DFMA

面向製造和裝配(DFMA)的設計概念

面向製造和裝配的設計(Design for Manufacturing and Assembly,簡稱面向製造和裝配的設計):在考慮產品外觀、功能和可靠性等前提下,通過提高產品的可製造性和可裝配性,從而保證以更低的成本、更短的時間和更高的品質進行產品設計。

1. DFX/DFM技術

種種問題,都與產品的可製造性聯繫在一起(圖1),這是現代電子產品和設計中必須考慮的重要因素。眾所周知,設計階段決定了一個產品約80%左右的製造成本。根據對國外企業的調查可以發現,凡是企業產品開發持續力好,成果轉化能力強,產品品質穩定,必然與企業對研發的觀念和推行的保障體系相關,最關鍵的問題在於企業是否有一套針對新產品設計開發的產業化技術研究。


DFX工程技術是世界上比較新的產品開發可製造性分析技術。這項技術在歐美企業中應用比較廣泛。所謂DFX 是Design for X(面向產品生命週期各/某環節的設計)的縮寫。 其中,X可以代表產品生命週期或其中某一環節,如裝配(M-製造,T-測試)、加工、使用、維修、回收、報廢等,也可以代表產品競爭力或決定產品競爭力的因素,如品質、成本(C)、時間等等。包括:

  • DFP:Design for Procurement 可採購設計
  • DFM:Design for Manufacture 可生產設計
  • DFT:Design for Test 可測試設計
  • DFD:Design for Diagnosibility 可診斷分析設計
  • DFA:Design for Assembly 可組裝設計
  • DFE:Design for Environment 可環保設計
  • DFF:Design for Fabrication of the PCB 為PCB 可製造而設計
  • DFS:Design for Serviceability 可服務設計
  • DFR:Design for Reliability 為可靠性而設計
  • DFC:Design for Cost 為成本而設計

2. 面向製造和裝配(DFMA)的設計概念

面向製造和裝配的設計(Design for Manufacturing and Assembly,簡稱面向製造和裝配的設計):在考慮產品外觀、功能和可靠性等前提下,通過提高產品的可製造性和可裝配性,從而保證以更低的成本、更短的時間和更高的品質進行產品設計。

(1) 可製造性

製造工藝對零件的設計要求,確保零件容易製造、製造成本低、品質高等。

(2) 可裝配性

裝配工序和裝配工藝對產品的設計要求,確保裝配效率高、裝配不良率低、裝配成本低、裝配品質高等。

(3) 面向製造和裝配的設計的特點

  • (a) 設計充分考慮製造的要求。
  • (b) 第一次就把事情做對。
  • (c) 產品開發成本低、開發週期短、產品品質高。

● 傳統產品開發模式(圖2)。產品開發過程分為產品設計階段和產品製造階段,在產品設計階段,結構工程師關注的是如何實現產品的功能、外觀和可靠性等要求,而不去關心產品是如何製造、如何裝配的;當產品設計完成後,由製造工程師進行產品的製造和裝配,製造工程師不關心產品的功能、外觀和可靠性等要求。

3. 面向製造和裝配的設計價值

(1) 減少產品設計修改

產品具有很好的可製造性和可裝配性,產品製造和裝配順利,設計修改少,把設計修改集中在產品設計階段,第一次就把事情做對(圖3)。

(2) 縮短產品開發週期

產品開發時間由設計階段,製造時間和裝配時間組成。其中設計階段佔據整個開發時間的55%。面向製造和裝配的設計要求投入較多的時間和精力在產品設計之中,第一次就把事情做對,相比傳統產品開發,會縮短39%的開發週期(圖4)。

(3) 降低產品成本

設計決定產品總成本的75%,而設計階段占的費用僅為產品成本的5%以下。
研究表明:設計方案占50%,詳細圖紙占30%,加工占20%。面向製造和裝配的設計把設計修改集中在設計修改費用最少的產品設計階段,降低成本,另外簡化產品設計,降低產品成本,減少裝配工序和裝配時間,降低裝配成本;降低產品不良率,減少成本浪費(圖5)。

(4) 提高產品品質

通過面向製造和裝配的設計,產品具有很好的可製造性和可裝配性,產品設計在產品開發階段就得到了優化和完善,因此避免了產品在後期製造和裝配產生中的品質問題,大大提高了產品的品質(圖6)。

4. 面向製造和裝配的設計原則

裝配的概念:裝配就是把兩個或多個零件組裝成產品。

(1) 原則1:減少零件數量

  • (a) 考慮去除每個零件。
  • (b) 相似的零件合併成一個。
  • (c) 對稱的零件合併成一個。
  • (d) 合理選用製造工藝,設計多用途零件。
  • (e) 去除標籤,將標籤刻在零件上。
  • (f) 使用全新技術。

(2) 原則2:減少緊固件數量和類型

  • (a) 使用同一種類型的緊固件,如同一機種使用同一種螺絲、華司、膠水等。
  • (b) 使用卡扣、折邊代替緊固件。
  • (c) 避免分散的緊固件。把緊固件設為一體能減少緊固件的類型,減少裝配時間和效率。如PWA型自攻牙螺絲。
  • (d) 使用自攻牙螺絲代替機械螺釘,把螺柱螺母做最後選擇。
  • (e) 零件標準化,儘量採用公司現有的螺絲規格,或採用市場上現有、成熟的零件。

