптимизации, что ограничивает эффективность и результативность предприятий.

Особенно в условиях разрыва между проектированием и производством дизайнеры сосредотачиваются на функциональном дизайне, в то время как процесс производства является обязанностью инженеров.

Модель проектирования «перебрасывание через стену» приводит к частым доработкам, трудностям в обработке, низкой эффективности и росту затрат.

Эти проблемы становятся еще более заметными в условиях жесткой глобальной конкуренции.

Для повышения конкурентоспособности производителям необходимо переосмыслить процесс проектирования, внедрить проектирование с учетом технологичности производства (DFM) , улучшить качество продукции, снизить затраты и быстро реагировать на требования рынка.

Концепция DFM

DFM (проектирование для производства) — это методология, которая учитывает технологическую осуществимость и экономические соображения на этапе проектирования продукта.

Основная идея — оптимизировать производственный процесс, сократить затраты и добиться эффективного производства при соблюдении функциональных и эксплуатационных требований.

Технологичность является важнейшей целью DFM, то есть конструкция должна соответствовать техническим требованиям и облегчать фактическое производство.

1. Преимущества DFM

(1) Раннее выявление проблем и сокращение доработок :

Проектирование может выявить потенциальные проблемы процесса на ранних этапах, предотвращая необходимость в доработке.

(2) Оптимизация затрат и повышение конкурентоспособности :

Оценка технологичности различных вариантов конструкции позволяет выбрать вариант с наименьшими затратами на обработку, что значительно снижает себестоимость продукции.

 

Исследования показывают, что хотя на процесс проектирования приходится небольшая часть себестоимости продукции, фаза проектирования определяет 70–80%, тогда как на фазу производства приходится всего 20–30%.

Поэтому повышение качества и эффективности проектирования имеет решающее значение для снижения общих затрат и повышения конкурентоспособности организации.

2. Иллюстрация кейса: Оптимизированная конструкция автомобильных компонентов

Производитель автомобилей использовал традиционный подход к проектированию опор двигателя, при котором конструкторы сосредоточились на функциональности и производительности, не принимая во внимание производственные трудности.

В результате на этапе производства, ввиду сложности конструкции кронштейна, в процессе обработки приходилось часто дорабатывать детали, что приводило к значительному увеличению времени и стоимости.

С внедрением методологии DFM группа конструкторов работала с инженерами-технологами на этапе проектирования, чтобы упростить форму кронштейна и оптимизировать ее для обработки на станках с ЧПУ.

Это значительно сократило время обработки и позволило сэкономить около 20% материальных затрат.

Кроме того, упрощенная конструкция позволила сократить погрешности обработки на 30%, что еще больше повысило качество продукции.

В конечном итоге это улучшение помогло компании значительно сократить производственные затраты на высококонкурентном рынке, одновременно сократив время вывода продукции на рынок.

3. Совокупное значение DFM

Хотя внедрение DFM может увеличить время и стоимость этапа проектирования, эти инвестиции могут быть компенсированы на последующих этапах обработки и сборки.

Например, в приведенном выше случае улучшенная конструкция сокращает ненужные исправления и согласования на этапе производства, сокращая цикл разработки и снижая производственные затраты.

С помощью DFM предприятия могут оптимизировать проектирование продукции и достичь целей высокого качества, низкой стоимости и быстрого реагирования на рыночный спрос, значительно повышая конкурентоспособность на рынке.

Таблица 1. Сравнение преимуществ DFM и традиционных методов проектирования

 

Методология DFM

С 1970-х годов инженеры осознали важность учета производственного процесса при проектировании.

Появилось множество методов проектирования, отражающих идеи DFM, большинство из которых представляют собой качественные рекомендации, играющие существенную роль в реальном проектировании.

1. Аксиоматический подход

DFM подчеркивает, что хороший дизайн следует определенным принципам или аксиомам, определяющим проектные решения для обеспечения технологичности.

В 1977 году ученые, проанализировав хорошие проекты, сформулировали две основные аксиомы:

(1) Характеристики и компоненты конструкции должны независимо друг от друга отвечать каждому функциональному требованию.

(2) Хороший проект должен реализовывать функцию с минимальной сложностью, упрощать конструкцию и сокращать объем информации.

Хотя эти аксиомы абстрактны, инженеры с большим опытом могут лучше применять эти рекомендации.

