“面向制造的设计”DFM Design For Manufactory

“面向制造的设计”DFM Design For Manufactory

文：王璐 时间：2005-12-12






众所周知，产品设计是产品制造的开始，设计的费用在制造系统中所占的比例虽然不大，但对产品制造成本的影响很大。设计阶段决定了一个产品80%的制造成本，同样，许多质量特性也是在设计时就固定下来，因此在设计过程中考虑制造因素是十分重要的，传统产品设计侧重满足产品的功能要求，往往产生制造成本高、返修率高、制造周期长的现象，很难综合满足用户的需求。甚至导致企业生产产品的市场竞争力削弱、利润下降。 把产品设计放在整个制造系统中来考虑，在满足功能性要求的同时满足制造要求，可以得到一个全局最优化的产品设计。从DFX到DFM 制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。20世纪末，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学与技术的迅猛发展及市场特征的变化急剧地改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究，提出了许多新观点，新思想、新概念，先后诞生了许多先进制造技术、模式与系统，例如面向X的设计方法（DFX），DFX是将设计进一步扩展到产品寿命循环的所有其他领域，逐渐形成的一个“技术族”。根据“X”的不同，DFX包括的内容有：面向制造、面向装配，面向回收、面向质量，面向成本、面向包装运输，面向均衡寿命、面向操作，面向环保、面向可靠性的设计等。其中面向制造的设计（DFM，Design For Manufactory）即我们常说的可制造性设计是DFX概念的核心，强调了在设计过程中考虑可加工性和加工的方便性。在《加工与制造工程师手册》一书中作者William H. Cubberly和Raman Bakerjian对此作了如下解释：“DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。”DFM在中国 面向制造的设计(DFM)不仅对于确保产品与设计的实际生产，而且对于保证其可靠性、可测试性、可返工性及耐用性至关重要。如果能够正确实施DFM，就可以避免与现有制造工艺不一致的设计，大幅降低产品的加工成本，缩短制造周期，提高产品质量和可靠性，这一思想和概念已逐步被我国制造业所接受，众多的企业为提高自身的竞争力都开始宣传和强调可制造性设计的思想和理念。 例如山东某汽车零部件快速设计制造工程中心在进行燃气发动机S段的开发过程中，在设计中即考虑采用快速铸造的方法进行生产，零件直径800mm，高410mm，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模7天（分6段组合），拼装、组合、铸造10天，费用每件不超过2万（共6件），取得了显著效益。
图一 燃气发动机S段外形 另外，在印制线路板PCB的设计制造领域，一些企业通过将生产约束条件直接融入到设计工艺中，把PCB 的设计将同工艺能力完全匹配起来，从实质上减少了浪费，缩短了产品投入市场的时间，降低了成本，增加了产能及利润，迅速满足了市场的需求。 在PCB的设计制造领域，甚至出现了专门的PCB设计可制造性分析优化商业软件。在DFM 软件工具的帮助下，可以将产品设计与工艺能力做到良好的匹配。例如通过CAM350软件，可以确保设计中不会包含任何制造规则方面的冲突(Manufacturing Rule Violations)，可以执行超过80种裸板分析检查，包括制造、丝印、电源和地、信号层、钻孔、阻焊等等。从而在提交PCB去加工制造之前，就能够定位、标识并立刻修改所有的冲突，而不是在PCB板制造加工之后。软件可以自动地检查酸角、阻焊条、铜条、残缺热焊盘、焊锡搭桥等等，避免在任何制造车间的CAM部门产生加工瓶颈。