(3)原則3:零件標準化

  • (a) 零件標準化的好處
    • (a-1) 零件標準化能夠減少定制零件所帶來的新零件開發時間和精力的浪費、縮短產品開發週期。
    • (a-2) 降低成本。標準化零件因為規模性往往成本較低,對於塑膠、鈑金等需要通過模具進行製造的零件,使用標準化的零件能夠節省模具的成本,零件成本優勢更加明顯。在成本上,定制零件就如同定制衣服一樣,通常都會比較貴。
    • (a-3) 避免出現零件品質問題的風險。標準化的零件已經被廣泛使用,並證明品質可靠。相反,定制的零件需要通過嚴格的品質和功能驗證,否則容易出現品質問題。
  • (b) 實現零件標準化的實現。
    • (b-1) 制訂常用零件的標準庫和零件優先選用表,並在企業內部不同產品之間實行標準化策略。
    • (b-2) 五金零件,例如螺釘、螺母、導電泡棉等選用供應商的標準零件,五金零件的定制會帶來成本和時間的增加。

(4) 原則4:模組化產品設計

模組化產品設計是指把產品中多個相鄰的零件合併成一個子元件或模組,一個產品由多個子元件或模組組成(圖11)。應用模組化設計複雜產品被分解為多個功能模組,從而簡化產品結構和減少產品總裝配時的裝配工序。同時,模組化的子元件能夠在產品總裝配之前進行品質檢驗,裝配品質問題能夠更早、更容易被發現,避免不合格的產品流入到產品總裝配線上,從而提高產品裝配效率和提高裝配品質。

(5) 原則5:設計一個穩定的基座

  • (a) 穩定的基座有強大的支撐面,平穩地放在工作臺上,能夠保證裝配的順利進行。
  • (b) 最理想的裝配方式:金字塔式裝的裝配順序。小時候玩積木的經驗告訴我們,要把積木搭得高,一定要把最大的積木放在最下面。
  • (c) 避免把大的零件置於小的零件上面進行裝配。

(6) 原則6:設計零件容易被抓取

  • (a) 不要太小、太柔、太滑。
  • (b) 零件避免鋒利的邊、角。

(7) 原則7:避免零件相互纏繞

避免零件相互纏繞不易取出。

(8) 原則8:減少零件裝配方向

  • (a) 利用自然重力,由上往下裝配是最理想的裝配方向。
  • (b) 裝配方向越少越好。
  • (c) 前後左右是次理想裝配方向。

(9) 原則9:設計導向特徵

  • (a) 常見的導向特徵包括:斜角、圓角、導向柱和導向槽等。
  • (b) 導向特徵應該設計在最先接觸的地方。
  • (c) 導向特徵越大越好。
  • (d) 四周增加限位。
  • (e) 使用定位柱。

(10) 原則10:先定位後固定

減少裝配調整的時間。

(11) 原則11:避免裝配干涉

  • (a) 避免零件裝配過程發生干涉。避免零件在裝配過程中發生干涉是產品設計最基本、最簡單的常識,但這是結構工程師最容易犯的錯誤之一(圖18)。零件的裝配過程應該很順利,裝配過程不應該出現阻滯和干涉的情況。對於整個產品的裝配過程,都需要利用三維軟體(如Po/ Engineer)進行干涉檢查,確保零件裝配順利。
  • (b) 避免零件運動過程發生干涉。很多產品包含運動零件,運動零件在運動過程中要避免發生干涉,否則會阻礙產品實現相應的功能,造成產品故障甚至損壞。

(12) 原則12:為重要零部件設計裝配止位(限位)特徵

產品中一般都包括很重要但同時又比較脆弱的零部件,如電腦中的硬碟、電源及印製電路板等。這些零部件極容易損壞,產品設計需要確保這些重要零都件在裝配和使用過程中不被損壞。最容易發生的失效方式是這些重要零部件裝配到正確位置後,由於操作人員或者消費者用力不當,使得零部件繼續前進,碰到其他零件而損壞。因此,有必要在產品中設計止位(限位)特徵(圖19),防止重要零件裝配到正確位置後繼續前進。

(13) 原則13:防止零件欠約束和過約束

(12) 原則14:寬鬆的零件公差要求

  • (a) 設計合理的。
  • (b) 簡化產品裝配關係。
  • (c) 使用定位特徵。
  • (d) 使用點或線與平面配合。

(15) 原則15:防呆設計

  • (a) 零件具有唯一的正確裝配位置。
  • (b) 零件的防呆設計特徵越明顯越好。
  • (c) 放大零件的不對稱性或不相似性。
  • (d) 設計明顯的防呆標識。
  • (e) 最後的選擇:通過制程來防呆。
  • (f) 完美的防呆:不必防呆。

制程防呆:

  • (a) 改變或增加工具、治具。
  • (b) 改變裝配順序。
  • (c) 增加使用清單、範本或測量儀。
  • (d) 執行控制圖表。

5. 面向製造和裝配的設計實施

(1) 轉變思想
結構工程師:“設計不考慮製造和裝配的需求”轉變為“設計充分考慮製造和裝配的需求”。
(2) 建立面向製造和裝配的設計團隊。如結構工程師、專案工程師、製造工程師、裝配工程師、測試工程師等。
(3) 實施面向製造和裝配的設計開發流程。
(4) 進行面向製造和裝配的設計培訓。
(5) 把工程師派到工廠去。
(6) 使用面向製造和裝配的設計檢查表。

☆ 其他參考資料及文章

TBD

☆ 案例及資料下載

● 壓縮檔裡的檔案內容