2. Руководство DFM

Руководящие принципы DFM — это конкретные правила, основанные на многолетнем опыте проектирования и производства, которые помогают проекту сохранять хорошую технологичность, используя при этом творческий потенциал проектировщика. Типичные руководящие принципы включают:

(1) Уменьшить количество деталей

(2) Уменьшить разнообразие деталей

(3) По возможности используйте стандартные детали.

(4) Проектирование схожих элементов с одинаковыми размерами

(5) Оптимизируйте поверхность обработки. Выберите обработку внешней поверхности вместо обработки внутренней поверхности.

3. Проектирование, ориентированное на процесс

Проектирование, ориентированное на процесс, гарантирует, что спроектированные детали и изделия могут быть изготовлены с использованием определенного процесса.

Требования к процессу обычно излагаются посредством руководств по проектированию.

Эти рекомендации часто разрабатываются специально для конкретного завода, процесса или типа обрабатывающего оборудования.

Ключевым моментом DFM является предоставление проектировщикам четкого понимания требований и ограничений процесса на ранней стадии проектирования, что гарантирует соответствие окончательного проекта процессу.

Проектирование, ориентированное на процесс, делится на две категории: проектирование, ориентированное на конкретный процесс, и проектирование, ориентированное на конкретное оборудование.

DFM для процесса гарантирует, что требования к конструкции деталей соответствуют конкретному производственному процессу, например, литью, ковке или штамповке.

В эту категорию попадают конструкции, ориентированные на литье, ковку и штамповку.

DFM, ориентированный на оборудование, проектирует продукты, которые будут обрабатываться на определенном оборудовании. Некоторые типичные среды применения включают.

К типичным сферам применения относятся гибкие системы сборки и производства, уникальные гибкие сварочные приспособления или производственные линии и т. д.

4. Группа технологий Вспомогательный DFM

Групповая технология (ГТ) — это метод проектирования и производства.

Он сокращает объем информации в производственной системе за счет распознавания схожести деталей по форме и процессу.

Метод поддерживает проектирование, производство и управление продукцией.

Когда инженеры-конструкторы используют систему GT в качестве вспомогательного средства для DFM, они сначала определяют групповой код детали на основе функциональных требований.

Затем осуществляется поиск похожих деталей в базе данных деталей GT.

Наконец, эти детали модифицируются в соответствии с новыми требованиями для получения новой конструкции.

Пока обеспечивается отличная технологичность деталей, уже имеющихся в базе данных, технологичность новой конструкции гарантирована.

Что еще важнее, технология группировки позволяет эффективно контролировать увеличение числа типов деталей и сокращать количество новых избыточных конструкций.

Это отражает стандартизацию продукции и сериализацию конструкторских идей, благодаря чему типы деталей предприятия образуют систему.

Новые конструкции максимально сгруппированы по существующим типам деталей, что способствует повышению эффективности проектирования и упрощает управление.

Что еще важнее, стандартизация и сериализация процессов могут снизить затраты на производство продукции и сократить производственный цикл, косвенно улучшая технологичность.

5. Препятствия к реализации

Несмотря на многочисленные преимущества методологии DFM, на пути ее практического применения все еще существуют некоторые препятствия.

(1) Требования к междисциплинарным знаниям

DFM требует от дизайнеров всестороннего понимания навыков проектирования, знания технологических процессов и корпоративных ресурсов.

Существующие проектировщики обычно сосредоточены на теориях и инструментах проектирования (например, конечно-элементном анализе и 3D-моделировании) и не имеют глубокого понимания выбора процесса и оценки затрат.

(2) Проблемы совместных рабочих групп

DFM делает акцент на кросс-функциональной командной работе, а сотрудники отделов проектирования, процессов и инструментальной оснастки должны работать сообща.

Однако организационная структура компании часто становится препятствием для кросс-функционального сотрудничества.

На практике сложно реализовать эффективную работу временных команд, что приводит к плохой информационной коммуникации и снижению синергетического эффекта.

Метод автоматизированного DFM

С момента появления DFM в 1970-х годах его внедрение было ограничено из-за различных трудностей в традиционных средах проектирования.

Однако с быстрым развитием компьютерных и коммуникационных технологий в 1980-х годах DFM получила реальную возможность для развития.