图二、某电路板DFM设计软件的用途说明 这种在零部件上的优化设计和软件辅助设计的案例现在国内其实还有很多，但是，企业内系统实施DFM技术的却并不多，这也是我国工业设计中的关键问题之一。DFM在国外 在发达工业国家，可制造性设计（DFM）不再仅仅是一句妙语，而是一个对于产业来说存在的、有生命力的方法论。IBM认为：“DFM意味着统一地描述设计中的规则、工具和方法，通过可预测的制造过程、具有竞争力的设计，使得设计收益最大化。在PC机领域，康柏和DELL公司就是因贯彻“为制造而设计”的思想而压缩了成本，从而赢得了微机市场的主导权，一举超越IBM等公司成为最大的微机生产商。而前几年，本田公司的工程师由于沉醉于自己的技术目标，设计的汽车难于制造，成本又高，导致公司的经营严重衰退。 仔细研究可制造性设计推广成效较好的企业和制造领域，可以发现有以下共同点：首先，DFM概念的深入人心。DFM成功的一个关键是为公司文化所接受，并与公司文化融为一体。从管理层开始，逐渐渗透到所有的工程人员，最终传递到实际参与组装产品的所有人员。其次，具有完善的可制造性设计准则。DFM 把制造工艺的知识带到设计中，设计的前期便可捕获关键的制造信息。这就需要向设计师提供相应的设计准则和约束。在PCB的设计制造领域，一些企业通过制订完整的规则设置，做到产品设计与工艺能力的匹配。这些规则包括了关键的制造和工艺的信息，如PCB 的方向以及焊接方式等。再次，采用“Teamwork”的组织方式。“Teamwork”的含义为：由产品寿命循环各个方面的专家共同组成工作小组，采用并行工程的原理工作，以便设计出具有好造、好修、好用等特点的产品。最后，为DFM建立相应的考评体系。这类考评体系有量化的合理的目标，和衡量成本、产量、交付等方面的关键性标准。可制造性设计，势在必行 从国内国际的DFM发展状况反观我们所的研发制造，笔者认为，我所领导层对“可制造性”的明确指示和反复要求，是非常及时和必要的。38所正处于一个高速发展的时期，同时也处在一个高度竞争的时代，面对电子行业的激烈竞争，为了以高质量的新产品快速响应市场，提高设计的“可制造性”是提升38所产品核心竞争力的重要手段之一。 最近的一个事例也充分说明了提高产品可制造性对38所发展的重要意义：某产品固态组件，原先的加工方法是采用铝板铣削加工成型。在我们改用精密压铸的加工方法后，每部雷达上仅组件壳体的加工，就可节约651个工时，降低制造成本达20.7万元，还不包括其中物流，存储、运输的费用。经过我们测算，这项改进措施为所里批量投产的10部雷达节省了高达207万元的制造成本。由此可见，提高设计的可制造性是我们在产品设计开发中需要认真对待的事情，它所带来的工作效率的提高和经济效益的改善将是非常显著的。现在我们所进行的“可制造性”大讨论，如果能使我们的设计师养成可制造性的意识，每位设计人员都将自己视为整个制造过程的一部分，拿出不仅满足功能性需求的设计，而且满足制造性需求的设计，减少今后工程上更改，便是这次讨论的一大成功；如果我们还能将这些准则存入知识库，为设计人员提供咨询，帮助设计人员选择正确的机构和结构设计形式，更将是这次讨论的一大进步；最后，如果我们能寻找到一套科学的评价方法，引导可制造性设计向正确的方向发展，鼓励和督促设计师在产品的设计中充分考虑所设计产品的成本、工艺性、装配性等可能在加工中产生的问题，有了这套评价方法，加之前面所提的“意识”、“准则”、“知识库”，我想，对我所的可制造性建设将起到很好的推动作用。 直至笔者撰稿时，我所有关“可制造性”的大讨论仍在继续，还有许多同志有更精彩得观点，值得在此一提的远不止笔者的这些拙见。可制造性当然也可以从DFM推广开去，从产品实现的全过程来考虑。笔者在这里只是简略地跟大家从其中一个角度来探讨推广可制造性的必要性。笔者相信，有一点认识大家都是相同的，那就是全面推行可制造性理念，不光需要我们从理论上认识它，更需要我们将它落实到具体行动中去，推广可制造性，势在必行！