Вот три основных инструмента автоматизированного DFM (САПР + DFM):

1. Искусственный интеллект и экспертные системы

Достижения в области искусственного интеллекта и экспертных систем позволили создать « комплексного дизайнера », который понимает как процесс проектирования, так и сам процесс.

Экспертные системы DFM, созданные на основе систем автоматизированного проектирования (САПР), могут оценивать технологичность конструкции, помогать проектировщикам выявлять проблемы на ранних стадиях и предлагать модификации.

Особенности:

Экспертная система объединяет базу знаний о процессах и данные о ресурсах (например, станках).

Предоставляет онлайн- или поэтапные оценки на основе различных этапов проектирования.

Результаты оценки включают рекомендации по улучшению конструкции.

2. Компьютерные сети и коммуникационные технологии

Развитие компьютерных сетей позволило конструкторским и технологическим отделам эффективно взаимодействовать по сети и оперативно выявлять потенциальные проблемы в проектировании.

Это способствует тесному сотрудничеству между проектировщиками и производителями и позволяет избежать проблем, связанных с задержкой информации и недопониманием.

Преимущество :

Департаменты могут легко общаться через сеть и быстрее решать проблемы.

Взаимодействие между дизайном и процессом стало более плавным.

3. Мощные вычисления

Мощь компьютеров позволяет проектировщикам быстро оценивать несколько вариантов конструкции и проводить моделирование «что если» для оптимизации конструкции.

Таким образом, проектировщики могут отфильтровывать наиболее подходящие решения на ранних этапах процесса проектирования, повышая эффективность принятия решений.

Виды автоматизированных систем DFM

Существуют различные формы автоматизированных систем DFM, включая следующие основные методы:

1. система оценки технологичности на основе знаний (экспертная система DFM)

Эта система оценивает технологичность CAD-проектов с помощью базы знаний и данных о ресурсах. Она оценивает сильные и слабые стороны различных альтернативных вариантов дизайна и прогнозирует производственные затраты и время производства.

Преимущества:

Система DFM остается автономной и легко модулируется.

Обеспечивает эффективную оценку стоимости и сроков производства.

Проблемы:

На этапе проектирования (особенно на раннем этапе) информация о проекте часто бывает неполной и не содержит сведений о процессе, что затрудняет ее точную оценку.

2. Параллельная интерактивная система проектирования CAD/CAPP

Эта система объединяет САПР с системой автоматизированного проектирования процессов (CAPP) для синхронизации проектирования и процесса.

Благодаря обмену информацией в режиме реального времени по сети, проблемы, возникающие при проектировании, могут мгновенно передаваться в отдел САПР.

Преимущества:

Система поддерживает параллельное проектирование, завершая проектирование продукта и процесса практически одновременно.

Поддержка CAPP упрощает DFM.

Проблемы:

Для этого требуется мощная компьютерная система связи и управления базами данных.

Параллельное проектирование может привести к увеличению времени этапа проектирования, а сложное управление процессами увеличивает нагрузку на систему.

3. Система проектирования для производства (DFM)

В отличие от предыдущих двух подходов, этот подход включает элементы DFM непосредственно в систему САПР путем создания библиотеки элементов-характеристик на основе конкретных типов процессов (например, литье, ковка, резка и т. д.) и производственных ресурсов.

Конструктор моделирует, используя элементы конструкции из библиотеки, гарантируя, что деталь будет легко изготовить.

Преимущества:

Прямые ограничения на процесс проектирования детали снижают необходимость в обратной связи для оценки постфактум.

Простое взаимодействие между САПР и CAPP позволяет избежать сложностей извлечения признаков.

Проблемы:

Ограниченный размер библиотеки функций затрудняет моделирование сложных конструкций.

Гибкость проектирования ограничена, и проектировщикам приходится воплощать замысел проекта в соответствующие производственные характеристики.

Компьютеризированное DFM является неотъемлемой частью современного проектирования и производства.

Он объединяет процессы проектирования и производства, используя передовые компьютерные технологии.

Это помогает дизайнерам эффективнее оценивать и оптимизировать проекты, а также сокращать затраты.

В конечном итоге это может сократить циклы разработки и улучшить технологичность продукции и ее конкурентоспособность на рынке.

Хотя существующие системы САПР имеют свои ограничения, особенно в отношении активной поддержки принятия решений.

Однако по мере развития технологий компьютерное DFM становится основной тенденцией в отрасли.

Благодаря постоянной оптимизации функциональности системы и кросс-функциональному сотрудничеству DFM поможет компаниям конкурировать на мировом рынке.

4. Диаграмма: Блок-схема автоматизированного DFM

Ниже приведена упрощенная иллюстрация компьютерного рабочего процесса DFM:

(1) Входные данные для проектирования : Предварительные требования к проектированию продукта.

(2) Система САПР : Полное геометрическое проектирование и фундаментальный анализ.

(3) Оценка DFM : Оценить конструкцию на основе базы знаний о технологичности изготовления и рекомендовать изменения.

(4) Система CAPP : обеспечивает обратную связь по проектированию процесса и технологичности производства.

(5) Рекомендации по корректировке на основе обратной связи : На основе результатов оценки конструкция корректируется в соответствии с требованиями к технологичности изготовления.

(6) Оценка затрат/времени : Прогнозирует производственные затраты и время для принятия обоснованных решений.

Благодаря этому процессу проектировщики могут более эффективно завершать проекты и обеспечивать максимальную технологичность и производительность.

Содержание и архитектура DFM

1. Типы ДФМ

DFM (Design for Manufacturing) — это оптимизация дизайна для улучшения технологичности продукции и снижения затрат. Она подразделяется на два типа: широкий и узкий.

(1) Широкий DFM：

Включая проектирование, ориентированное на сборку (DFA), и проектирование, ориентированное на обработку (DFF).

DFA фокусируется на упрощении структуры продукта и улучшении собираемости за счет сокращения количества деталей.

DFF фокусируется на структуре деталей и экономике обработки, оптимизируя детали в соответствии с имеющимися производственными ресурсами.

(2) Узкий DFM:

Основное внимание уделяется проектированию деталей (DFF) параллельно с DFA и подчеркивается осуществимость процесса производства.

2. Три основных вопроса системы DFM

(1) Проблемы технологичности конструкции (независимо от ресурсов)

Система DFM оценивает геометрию и точность детали, чтобы определить ее обрабатываемость.

Конструкции, которые невозможно обработать обычным способом, например, поверхности, недоступные для инструмента, или детали с острыми углами.

Конструкции, которые сложно обрабатывать, например, тонкостенные детали или сложные отверстия.

(2) Проблемы технологичности (связанные с ресурсами)

Проанализируйте, можно ли изготовить деталь с использованием имеющихся ресурсов.

Оцените, выходят ли требования к точности за рамки возможностей обработки на станке.

Проверьте, имеются ли подходящие инструменты для обработки отверстий в детали.

(3) Вопросы экономики производства

Система DFM позволяет оценить производственные затраты и время обработки, помогая проектировщикам оптимизировать свои конструкции.

Стоимость и время обработки детали оцениваются с помощью математического моделирования.

3. Связь между DFM и системами CAD и CAPP

DFM тесно интегрирован с системами CAD (системы автоматизированного проектирования) и CAPP (системы автоматизированного планирования технологических процессов).

Эти три элемента должны интегрировать информацию и функции и работать вместе.

DFM — это ключевой метод, позволяющий обеспечить простоту изготовления конструкций, снижение затрат и повышение эффективности.

Сосредоточившись на структуре детали, потребностях в ресурсах, t,s и экономике, конструкторы могут лучше оптимизировать процесс проектирования и производства изделия.

Благодаря тесной интеграции с системами CAD и CAPP, DFM обеспечивает бесшовную интеграцию проектирования, процесса и производства, тем самым повышая конкурентоспособность продукции на рынке.

Заключение

Потребность в высоком качестве, низкой стоимости и быстром реагировании сделала DFM (проектирование для производства) ключевой концепцией проектирования.

Однако традиционный подход DFM представляет собой скорее теоретическое руководство, и только путем объединения компьютерных технологий DFM может по-настоящему реализовать свой потенциал и прикладную ценность.

Теоретическая модель автоматизированной системы DFM еще не полностью разработана, а методология исследования также требует совершенствования.

Это требует углубленного изучения и улучшения практического применения. Углубленное изучение технологии DFM будет решительно способствовать повышению конкурентоспособности обрабатывающей промышленности и имеет большое стратегическое значение.

В компании Ruiyi мы используем опытных инженеров и автоматизированные системы DFM для обслуживания наших клиентов и удовлетворения их требований к качеству и стоимости продукции.